Garantiert kein Kernreaktor. Explosion von Upshot-Knothole Badger 1953 auf der Nevada Test Site. Foto: Wikipedia, National Nuclear Security Administration / Nevada Site Office. Gemeinfrei nach US-Recht.

Mythenjagd (2b): Kernreaktoren können explodieren

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Kernreaktoren sind keine Atombomben. Dass ein Kernkraftwerk in einer Atomexplosion in die Luft fliegt, ist physikalisch nicht möglich.

Bilder können sehr wirkmächtig sein, vor allem wenn sie Emotionen transportieren. Besonders deutlich wird das bei Kampagnen von Umweltverbänden, die auf Angst und Empörung zielen. Der Wissenschaftler im Kittel, der grünes Gift ins Gemüse spritzt, der Maiskolben mit dem Bio-Hazard-Zeichen oder der Atompilz über der ikonischen Kuppel eines Kernkraftwerks – solche Bilder transportieren fertige Interpretationen, die ganz ohne Argumente und Faktenabwägungen auskommen.

Die Verknüpfung der Atomwaffen-Ikonographie mit der friedlichen Nutzung der Kernenergie hat ganz sicher zur starken emotionalen Aufladung des Themas beigetragen. Sie hat den Ruf, eine besonders gefährliche Technologie zu sein. Die Vorstellung, dass ein Kernreaktor irgendwie so etwas ist wie eine mühsam kontrollierte Atombombe, die durch aufwändige Technik vom Explodieren abgehalten wird, ist weit verbreitet.

Mit der physikalischen Realität hat sie allerdings nichts zu tun. Kernreaktoren können nicht explodieren, Tschernobyl und Fukushima waren keine Atom-, sondern Gas- und Dampfexplosionen.

Natürlich gibt es Gemeinsamkeiten zwischen Atombomben und Kernreaktoren. In beiden laufen Kettenreaktionen ab: Bei der Spaltung radioaktiver Atome werden Neutronen frei, die auf weiteres Material treffen und dort ebenfalls eine Kernspaltung auslösen. Ausgangsmaterial ist üblicherweise das natürlich vorkommende Uran-235. Ein solches Atom wird in mindestens zwei kleinere, schnellere Spaltprodukte gespalten, beispielsweise Krypton-92 und Barium-141. Deren Masse ist geringer als die des ursprünglichen Urans und des Neutrons. Dieser Masse-Unterschied wird als Energie, vor allem in Form von Hitze, die zur Stromerzeugung genutzt werden kann, freigesetzt.

Entscheidend für die Kettenreaktion ist aber die Entstehung von zwei bis drei freien Neutronen pro Kernspaltung. Durch sie wird die Kettenreaktion in Gang halten. Um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass diese Neutronen auf spaltbare Atomkerne treffen und nicht einfach ungenutzt aus dem Reaktor entweichen, werden sie mit Hilfe sogenannter Moderatoren, üblicherweise Wasser oder Graphit, abgebremst. Kollidiert ein schnelles Neutron mit einem Wasserstoff- oder Kohlenstoffatom im Moderator, gibt es einen Teil seiner Energie an dieses ab. Derart abgebremste Neutronen besitzen eine höhere Wahrscheinlichkeit, einen Uran-235-Kern zu spalten als schnelle, energiereiche Neutronen. Natürliches Uran besteht aber zu etwa 99,3% aus Uran-238, das langsame Neutronen nicht spalten können. Deswegen muss der Brennstoff für die meisten heute laufenden Kernreaktortypen angereichert werden. Die Anreicherung trennt Uran-238 ab und erhöht so den Uran-235-Anteil.

Atombomben brauchen hochangereichertes Uran

Und hier liegt einer der entscheidenden Unterschiede zwischen Kernreaktoren und Atombomben. Das in Brennstäben enthaltene Uran ist üblicherweise auf einen Gehalt von lediglich drei bis fünf Prozent Uran-235 angereichert. Das reicht für eine kontinuierliche Kettenreaktion („kritischer Zustand“) aus, die sich mit Hilfe von Neutronenfängern wie Bor- oder Cadmiumverbindungen in den Steuerstäben oder durch Hinzufügen von Borsäure zum Kühlwasser hoch- und herunterregulieren lässt.

In einer Atombombe hingegen soll möglichst die gesamte im Material gespeicherte Energie auf einen Schlag freigesetzt werden. Anders als in einem Kernreaktor ist die Kettenreaktion nicht nur kritisch, sondern prompt überkritisch: Die Zahl der Kernspaltungen nimmt in sehr kurzer Zeit exponentiell zu. Möglich ist dies erst durch die Anreicherung des Urans auf mindestens 80 Prozent Uran-235 sowie durch die Geometrie der Atombombe. Dazu muss das Spaltmaterial die kritische Masse überschreiten, bei Uran-235 eine 52 Kilogramm schwere Kugel mit einem Durchmesser von 17 Zentimetern. Die kritische Masse hängt von mehreren Faktoren ab. Presst man es zu einer höheren Dichte zusammen, kommt man mit weniger Material aus. Liegen hingegen die 52 kg Uran-235 nicht als Kugel, sondern in einer weniger kompakten geometrischen Form vor, sind sie nicht mehr kritisch.

