Tritium, Roboter und Schutzhüllen – Fukushima Daiichi zwölf Jahre nach dem Unfall
Über ein Jahrzehnt dauern die Untersuchungen und Arbeiten am Standort Fukushima Daiichi inzwischen an, mit denen Freisetzungen radioaktiver Stoffe in die Umwelt minimiert und der Rückbau des Kernkraftwerks (KKW) vorbereitet werden sollen. Nachdem über viele Jahre vor allem die Absicherung und Erkundung der havarierten Reaktoren sowie die Entladung der Abklingbecken für abgebrannte Brennelemente im Vordergrund standen, kommt nun der Umgang mit den enormen Mengen an radioaktiv kontaminiertem Wasser dazu, das auf dem Anlagengelände gelagert wird. Geplant ist, dieses Wasser nach einer entsprechenden Behandlung und anschließender Verdünnung über viele Jahre hinweg in den Pazifik einzuleiten.
Umgang mit den kontaminierten Wässern auf dem Anlagengelände
Seit dem Unfall wird kontinuierlich Wasser durch die drei verunglückten Reaktorblöcke 1 bis 3 gepumpt, derzeit rund 275 Kubikmeter (m³) pro Tag. In den ersten Monaten und Jahren diente dies vor allem dazu, ein erneutes Aufheizen des Kernbrennstoffs und, dadurch bedingt, weitere Kernschäden zu verhindern. Daneben soll das Wasser auch dafür sorgen, dass die von dem hochradioaktiven Kernmaterial ausgehende starke Gammastrahlung abgeschirmt wird. In den Reaktorgebäuden nimmt das eingespeiste Wasser radioaktive Stoffe wie Cäsium-137 und Strontium-90 auf und vermischt sich mit zutretendem Grundwasser und Niederschlägen (zuletzt etwa 100 m³/Tag). Die Gesamtmenge an Wasser, welches aus den Untergeschossen der betroffenen Blöcke abgepumpt und anschließend auf dem Anlagengelände aufbereitet und gelagert werden muss, nimmt dadurch seit Jahren zu.
Mitte Februar 2023 waren mehr als 1.000 Tanks mit ca. 1,326 Millionen (Mio.) m³ Wasser gefüllt. In seinen Hochrechnungen war TEPCO ursprünglich davon ausgegangen, dass die Lagerkapazitäten der Tanks (insgesamt 1,327 Mio. m³) bereits im Sommer 2022 erschöpft sein würden. Unter anderem die vergleichsweise geringen Niederschlagsmengen im Jahr 2022 haben jedoch dazu beigetragen, dass die Lagerkapazitäten bis heute noch nicht erschöpft sind.
Die aus den Reaktorgebäuden entnommenen Wässer durchlaufen diverse Filteranlagen (u. a. Entsalzung, Strontium). Im Advanced Liquid Processing System (ALPS), werden dem Wasser 62 Radionuklide entzogen – mit Ausnahme der weichen Betastrahler Tritium und Kohlenstoff-14 (C-14). Tritium lässt sich bislang in industriellem Maßstab nicht entfernen. Grund dafür ist, dass Tritium als radioaktives Wasserstoff-Isotop (auch als „überschwerer Wasserstoff“ bezeichnet) sich chemisch ähnlich dem nicht-radioaktiven Wasserstoff verhält und in Wassermoleküle gebunden wird, aus denen es nur mit aufwändigsten Methoden im Labormaßstab wieder extrahiert werden kann. C-14 kann laut TEPCO dem Wasser ebenfalls nicht entzogen werden. Da dieses Nuklid jedoch nicht dazu führt, dass die für eine spätere Einleitung ins Meer zulässige Gesamtkonzentration an Betastrahlern überschritten wird und C-14 auch seine nuklidspezifischen Grenzwerte unterschreitet, wird ihm keine wesentliche radiologische Bedeutung beigemessen.
