Den Unfallablauf zusammenpuzzeln – Interview mit dem Abteilungsleiter Containment der GRS

19.02.2021

Die Sicherheitsforschung für kerntechnische Anlagen ist einer der Arbeitsschwerpunkte der GRS. Mit der Reaktorkatastrophe von Fukushima Daiichi beschäftigen sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler seit dem Tag des Unfalls am 11.03.2011. Einer der Fachleute auf diesem Gebiet ist Dr. Martin Sonnenkalb. Er und sein Team befassen sich, vereinfacht gesagt, mit den Abläufen, die während Stör- und Unfällen im Sicherheitsbehälter (Containment) eines Kernkraftwerks ablaufen. Mit ihm sprechen wir anlässlich des 10. Jahrestages des Reaktorunfalls in Fukushima unter anderem darüber, inwiefern Analysen der Unfallabläufe mit Simulationsprogrammen den Rückbauprozess unterstützen können.

Hallo Herr Sonnenkalb. Vor Kurzem hieß es von Seiten der japanischen Atomaufsichtsbehörde, die Betondeckel über zwei Reaktoren in Fukushima Daichii seien um ein Vielfaches stärker verstrahlt als bisher angenommen. Wie kommt es, dass einen noch zehn Jahre nach dem Unfall solche Überraschungen erwarten? 

Da der abschließende Bericht der NRA (Nuclear Regulation Authority) erst Ende März veröffentlicht wird, kann ich hierzu auch keine Details beisteuern. Aber es ist nun einmal so, dass man sich ein Bild der Lage mühsam zusammenpuzzelt und langsam näher von außen an die Reaktoren vortastet, bevor man in deren Inneres – auf welchem Weg auch immer – vordringt. Der strategische Rückbauplan für Fukushima Daiichi sah vor, in 2020/‘21 mit dem Rückbau eines Blockes zu beginnen. Dazu wurden verschiedene Methoden des Zuganges zum Reaktor und den umgebenden Bereichen im Reaktorsicherheitsbehälter eruiert, unter anderem der Zugang von oben über den dann geöffneten Raumbereich. Dass die Betonriegel oberhalb der Reaktorsicherheitsbehälter von Block 2 und 3, die dann entfernt werden müssen, stärker verstrahlt bzw. kontaminiert sind als bisher bekannt, ist für die Rückbauarbeiten sicherlich erst mal ein Rückschlag – man kann den Befund allerdings auch als ein weiteres Puzzleteil sehen, welches unser Bild vom Unfallablauf ergänzt.

Apropos Unfallablauf: Wozu sind detaillierte Erkenntnisse darüber überhaupt wichtig? Entscheidend ist doch der Status quo zum Zeitpunkt des Rückbaus?

Das ist einerseits richtig, aber andererseits gibt es auch gewichtige Gründe, den Unfallablauf möglichst genau zu kennen. Es lassen sich durch die Analyse für jeden einzelnen der betroffenen und nicht identischen Reaktoren Erkenntnisse über die – trotz gleichem auslösenden Ereignis – individuellen Unfallabläufe gewinnen. Nur so können gezielt adäquate Rückbaupläne und Vorgehensweisen erarbeitet werden. 
Die Erkenntnisse werden zudem genutzt, um ein mögliches Auftreten ähnlicher Schäden an anderen Anlagen künftig vermeiden zu können. Genauso hat man die Nuklearunfälle in Three Mile Island 1979 und Tschernobyl 1986 auch ausgewertet. Darüber hinaus hat man das wissenschaftliche Interesse, unsichere oder noch unbekannte Vorgänge im Ablauf von Unfällen genauer zu beschreiben. Dazu dienen auch Probenahmen des Brennstoffes bzw. der Kernschmelze, die aktuell und später beim Rückbau vorgenommen werden. Hierzu werden von den Wissenschaftlern aufbauend aus den Analysen gezielt Anforderungen an diese Probenahmen formuliert. Eine nicht unbedeutende Anzahl von Erkenntnissen mit zahlreichen überraschenden Dingen konnte so durch gezielte Untersuchungen an den Reaktoren durch TEPCO bereits gewonnen werden. Mit diesen Erkenntnissen lassen sich dann die Simulationsprogramme weiterentwickeln, beispielsweise indem für neu erkannte physikalisch-chemische Vorgänge Modelle erstellt und eingearbeitet werden. 

