Eine neue Methode zur Kühlung und Eindämmung der radioaktiven, lavaähnlichen Masse, die sich bei einer katastrophalen Kernschmelze im Kern eines Kernreaktors bildet, wurde von Forschern in den USA entwickelt. Die Technik beruht auf der Verwendung körniger Karbonatmaterialien anstelle von Wasser und wurde sowohl in kleinen als auch in großen Testanlagen mit geschmolzenem Bleioxid demonstriert. Die Entwickler arbeiten nun an einer kommerziellen Anwendung des Systems.
Wenn es in einem Kernkraftwerk zu einer katastrophalen Kernschmelze kommt, kann sich ein radioaktives, lavaähnliches Gemisch aus Kernbrennstoff, Steuerstäben, Spaltprodukten und den Strukturkomponenten des Reaktors bilden. Diese als „Corium“ bezeichnete geschmolzene Masse ist nicht nur äußerst gefährlich, sondern kann auch in Bewegung geraten.
„Bei einem schweren Reaktorunfall schmilzt der Behälter, in dem sich der Brennstoff befand, und zerbricht“, erklärt David Louie, Ingenieur bei den Sandia National Laboratories. „
Explodierender Wasserstoff
Die Kernschmelze kann die Freisetzung von radioaktivem Material in die Umgebung auf zweierlei Weise verstärken: Zum einen kann das Corium den Boden des Reaktorgebäudes durchschmelzen und in das darunter liegende Erdreich eindringen. Die geschmolzene Masse könnte auch chemisch mit den umgebenden Materialien wie Beton reagieren und Wasserstoffgas bilden, das sich ansammeln und eine Explosion verursachen kann.
Die Standardtechnik für den Umgang mit Corium ist der Versuch, es mit Wasser zu kühlen. Dieser Ansatz funktioniert jedoch in der Regel zu langsam, so dass sich die Katastrophe weiter ausbreitet und radioaktive Schadstoffe in die Umgebung entweichen können.
„Irgendwann hört das Corium auf, sich auszubreiten, weil das Wasser es abkühlt“, so Louie. „Aber man will nicht, dass der Unfall immer schlimmer wird, während man daran arbeitet, Wasser heranzuschaffen.
Auf der Suche nach einer besseren Methode zur Kühlung und Eindämmung des Coriums wandten sich Louie und seine Kollegen körnigen Karbonatmineralien wie Kalzit und Dolomit zu, die ihrer Meinung nach im Falle einer Kernschmelze in das Herz der Reaktoren injiziert werden könnten.
Test im kleinen Maßstab
Bei einem Test im kleinen Maßstab erhitzte das Team zunächst einige Gramm Bleioxidpulver auf 1000 °C, um ein geschmolzenes Material ähnlich wie Korium zu erzeugen. Dann kombinierten sie dieses mit einer Probe körnigen Calcits und zum Vergleich mit Körnern von Siliziumdioxid (Sand).
„Wir haben gesehen, dass die injizierbaren Karbonatminerale funktionieren“, sagte Louie. „Es reagierte chemisch, um eine Menge Kohlendioxid zu erzeugen, das das Bleioxid zu einer schönen kuchenartigen Struktur ‚versäuerte‘. Die Reaktion selbst hatte eine kühlende Wirkung, und alle Poren im Kuchen“ ermöglichen eine weitere Kühlung. Im Gegensatz dazu hatte der als Kontrollprobe verwendete Sand keinen Einfluss auf das simulierte Corium.
Ein Folgeexperiment im Kilogramm-Maßstab zeigte ebenfalls, dass Karbonatgranulat erfolgreich eingesetzt werden konnte, um das geschmolzene Material einzuschließen. Die Forscher haben ihre injizierbaren Sicherheitsmaterialien auch in die Software von Sandia zur Modellierung von Reaktorschmelzen integriert, um zu untersuchen, wie sich körnige Karbonate auf eine reale Nuklearkatastrophe auswirken könnten, wie sie sich 2011 im japanischen Kraftwerk Fukushima Daiichi ereignet hat.
„Es gibt zwar viele Möglichkeiten, die Kernenergie sicherer zu machen, aber Lösungen wie Wanderwellenreaktoren und Salzschmelzenreaktoren erfordern oft eine völlig neue Infrastruktur, deren Entwicklung Jahrzehnte dauern kann“, sagt der Physiker Lawrie Skinner von der Universität Stanford, der nicht an der vorliegenden Studie beteiligt war. Er fügt hinzu: „Diese Karbonat-Injektionsmethode bietet eine einfache Möglichkeit, die derzeitige Reaktortechnologie sicherer zu machen.“
Größere Demonstrationen sind erforderlich
„Auch wenn der experimentelle Nachweis in größerem Maßstab und mit Materialien, die der Kernschmelze sehr ähnlich sind, noch aussteht, wird es spannend sein zu sehen, wie sich diese Karbonat-Injektionsmethode bewährt.“
Oliver Alderman von Materials Development Inc. hat zuvor Corium-Lava untersucht und bezeichnet die neue Forschung als „ein sehr schönes Konzept“. Ich frage mich allerdings, wie sich die Temperatur des Coriums auswirkt – Corium kann viel heißer sein als das verwendete geschmolzene Bleioxid – und auch, ob es zu exothermen Sekundärreaktionen kommen kann“, gibt er zu bedenken.
Er fügt hinzu: „Ein weiterer interessanter Punkt ist, dass die Wärmeleitfähigkeit des „Kuchen“-Materials wahrscheinlich sehr niedrig ist, was je nach Reaktorkonstruktion ein Vorteil oder ein Nachteil sein könnte.
Nach Abschluss ihrer ersten Studie haben die Forscher nun ein nicht vorläufiges Patent für die injizierbaren Sicherheitsmaterialien angemeldet und wollen auch Tests in noch größerem Maßstab durchführen, allerdings unter Verwendung von abgereichertem Uran.
„Danach wären wir bereit, die Technologie zu vermarkten“, sagte Louie und fügte hinzu, dass die Karbonat-Sicherheitsmaterialien „in jedes bestehende Kernreaktordesign nachgerüstet werden könnten“.
Die Sandia National Laboratories rufen zur Interessenbekundung anderer Forschungsgruppen und Organisationen auf, die an einer Partnerschaft bei künftigen Arbeiten zu diesem Ansatz der Corium-Sicherheitseinschließung interessiert sind.