Um die Anforderungen für die geplante Einleitung ins Meer zu erfüllen, müssen die Wässer die ALPS-Reinigungsanlage teilweise ein zweites Mal durchlaufen. Damit wird sichergestellt, dass sowohl das Verhältnis der gemessenen Konzentration eines einzelnen Nuklids zu seinem Grenzwert kleiner oder gleich 1 ist (damit liegt die Konzentration unterhalb seines Grenzwerts), als auch, dass die Summe dieser Verhältnisse aller Nuklide zusammen kleiner oder gleich als 1 ist. Nach Angaben von TEPCO vom 16. Februar 2023 trifft das für mittlerweile etwa ein Drittel des insgesamt gelagerten Wassers zu (entspricht ca. 410.000 m³).
Bis zum Jahr 2028 sollen die eindringenden Grund- und Regenwassermengen auf 50–70 m³/Tag verringert werden. Dazu sollen weitere Flächen auf dem Anlagengelände versiegelt und eine neue Schutzhülle um den Block 1 errichtet werden (s. u.), die den Zutritt von Niederschlagswasser in das Gebäude verhindert.
Bedeutung von Tritium für den Strahlenschutz
Das auch in der Natur vorkommende radioaktive Wasserstoffisotop Tritium wird fachsprachlich oft als sog. „weicher“ Betastrahler bezeichnet. Grund ist, dass bei seinem Zerfall mit 18,6 Kiloelektronenvolt (keV) mit der Strahlung deutlich weniger Energie freigesetzt wird, als dies beispielsweise bei Cäsium-134 (ca. 2 Megaelektronenvolt (MeV)) oder Strontium-90 (ca. 0,55 MeV) der Fall ist. Die von Tritium ausgehende Betastrahlung durchdringt deshalb auch nicht die menschliche Haut. Dadurch, dass es in Wassermolekülen gebunden wird, reichert es sich anders als viele andere radioaktive Stoffe auch nicht im Körper an, sondern wird mit einer biologischen Halbwertzeit von ca. 7 – 14 Tagen relativ schnell wieder ausgeschieden.
Einleitung der ALPS-Wässer ins Meer
Am 22. Juli 2022 erteilte die japanische Aufsichtsbehörde NRA die Genehmigung zum Antrag TEPCOs, die tritiumhaltigen ALPS-Wässer ins Meer einzuleiten. Mit den vorbereitenden Installationen für die Einleitung begann TEPCO im August 2022.
In den vorangegangenen Jahren waren verschiedene Optionen für eine Entsorgung der Wässer im Hinblick auf ihre Umsetzbarbarkeit und die zu erwartenden radiologischen Auswirkungen auf die Umwelt untersucht worden, darunter die Verdampfung mit Ableitung in die Atmosphäre und eine Verfestigung in Zement oder Beton mit anschließender Tiefenlagerung. Aus Sicht von TEPCO und der japanischen Regierung ausschlaggebend war schließlich unter anderem, dass sowohl die Vorhersage als auch die spätere Messung der Verteilung der Radionuklide im Meer aufgrund der relativ konstanten Meeresströmungen einfacher ist, als es das zum Beispiel bei einer Verdampfung wäre, bei der die Freisetzungen in die Luft unter variablen Wetterbedingungen erfolgt. TEPCO rechnet bei der Einleitung der ALPS-Wässer ins Meer über den geplanten Zeitraum von rund 30 Jahren mit einem zusätzlichen Dosisbeitrag von etwa 0,001 – 0,0001 Millisievert/Jahr pro Person, was rund einem Tausendstel der natürlichen Hintergrundstrahlung in Japan entspricht. Zur Ermittlung der effektiven Jahresdosis wurde von einer Person ausgegangen, die unter anderem Meeresfrüchte aus der Region Fukushima verspeist und sich eine bestimmte Anzahl an Stunden im Jahr an der Küste und auf dem Meer in der Nähe des Einleitungsbereiches aufhält.