Was hat es mit diesen Simulationsprogrammen auf sich? 

Simulationsprogramme sind ein wichtiges Werkzeug in der Reaktorsicherheitsforschung. Mithilfe dieser Programme lassen sich unterschiedliche Szenarien innerhalb eines Kernkraftwerks bei Auslegungsstörfällen und bei Unfallereignissen durchspielen. Ein Unfallereignis vom Ausmaß wie Fukushima Daiichi kann man nicht in vollem Umfang in einer Versuchsanlage simulieren, wohl aber einzelne Sequenzen: Durch das Zusammensetzen der „Puzzleteile“ und mit Hilfe der entwickelten Tools kann man dann quasi ein Gesamtbild erzeugen. Die GRS hat unter anderem Rechencodes entwickelt, die das Brennstab- und Kernverhalten und den Ablauf von Auslegungsstörfällen und Unfällen simulieren. Diese sind anhand von Experimentaldaten aus Einzel- und Großversuchen validiert und im In- und Ausland erfolgreich im Einsatz. Wenn man aber mit Daten von realen Unfällen wie Tschernobyl oder Fukushima Daiichi Simulationsprogramme validieren kann, ist das für die Wissenschaft sehr wertvoll – was natürlich nicht heißt, dass wir als Wissenschaftler uns über so etwas freuen, ganz im Gegenteil.

Sie selbst und Kollegen Ihrer Abteilung befassen sich mit Fukushima Daiichi im Rahmen von Forschungsvorhaben, die von der Kernenergieagentur der Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung, OECD/NEA, initiiert wurden bzw. werden. Wie muss man sich das vorstellen?

Bei den angesprochenen Vorhaben handelt es sich vor allem um zwei große Projekte, an denen ich gemeinsam mit weiteren Kolleginnen und Kollegen der GRS teilnehme: Im ersten Projekt BSAF (Benchmark Study of the Accident at the Fukushima Daiichi NPP) haben wir, wie auch die zahlreichen internationalen Partner,  die Unfallabläufe in den Kernkraftwerksblöcken am Standort Fukushima Daiichi in Japan mit verschiedenen Simulationsprogrammen detailliert analysiert. Dadurch konnten wir einerseits den Unfallablauf besser verstehen und Hinweise geben, wie sich der Rückbau der Anlagen gegebenenfalls bewerkstelligen lässt und was für Anforderungen dabei an die Informationsgewinnung gestellt werden. Andererseits ließen sich Stärken und Schwächen der einzelnen Programme identifizieren, die wir dann bei Bedarf weiterentwickeln konnten. Das aus zwei Phasen bestehende Vorhaben startete 2012 und endete 2018 (Abschlussbericht s. hier).  

Modellierung von Fukushima Daiichi in COCOSYS, einzelne Raumbereiche farbig gekennzeichnet (Quelle: GRS)Das jetzt laufende Forschungsvorhaben ARC-F (Analysis of Information from Reactor Buildings and Containment Vessels of Fukushima Daiichi NPS) baut auf den Ergebnissen von BSAF auf. Der Schwerpunkt liegt auf dem Verhalten radioaktiver Spaltprodukte während der Unfallabläufe. Wir berechnen unter anderem die Unfallabläufe in den Blöcken 2 und 3 mit dem von der GRS entwickelten Simulationsprogramm AC² bzw. seinen Hauptbestandteilen ATHLET/ATHLET-CD und COCOSYS. Außerdem beschäftigen wir uns mit sogenannten Rückrechnungen der Spaltproduktfreisetzung aus den Anlagen – wir wollen also anhand der radioaktiven Stoffe, die während und nach dem Unfall außerhalb der Anlage detektiert wurden, die Frage nach dem zeitlichen Ablauf der Freisetzung aus den Reaktoren beantworten, wofür wir auch die atomaren Zerfallsreihen zurückrechnen. Das erlaubt uns wiederum auf andere Art und Weise Rückschlüsse darauf zu bekommen, was während des Unfalls in den Reaktorkernen passiert ist und wird zur Absicherung der Unfallanalysen und zur Beantwortung offener Fragen genutzt. 

