Fukushima Daiichi und das Wasser
Wohin also mit dem Wasser? Dieser Frage gingen Betreiber, Aufsichtsbehörde und Regierung im Rahmen eines Optionenvergleichs nach, bei dem unterschiedliche technologische Möglichkeiten unter strahlenschutzrelevanten Aspekten untersucht und bewertet wurden. Die Entscheidung fiel auf die Einleitung des gelagerten Wassers ins Meer (siehe hierzu auch Abschnitt „Warum fiel die Wahl auf die Ableitung ins Meer?“).
Das Vorhaben wird seit Jahren von Protesten unter anderem von Seiten der regional ansässigen Fischerei, einiger Anrainerländer wie China und Südkorea und von Naturschutz- und Tourismusorganisationen begleitet, die durch das Ableiten des tritiumhaltigen Wassers negative Auswirkungen auf Menschen, Umwelt und Wirtschaft befürchten. Gleichzeitig stellt die Einleitung des Wassers auch einen wesentlichen Schritt im Zuge der Rückbauarbeiten des bei dem Tsunami 2011 havarierten Standortes dar.
Welches Wasser wird ins Meer geleitet?
Seit dem Unfall wird kontinuierlich Wasser in die verunglückten Reaktorblöcke 1 bis 3 eingespeist (mehr zu den Gründen hier). In den Reaktorgebäuden nimmt das eingespeiste Wasser Radionuklide wie Cäsium-137 und Strontium-90 auf und vermischt sich mit zutretendem Grundwasser und Niederschlägen. Die Gesamtmenge an Wasser, welches aus den Untergeschossen der Blöcke abgepumpt und anschließend auf dem Anlagengelände aufbereitet und gelagert werden muss (zuletzt etwa 130 Kubikmeter (m³)/Tag), nimmt dadurch seit Jahren zu. Bis Mitte Mai 2023 hatten sich auf diese Weise ca. 1,33 Millionen (Mio.) m³ Wasser angesammelt, verteilt auf mehr als 1.000 Tanks. TEPCO gibt die Gesamtlagerkapazität mit 1,37 Mio. m³ an.
Das kontaminierte Wasser aus den Reaktorgebäuden durchläuft unterschiedliche Reinigungsprozesse – teilweise auch mehrfach. Bislang liegen die Nuklidkonzentrationen nur bei einem Anteil von etwa 30 Prozent des gelagerten Wassers innerhalb der gesetzlichen Grenzwerte; für die übrigen 70 Prozent sind weitere Reinigungsschritte nötig (siehe Abbildung 2). Neben einer Anlage zur Filterung der Radionuklide Strontium und Cäsium wird auf dem Anlagengelände auch das sogenannte Advanced Liquid Processing System (ALPS) betrieben. Mit dem ALPS-System lassen sich dem Wasser rund 60 weitere Radionuklide bis auf einen Wert unterhalb des Grenzwertes entziehen (Auflistung der Dosisgrenzwerte, die hierbei zugrunde liegen, siehe hier, S. 45, table 5-1-1).
Zwei Nuklide bilden in diesem Filterprozess eine Ausnahme: Tritium und Kohlenstoff-14. Tritium als ein Isotop des Wasserstoffs deshalb, weil es in Wassermolekülen gebunden wird und daher nicht in industriellem Maßstab herausgefiltert werden kann. Gängige Laborverfahren, wie die Elektrolyse oder die Destillation, sind in diesem Maßstab nicht realisierbar und wären zudem sehr energieintensiv. Die japanische Regierung startete daher bereits vor einigen Jahren einen Aufruf zur Entwicklung einer neuen Separationstechnologie – bislang jedoch ohne Rückmeldung.
Auch der Betastrahler Kohlenstoff-14 kann aus dem gelagerten Wasser nicht herausgefiltert werden. Er macht den größten Anteil in der Summe aller Betastrahler aus. Insgesamt überschreitet aber weder die Konzentration des radioaktiven Kohlenstoffs noch die Gesamtkonzentration an Nukliden in dem zur Ableitung vorgesehenen Wasser nach Angaben von TEPCO die zulässigen Grenzwerte.
Ist Tritium gefährlich?