Moderne Kernreaktoren nutzen diese Eigenschaft für Sicherheitssysteme: Der Kernfänger ist eine Schale unterhalb des Reaktors, die im Fall einer Kernschmelze den Brennstoff auffängt. Sie ist so gestaltet, dass sich das flüssige Brennmaterial über eine möglichst große Fläche verteilt und nicht mehr kritisch werden kann.

In einer Atombombe hingegen geschieht das genaue Gegenteil. Entweder werden zwei unterkritische Uranmassen aufeinandergeschossen und dadurch zu einer dichten überkritischen Masse vereint. Oder bei der Zündung explodieren konventionelle Sprengstoffe, die um das kugelförmig angeordnete Uran angebracht sind, und die Kraft der Explosion drückt das Material noch dichter zusammen.

Die Folge ist eine überkritische Kettenreaktion, in der zum Zweck einer möglichst starken Explosion möglichst viel Kernmaterial innerhalb eines Sekundenbruchteils gespalten werden soll. Die auf einen Schlag freigesetzte enorme Energiemenge besteht aus der Druckwelle, einem Strahlungsblitz und vor allem einer extremen Hitze-Entwicklung, die Temperaturen von mehr als zehn Millionen Grad Celsius erzeugt.

Eine Explosion so zu gestalten, dass sie kugelförmig gepacktes Uran gleichmäßig verdichtet, ist alles andere als trivial. Die Verdichtung soll schließlich lange genug anhalten und genügend viel Spaltmaterial für die Explosion nutzen, bevor die Kernwaffe sich selbst zerstört. Ließe sich ein Kernreaktor einfach als Atombombe verwenden, hätten die USA Hiroshima und Nagasaki schon Jahre früher in Schutt und Asche legen können. Forschungsreaktoren gab es in Chicago schon seit 1942.

Kernschmelze möglich, Atomexplosion unmöglich

Aber ein Kernreaktor ist eben keine Atombombe. Was nicht heißt, dass er nicht trotzdem großen Schaden anrichten kann. Das Problem ist dabei weniger eine außer Kontrolle geratene Kettenreaktion. Davor schützen bei modernen Reaktoren diverse Notfallmechanismen. In Leichtwasser-Reaktoren etwa führt eine extreme Überhitzung des Reaktors zum Verdampfen des Wassers, das gleichzeitig als Kühlmittel und als Moderator dient. Ohne Moderator erlischt die Kettenreaktion von allein. In Deutschland funktionieren alle Kernkraftwerke nach diesem Prinzip.

Auch in den Siedewasser-Reaktoren in Fukushima-Daiichi funktionierten zunächst die Notfallsysteme, die die Kettenreaktion unterbrachen und die Reaktoren noch während des Erdbebens abschalteten. Der Ausfall der Kühlung durch die Schäden, die die Flutwelle in der Elektrik des Kraftwerks verursachte, führte jedoch dazu, dass die Nachzerfallswärme, die beim Zerfall der radioaktiven Spaltprodukte entsteht, nicht mehr abgeführt werden konnte. Der Brennstoff erhitzte sich bis zur Kernschmelze. Das Zirkonium in der Ummantelung der Brennstäbe reagierte bei Temperaturen von mehr als tausend Grad Celsius mit dem verdampften Wasser. Dabei entstand Wasserstoff, was schließlich zu mehreren Knallgasexplosionen führte, die die Reaktorgebäude beschädigten.

Die Folgen waren zweifellos katastrophal. Kernschmelzen sind ein extrem kleines, aber reales Risiko bei vielen Reaktortypen. Und sie können Wasserdampf- oder Knallgasexplosionen auslösen. Tschernobyl und Fukushima sind Beispiele dafür – auch wenn solche Unfälle keinesfalls in allen Kernkraftwerken möglich sind. Was sie nicht können, ist den Kern zu einer Atombombe werden zu lassen. Ein über einem Kernkraftwerk aufgehender Atompilz ist kein Zeichen für einen Unfall, sondern für einen Nuklearschlag. Und ob der ein Kraftwerk trifft oder eine Großbäckerei, ist für die Anwohner am Ende unerheblich.

 

Bio bedeutet ungespritzt. Kernreaktoren können explodieren. Kuba hat ein vorbildliches Gesundheitssystem. In unregelmäßigen Abständen begibt sich Johannes Kaufmann hier auf Mythenjagd. Themenvorschläge werden gern entgegengenommen.




Johannes Kaufmann hat schon vieles gemacht. Zum Beispiel Chemie studiert, eine Karriere als Profifußballer angestrebt und eine Doktorarbeit über israelische Militärgeschichte geschrieben. Außerdem hat er vieles nicht zu Ende gemacht. Zum Beispiel sein Chemiestudium, die Karriere als Profifußballer oder seine Doktorarbeit. Mit Umwegen über Uni, Israel, die Physikalisch-Technische Bundesanstalt etc. ist er mittlerweile als Wissenschaftsredakteur bei der Braunschweiger Zeitung gelandet, wo er besonders gern über Agrarforschung, Lebensmittelsicherheit, Infektionsforschung, Gentechnik und Kometenlanderoboter schreibt.


Mit freundlicher Unterstützung von johannesdultz.com