Also könnte man sagen, dass die Daten aus dem Unfall dabei helfen, die Rechenmodelle zu verbessern?

Richtig, das ist ein weiteres Ziel der OECD/NEA-Vorhaben. Man will Modelldefizite in den Simulationsprogrammen möglichst beseitigen und die Modelle erweitern und verbessern. Dazu nutzt man Erkenntnisse, die aus dem Rückbau oder aus den Inspektionen im Inneren der Anlagen durch die beteiligten japanischen Organisationen und den Anlagenbetreiber TEPCO gewonnen werden. Dabei bringt jede neue Inspektion mindestens eine neue Überraschung, wie zum Beispiel das Auffinden eines weitgehend intakten Brennelement-Kopfes im Raum unter dem Reaktordruckbehälter (Anmerkung: kurz RDB) von Block 2 im Januar 2018.

Dieses Teil eines Brennelements, das sie gerade ansprechen, war auf einer Bildaufnahme deutlich erkennbar, die TEPCO von der Inspektion im Block 2 veröffentlicht hatte. Inwieweit helfen solche Daten bei Ihrer Arbeit?

Der weitgehend intakte Brennelement-Kopf aus Block 2; rechts zum Vergleich ein Musterbild eines Brennelemente-Kopfes (Bilder: TEPCO/IRID & GRS)Sie beeinflussen unsere Arbeit insofern, als dass sie dazu beitragen, gewisse Unfallszenarien auszuschließen, aber auch gewisse Annahmen zu verfestigen. Der Fund des Brennelement-Kopfes in Block 2 ist ein solches Beispiel. Dass sich tatsächlich so relativ gut erhaltene Strukturen außerhalb des RDB im Containment wiederfinden, wurde bisher für eher unwahrscheinlich gehalten, denn das bedingt eine relativ große Öffnung am RDB-Boden, die unfallbedingt entstanden und durch die dieses Teil zusammen mit Kernschmelze ausgetreten sein muss, ohne selbst zu schmelzen. 
Gleiches gilt ja im Prinzip auch für den Befund der erhöhten Messwerte an den Betonriegeln oberhalb der Reaktorsicherheitsbehälter – dass wir also durch solche Befunde angenommene Unfallszenarien ausschließen oder bestätigen können.

Für Ihre Programme sind neue Daten und Werte also hilfreich. Sie selbst waren schon mehrfach in Fukushima. Welchen Nutzen hat ein solcher Besuch für Sie, wenn Sie doch eigentlich nur die Daten und Werte brauchen? Die beschaffen Sie sich doch nicht selbst?

Nein, diese werden wie bereits gesagt durch die japanischen Organisationen und den Anlagenbetreiber TEPCO gewonnen. Aber auch für unsere analytischen Arbeiten kann ein solcher Besuch sehr wichtig sein, da ggf. für den Unfallablauf wichtige Anlagendetails allein aus dem Studium von Anlagenunterlagen nicht zu gewinnen sind. Ich denke da gerade an meinen Besuch im Rahmen des BSAF-Vorhabens in Fukushima Daiichi: Damals konnten wir Block 5 inspizieren, der baugleich zu den Blöcken 2 bis 4 ist und nicht zerstört wurde. Wir wollten vor allem wissen, wie es im Inneren des Containments aussieht, beispielsweise wie der Reaktor von unten aussieht. Wir sind dann zwei Stunden unter Vollschutz im Sicherheitsbehälter unterwegs gewesen und haben eine räumliche Vorstellung von dem Ganzen bekommen. Das ist schon echt hilfreich, wenn man dann später sein Rechenmodell aufstellt. 