Tritium ist ein radioaktives Isotop des Wasserstoffs und wird auch als überschwerer Wasserstoff bezeichnet. Der Betastrahler hat eine Halbwertszeit von rund 12 Jahren. Da von ihm lediglich niederenergetische Strahlung ausgeht, wird es in der Luft bereits nach 5 Millimetern absorbiert und kann die menschliche Haut nicht durchdringen. Selbst wenn Tritium über die Atmung oder Nahrungsmittel in den Körper aufgenommen wird, so wird es dort anders als viele andere radioaktive Stoffe nicht gespeichert, sondern mit einer biologischen Halbwertzeit von 7 bis 14 Tagen relativ schnell wieder vom Körper ausgeschieden. Seine Radiotoxizität, also vereinfacht gesagt das Maß für die gesundheitsschädlichen Auswirkungen von ionisierender Strahlung, ist daher als deutlich geringer einzuschätzen als beispielsweise die von Cäsium-137, Iod-131 oder Strontium-90.
Die Gesamtaktivität des Tritiums in dem in Fukushima Daiichi gelagerten Wasser schätzt TEPCO auf 780 Terabecquerel (TBq) (Stand: April 2021). Pro Jahr darf die Betreiberin laut Vorgaben der Aufsichtsbehörde Tritium mit einer Aktivität von maximal 22 TBq pro Jahr ins Meer einleiten. Das entspricht der Menge, die vor dem Unfall jährlich eingeleitet werden durfte (siehe hierzu auch Abschnitt „Warum fiel die Wahl auf die Ableitung ins Meer?“). Die Ableitung des Wassers wird sich also auf mehr als 35 Jahre verteilen.
Mittels der Durchmischung des gelagerten Wassers mit Meerwasser bereits vor der Ableitung ins Meer soll die Tritiumkonzentration auf weniger als 1.500 Becquerel pro Liter (Bq/l) und damit auf einen Wert unterhalb der regulatorischen Anforderungen (s. Link weiter oben) sinken. Zum Vergleich: Der Grenzwert, den die Weltgesundheitsorganisation WHO für Trinkwasser vorgibt, liegt bei 10.000 Bq/l.
Simulationen der Ableitung haben gezeigt, dass die Tritiumkonzentration des Meerwassers in bis zu drei Kilometern vor der Küste im ungünstigen Fall bei 1–2 Bq/l liegen kann. Der Normalwert liegt bei 0.1–1 Bq/l. Aus diesem Grund ist hier ein verstärktes Monitoring vorgesehen. Aktuell führt TEPCO zudem Studien mit unterschiedlichen Fischarten durch, um die Auswirkungen des Tritiums im Meerwasser genauer zu untersuchen.
Wie wird das Wasser kontrolliert und welche Grenzwerte gelten?
Bevor das behandelte, tritiumhaltige Wasser mit Meerwasser durchmischt wird, wird es nochmals auf seinen Gehalt an 30 Radionukliden (29 + Tritium) hin überprüft. Zusätzlich ermittelt die Betreiberin die Konzentrationen 39 weiterer Nuklide, die durch das ALPS gefiltert werden, in dem behandelten Wasser aber keine signifikanten Konzentrationen mehr aufweisen.
Zwar werden nach den Prognosen TEPCOs die behördlichen Grenzwerte für jedes einzelne Radionuklid unterschritten, wenn das Wasser ins Meer geleitet wird, allerdings soll eine gewisse Gesamtkonzentration aller vorhandenen Radionuklide im Wasser trotzdem nicht überschritten werden. Das Kriterium, um diese Anforderung zu erfüllen, gestaltet sich wie folgt: Die gemessene Konzentration jedes einzelnen Radionuklids wird zu seinem spezifischen, gesetzlich festgelegten Grenzwert ins Verhältnis gesetzt. Die Summe dieser Verhältnisse über alle von der Behörde vorgegebenen Radionuklide soll kleiner als 1 sein – mit Ausnahme von Tritium (siehe Abbildung 3).
Erst wenn das Wasser dieses Kriterium erfüllt, wird es zur Verdünnung mit Meerwasser freigegeben.
Begleitet wird dieser Prozess neben der japanischen Aufsichtsbehörde NRA von einer eigens eingerichteten Task Force der Internationalen Atomenergie-Organisation IAEO. Sie besteht aus Fachleuten aus elf Ländern, darunter auch aus Südkorea und China. Sie sollen unter anderem überprüfen, ob die Ableitung den internationalen Standards entsprechend abläuft.
