Rechenprogramm zur Prognose von Freisetzungen bei schweren Unfällen in Kernkraftwerken

11.06.2019

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Kommt es in einem Kernkraftwerk (KKW) zu einem schweren Unfall, bei dem in größerem Umfang radioaktive Stoffe in die Umwelt gelangen können (sog. Freisetzung), müssen Katastrophenschutzbehörden rechtzeitig Maßnahmen ergreifen, um die Bevölkerung zu schützen. Dies kann von Empfehlungen zum Aufenthalt in Gebäuden, über die Einnahme von Jodtabletten bis hin zur Evakuierung der durch die Freisetzung betroffenen Gebiete oder die langfristige Umsiedlung der dort lebenden Personen reichen.

Welche Maßnahmen genau getroffen werden, richtet sich danach, wann welches Gebiet voraussichtlich mit welcher Menge an radioaktiven Stoffen belastet wird. Dies ist zum einen abhängig von den Wetterbedingungen, die zum Zeitpunkt der Freisetzung herrschen und zum anderen von dem sogenannten Quellterm.

Der Quellterm liefert Daten zur erwarteten Menge und Art der freigesetzten radioaktiven Stoffe bei einem KKW-Unfall. Mit diesen Daten können Ausbreitungsprogramme wie beispielsweise ARTM eine Prognose über die Verteilung der radioaktiven Stoffe unter bestimmten Wetterbedingungen abgeben. Während die Wetterdaten über meteorologische Stationen kontinuierlich erfasst werden und schnell zu ermitteln sind, ist der Quellterm und dessen Prognose das Ergebnis eines komplizierten Berechnungsverfahrens. Die Ermittlung des Quellterms und dessen Anpassung im Verlauf des Unfalls ist Aufgabe des Betreibers und in den Rahmenempfehlungen für den Katastrophenschutz festgelegt.

Grundlage: Anlagendaten und PSA-Ergebnisse

Mit dem von der GRS entwickelten Rechenprogramm FaSTPro (Fast Source Term Prognosis) zur Quelltermprognose lassen sich bei einem KKW-Unfall mögliche Quellterme praktisch auf Knopfdruck prognostizieren. Die Quellterme können über vorgefertigte Formulare bzw. Datenerfassung sehr schnell an Behörden oder Institutionen wie das Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) übermittelt werden. Es besteht beispielsweise die Möglichkeit, die Daten direkt in das Entscheidungshilfesystem RODOS des BfS zu übertragen, mit dem das Bundesamt seinerseits Prognosen zur radiologischen Lage erstellt.

Benutzeroberfläche (zum Vergrößern bitte anklicken). Im oberen Bildschirmausschnitt sind die Fragen und das zugehörige Scroll-Down-Menü zu sehen. Links darunter die Freisetzungskategorien, die sich nach Abgleich der Anlagendaten mit den PSA-Daten ergeben, verbunden mit der Eintrittswahrscheinlichkeit in Prozent. In der Mitte werden mögliche Quellterme zur Auswahl angeboten (darunter u. a. auch ein sehr konservativer Quellterm für den ungünstigsten Unfallverlauf). Der ausgewählte Quellterm wird rechts unten grafisch dargestellt (Bild: GRS)

Das Rechenprogramm FaSTPro greift zur Ermittlung von Quelltermen auf die Inhalte der Probabilistischen Sicherheitsanalyse (PSA) der jeweiligen Anlage zurück. In deutschen Anlagen wird alle 10 Jahre im Rahmen der Periodischen Sicherheitsüberprüfungen eine PSA durchgeführt. In einer PSA ist vereinfacht gesagt für jeden möglichen Unfallablauf, mit dem eine Beschädigung des Reaktorkerns einhergeht, ein Quellterm definiert. Die PSA gibt die Wahrscheinlichkeit an, mit der der jeweilige Unfallablauf eintritt. Zusätzlich zu den Informationen aus der PSA zieht das Rechenprogramm Anlagendaten, wie Druck oder Temperatur für seine Quelltermberechnungen heran.