Zum ersten Mal habe ich Fukushima Daichii einige Zeit davor mit einer OECD-Expertengruppe besucht, die sich mit offenen Fragen in der Reaktorsicherheitsforschung zu Unfällen beschäftigte. Genauer gesagt damit, welche Informationen aus dem Rückbau der Anlagen gewonnen werden sollten, die uns dabei helfen können, unsere Wissenslücken zu schließen. Da hatten wir die Gelegenheit, natürlich unter Einhaltung der massiven Strahlenschutzvorschriften auf dem Anlagengelände, das Turbinenhaus in Block 1 zu betreten. Die Eindrücke vom schweren Grad der Zerstörung, von den Wassermarkern, die man an den elektrischen Schaltschränken auf zwei Metern Höhe gesehen hat, dem eingedrückten Einfahrtstor und natürlich den vielen kaputten Behältern, die durch das Meerwasser zerstört und verschoben worden sind, bleiben mir unvergessen. Da wird einem, auch wenn man es auf Fotos oft gesehen hat, noch einmal richtig bewusst, welche Kräfte dort durch den Tsunami gewirkt haben.

Solche Reisen sind natürlich etwas Besonderes; der Großteil unserer Arbeit besteht aber tatsächlich in der Arbeit an und mit den Simulationsprogrammen.

Und wie läuft das dann konkret ab, wenn Sie die Simulationsprogramme mit neuen Zahlen, Daten, Fakten „füttern“?

Mit neuen Informationen können wir unser Computerprogramm in der Regel nicht wirklich „füttern“; sie dienen eher als Vergleich dazu, ob unsere Rechenergebnisse, die wir durch die Simulation des Ereignisses erhalten haben, mit den gemessenen Werten übereinstimmen. Mit Zahlen „füttert“ man das Programm ganz zu Beginn, wenn man beispielsweise die Ausgangssituation bzw. das Anlagendesign mittels der Nodalisierung der Räume innerhalb des Programms digital nachbildet. Da definiert man dann Werte wie die Größe der Anlage, die Anzahl der Brennelemente oder Druck- und Temperaturangaben.

Und inwiefern helfen diese Programme heute noch in Fukushima? Welchen Mehrwert bieten die Ergebnisse, die man aus ARC-F zieht, wenn doch mittlerweile ferngesteuerte Roboter echte Bilder und Daten aus den Reaktorgebäuden beschaffen können?

Zuerst einmal ermöglichten diese Programme, wie gesagt, eine Vorstellung von dem Ausmaß der Kernschäden zu erarbeiten. Daran hat sich prinzipiell bis heute nichts geändert, nur dass diese Vorstellung immer präziser wird – und dass sich bestimmte Abläufe nicht zuletzt dank der Roboteraufnahmen aus dem Inneren der Containments als wahrscheinlicher darstellen. Ich sehe die beiden Technologien nicht als Konkurrenz an, sondern als Ergänzungen. Genauso, wie die Aufnahmen und Messwerte die Simulationsprogramme genauer machen, helfen wiederum die Programme, die aufgenommenen Bilder und Messwerte einzuordnen und zu verstehen, das Puzzle sozusagen zusammenzufügen. Zudem hat man bislang noch keine Materialproben aus dem inneren der Reaktoren oder aus der Kernschmelze in den Containments entnehmen können. Die Bilder und Messwerte müssen also interpretiert werden, wozu die Simulationsprogramme die nötigen Werkzeuge zur Verfügung stellen.

Und was passiert mit dem Simulationsprogramm, wenn es fertiggestellt ist?

Ein Simulationsprogramm ist eigentlich nie komplett fertiggestellt. Diese Rechenprogramme obliegen in der Regel immer der Weiterentwicklung – sowohl durch neue Erkenntnisse, zum Beispiel über die Unfallabläufe in einzelnen Phasen, als auch, indem man sie an neue Reaktortypen anpasst. Und wie ich schon sagte, beim Ablauf von Unfällen mit Kernzerstörung gibt es eine ganze Reihe von nicht vollständig klaren oder auch bedingt zufällig anders ablaufenden Prozessen und Phänomenen, wo wir durch neue Erkenntnisse aus dem Rückbau oder aus weiteren Experimenten Lücken schließen, Modelle verbessern und die Aussagefähigkeit der Codes erhöhen können. Ein anwendungsbereites Produkt liegt in der Regel immer vor, es wird dann nur weiter verfeinert und verbessert – das ist wie bei anderen Produkten auch, beispielsweise in der Autoindustrie.

Vielen Dank für das Gespräch!