Darüber hinaus findet sowohl von behördlicher Seite als auch von Seiten TEPCOs seit mehreren Jahren eine feinmaschige Umweltüberwachung im Umkreis des Kernkraftwerks (KKW) statt. Sie reicht meerseitig vom Inneren des Hafenbeckens bis in etwa 30 Kilometer Entfernung vor der Küste. Landseitig sind die Überwachungsradien ähnlich gestaffelt. Dazu existieren auf dem Anlagengelände selbst zahlreiche Messpunkte. Auch Nichtregierungsorganisationen wie Safecast erfassen seit dem Unfall die Umweltradioaktivität im Umkreis der Anlage.
Wie läuft die Einleitung des Wassers ins Meer (technisch) ab?
Das ALPS-behandelte, tritiumhaltige Wasser wird mit einer Förderpumpe in eine Leitung eingespeist, in die auch das Meerwasser zugeführt wird. Das Wassergemisch gelangt über diese Leitung in ein Sammelbecken, in dem überprüft wird, ob sich das Meerwasser ausreichend mit dem behandelten Wasser durchmischt hat. Dann erst erfolgt die Abgabe in das Ableitungsrohr, das ins offene Meer führt. Etwa einen Kilometer von der Küste entfernt befindet sich in elf bis zwölf Metern Tiefe der Auslass ins Meer. Pro Tag plant TEPCO etwa 150 m³ des ALPS-behandelten Wassers abzugeben.
Innerhalb des Systems gibt es zwei Notabsperrventile, zum Beispiel für den Fall, dass Pumpen ausfallen. Außerdem wurden rund um die Transferleitungen Wälle gebaut, die im Falle eines Lecks in einer der Leitungen das austretende Wasser daran hindern sollen, auf das Anlagengelände zu fließen. Während eines rund zweiwöchigen Probebetriebs im Juni testete TEPCO unter anderem, ob die Pumpen des Einleitungssystems ordnungsgemäß funktionieren und ob der Wasserfluss im Falle einer Störung unterbrochen werden kann.
Warum fiel die Wahl auf die Ableitung ins Meer?
Die Frage, was mit dem behandelten, tritiumhaltigen Wasser des KKW Fukushima Daiichi passieren soll, war Anlass für einen sogenannten Optionenvergleich, bei dem, neben der Ableitung des Wassers ins Meer, unter anderem auch die Verdampfung des Wassers, die Tiefenlagerung und die weitere Lagerung in der bisherigen Form in Erwägung gezogen wurden. Alle Optionen wurden hinsichtlich ihrer radiologischen Konsequenzen, ihrer technischen Umsetzbarkeit und ihrer Wirtschaftlichkeit gegenübergestellt und bewertet.
Nach Abwägung aller Kriterien hat sich die japanische Regierung im April 2021 für die Ableitung des verdünnten Wassers ins Meer entschieden. Für diese Option sprach im Wesentlichen, dass Berechnungen zufolge daraus ein geringerer Dosisbeitrag für die Bevölkerung resultieren wird, als es bei anderen Varianten der Fall wäre. Darüber hinaus kann die Verbreitung der Radionuklide im Meer vergleichsweise gut prognostiziert und kontrolliert werden. Außerdem existieren mit diesem Verfahren weltweit bereits jahrzehntelange Erfahrungen. Es ist international übliche Praxis, dass kerntechnische Anlagen innerhalb der Genehmigungsrahmen radioaktive Stoffe in die Luft oder in ein Gewässer ableiten dürfen (siehe Abschnitt zu „Ableitungen“).
Gegen die Option einer Verdunstung des Wassers sprachen beispielsweise der dafür notwendige energetische Aufwand und der Umstand, dass sich eine witterungsabhängige Ausbreitung von atmosphärisch freigesetztem Tritium deutlich schwerer prognostizieren lässt als seine Ausbreitung im Meer. Und auch die – scheinbar naheliegende – weitere Lagerung des Wassers auf dem Gelände kam aus Sicht von TEPCO und der japanischen Regierung nicht in Frage. Neben dem ohnehin knapp bemessenen Platz bewertet der Betreiber hier andere Risiken als weitaus höher: Durch Naturkatastrophen wie beispielsweise Erdbeben und daraus resultierende Beschädigung von Tanks könnte es zu einer unkontrollierten Ableitung des Wassers in die Umwelt kommen. Zudem will man die Strahlenbelastung des Personals auf dem Gelände verringern beziehungsweise durch ausgedehnte Lagerzeit und -kapazitäten nicht zusätzlich verlängern.