In der Praxis sieht die Ermittlung von Quelltermen dann so aus: Der Nutzer des Programms wird aufgefordert, verschiedene Angaben zum Anlagenzustand zu machen bzw. Fragen dazu zu beantworten. Diese Abfragen können lauten: „Zeitpunkt der Reaktorschnellabschaltung“ oder „Wie hoch ist der aktuell gemessene Kühlmitteldruck?“ Der Nutzer hat über ein Scroll-Down-Menü die Möglichkeit, die für seine Anlage zutreffende Antwort per Multiple-Choice-Verfahren anzuklicken (siehe Abbildung 1). Bei der Datenabfrage können auch Fragen unbeantwortet bleiben bzw. mit “unbekannt“ gekennzeichnet werden, wenn zum Beispiel Messanzeigen ausgefallen sind oder wenn es widersprüchliche Angaben zu den Werten gibt. Diese fehlenden Antworten werden für die weitere Berechnung durch die jeweiligen PSA-Daten ersetzt.

Zeitlicher Verlauf einer Freisetzung eines prognostizierten Quellterms. Das Rechteck in der Bildmitte zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus der Freisetzungsrate mit den darin enthaltenden Radionukliden (Bild: GRS)

In einem weiteren Schritt werden die Anlagendaten mit den PSA-Daten abgeglichen. Zeigen die Anlagendaten beispielsweise, dass der Druck im Reaktor innerhalb von 200 Sekunden unter 9 bar sinkt und Radioaktivität gemessen wird, wird das System beim Abgleich mit der PSA auf einen möglichen Kühlmittelverluststörfall hinweisen und dessen Eintrittswahrscheinlichkeit angeben. Auf diese Weise kann anhand der vorhandenen Anlagendaten die Anzahl möglicher Unfallabläufe eingegrenzt werden und damit auch die in Frage kommenden Quellterme. Die Bearbeitungszeit, bis dem Anwender eine Auswahl möglicher Quellterme zur Verfügung steht, nimmt wenige Sekunden in Anspruch. Zudem kann die relativ einfache Anwendung in der Stresssituation eines Störfalls dazu beitragen, Fehlentscheidungen vorzubeugen.

Die Zusammenführung der aktuell ermittelten Anlagendaten mit den PSA-Daten erfolgt auf Basis eines sogenannten Bayes´schen Netzwerks. Die besondere Eigenschaft eines solchen Netzwerks ist, dass es nicht nur von einer Ursache auf eine Wirkung schließen kann, sondern auch in die umgekehrte Richtung. In unserem Fall kann das Netzwerk also nicht nur von der Ursache „Kühlmittelverlust mit gleichzeitigem Ausfall von Sicherheitssystemen“ auf die Wirkung „Kernschaden“ schließen, sondern kann auch umgekehrt von den Parametern, die in der Anlage beobachtet werden auf mögliche Ursachen für die Störung schließen und sie mit einer Eintrittswahrscheinlichkeit versehen. Vereinfacht ist das Konzept in Abbildung 3 dargestellt.

Weiterentwicklung

Mit dem Bayes´schen Ansatz lässt sich auch "rückwärts" vom Niesen des Patienten (Wirkung) auf die möglichen Ursachen schließen und diese mit Wahrscheinlichkeiten versehen (Abbildung: GRS)Eine erste Version des Rechenprogramms FaSTPro hat die GRS bereits 2008 im Rahmen eines Vorhabens des Bundesumweltministeriums (BMU) und des Bundesamts für Strahlenschutz (BfS) entwickelt. Seitdem wurde das GRS-Programm stetig weiterentwickelt und beispielsweise von der ursprünglichen Variante für Druckwasserreaktoren auch für den Einsatz in Siedewasserreaktoren angepasst. Derzeit nutzen fünf der sieben noch in Betrieb befindlichen deutschen Anlagen das GRS-Programm. In ihrer „Empfehlung zur Prognose und Abschätzung von Quellterme in bei Kernkraftwerksunfällen“ empfiehlt die Strahlenschutzkommission den Betreibern generell den Einsatz rechnergestützter probabilistischer Methoden zur Quelltermprognose. Die GRS selbst setzt FaSTPro unter anderem in ihrem Notfallzentrum ein, das auch das radiologische Lagezentrum des Bundes unterstützt.  

Darüber hinaus ist die GRS aktuell an einem Vorhaben des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) beteiligt, in dem FaSTPro für Freisetzungen während des Nichtleistungsbetriebs in Kernkraftwerken, beispielsweise während einer Revision oder in der Nachbetriebsphase, erweitert wird.

Weitere Informationen

Empfehlung der Strahlenschutzkommission zur Prognose und Abschätzung von Quelltermen bei Kernkraftwerksunfällen

Rahmenempfehlungen für den Katastrophenschutz in der Umgebung kerntechnischer Anlagen