Mit welchen radiologischen Auswirkungen ist durch die Einleitung zu rechnen?
Mit dem Einleiten des behandelten Wassers ins Meer wird ein zusätzlicher Dosisbeitrag für die Bevölkerung vor Ort von etwa 0.001 bis 0.0001 Millisievert pro Jahr erwartet. Dieser Wert entspricht etwa 1/1.000 der in Japan herrschenden natürlichen Hintergrundstrahlung.
Für ein Szenario, in dem das gesamte tritiumhaltige Wasser über einen Zeitraum von 10 Jahren eingeleitet würde, hat das Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) berechnet, dass die jährliche Abgabemenge von ca. 90 TBq Tritium in etwa der Menge entspräche, die im Jahr 2016 von allen damals betriebenen KKW in Deutschland abgegeben wurde. Aus Sicht des BfS wäre auch dies im Hinblick auf den Strahlenschutz unbedenklich.
Hintergrund: Ableitungen aus Kernkraftwerken
Als Ableitung wird in kerntechnischen Anlagen ein Prozess bezeichnet, bei dem Radionuklide mit der Abluft über den Kamin und mit dem Abwasser kontrolliert (Art und Menge) an die Umwelt abgegeben werden. Die Betreiber kerntechnischer Anlagen in Deutschland und weltweit sind verpflichtet, die Ableitungen zu erfassen und zu überwachen. Ableitungen über das Abwasser müssen daher zunächst in Behältern gesammelt und ihre Aktivität ermittelt werden. Die Ableitungen deutscher Anlagen werden in den jährlichen Berichten „Umweltradioaktivität und Strahlenbelastung“ veröffentlicht. Für die KKW Gundremmingen B und C waren beispielsweise im Jahr 2002 etwa 6 Terabecquerel (TBq) an Tritium-Ableitungen genehmigt.
Die tatsächlich in anderen Ländern bzw. kerntechnischen Anlagen jährlich abgeleiteten Mengen an Tritium liegen teilweise noch deutlich über den 22 TBq, die künftig in Fukushima pro Jahr in den Pazifik gelangen. So hat nach Recherchen des japanischen Instituts METI beispielsweise das chinesische KKW Fuging in 2020 ca. 52 TBq abgeleitet, die beiden Reaktorblöcke des US-KKW Diablo Canyon kamen in 2019 auf ca. 82 TBq, Block 1 des spanischen KKW Asco in 2018 auf 27 TBq. Mit jährlichen Ableitungen von 423 TBq (in 2019) und 11.400 TBq (in 2018) liegen die Wiederaufarbeitungsanlagen im britischen Sellafield und dem französischen La Hague noch erheblich über diesen Werten.
Japans Kernenergiepläne: Laufzeitverlängerungen und Neubauten
Ende Mai 2023 hat das japanische Parlament ein Gesetz verabschiedet, nach dem die Betriebsdauer von KKW nicht wie bisher auf 60 Jahre beschränkt sein soll. Zukünftig sollen demnach Verlängerungen über diesen Zeitraum hinaus möglich sein, die bei der Aufsichtsbehörde entsprechend beantragt werden müssen. Seit dem Reaktorunfall 2011 wurden in Japan 10 Reaktoren nach Überprüfungen und Nachrüstungen, unter anderem zur Erdbeben- und Tsunamisicherheit, wieder in Betrieb genommen. 23 Anlagen sind derzeit noch abgeschaltet, für 15 davon haben die Betreiber das Wiederanfahren beantragt. 22 Reaktoren wurden nach 2011 endgültig stillgelegt (siehe auch Übersicht beim Japan Atomic Industrial Forum JAIF). Das Land will bis 2050 CO2-frei Energie erzeugen – größtenteils aus erneuerbaren Energien und Kernenergie. Um dieses Ziel zu erreichen, sollen auch neue KKW gebaut werden. Weitere Infos zum Kernenergieprogramm finden sich hier.