In welchen Schritten wird das Wasser für die Einleitung aufbereitet?
- Entfernung von Strontium und Cäsium
- Durchlauf des Advanced Liquid Processing System (ALPS), wobei 62 Radionuklide herausgefiltert werden (bis auf Tritium und C-14)
- Erneute Aufbereitung des Wassers, dessen Verhältnisse an Radionuklidkonzentrationen zur gesetzlich vorgeschriebenen Konzentration nach der ersten Aufbereitung in Summe noch > 1 ist
- Ermittlung der einzelnen Nuklidkonzentrationen im ALPS-Wasser hinsichtlich Einhaltung der Grenzwerte
- Verdünnung des ALPS-Wassers mit Meerwasser (100-fach oder mehr). Die Konzentration von Tritium soll unter 1.500 Becquerel/Liter (Bq/l) liegen (vgl. Richtwert der Weltgesundheitsorganisation für Trinkwasser: 10.000 Bq/l)
- Die Gesamtaktivität der Radionuklide im abgeleiteten Wasser soll weniger als 22 Terabecquerel pro Jahr betragen. Dieser Wert galt vor dem Unfall für Ableitungen aus dem KKW entsprechend der Betriebsgenehmigungen.
Zwischenzeitlich wurden die Antragsunterlagen für die Einleitung der ALPS-Wässer ins Meer überarbeitet, zuletzt im Februar 2023 (siehe hier und hier). Dabei wurden bereits Empfehlungen der Internationalen Atomenergie-Organisation IAEO und Ergebnisse aus der Überprüfung durch die Aufsichtsbehörde berücksichtigt.
Im Zuge der Vorbereitungen zur Einleitung des ALPS-Wassers ins Meer führt TEPCO aktuell Tests durch. Neben Testtanks, in denen ein Teil des Wassers, welches bereits zweimal die ALPS-Filteranlage durchlaufen hat, temporär gelagert und auf seinen Nuklidanteil hin überprüft wird, untersucht TEPCO auch die Auswirkungen auf biologische Organismen (Fische, Krebstiere und Meeresalgen) genauer. Im Rahmen eines Aufzuchttests werden Fische in ALPS-behandeltem und anschließend verdünntem Wasser (Tritium-Konzentration etwa 1.500 Becquerel/Liter) aufgezogen. Eine Kontrollgruppe besteht aus Fischen, die in „normalem“ Wasser aufgezogen werden. Alle weiteren Aufzuchtparameter sind identisch. TEPCO hat sich im September 2022 dazu entschlossen, Fische in einem weiteren Testtank mit einer Tritium-Konzentration von ungefähr 30 Becquerel/Liter zu untersuchen. Dies entspricht in etwa der Tritium-Konzentration, die in der Umgebung des Tunnelauslasses erwartet wird (Live-Video und beispielsweise Testergebnis vom 13.01.2023). TEPCO wird die Tritium-Konzentration in den Fischen analysieren und das Wachstum der Organismen in den jeweiligen Umgebungen wird miteinander vergleichen, um zu zeigen, dass Tritium nicht in den Fischen konzentriert wird und die Tritium-Konzentration in den Lebewesen die der Aufzuchtumgebung nicht übersteigt.
Einen genauen Zeitpunkt für den Start der Einleitung der ALPS-Wässer ins Meer wurde von TEPCO bislang noch nicht bekannt gegeben. In Medienberichten (u. a. BBC) ist mit Bezug auf Regierungsquellen jedoch von Frühjahr/Sommer 2023 die Rede. Demnach soll noch ein zusammenfassender Bericht der IAEO abgewartet werden. Die IAEO war von Japan angefragt worden, das Verfahren zu überprüfen und zu begleiten und hatte in früheren Berichten das geplante Vorgehen als grundsätzlich geeignet bewertet.
Wie soll die Einleitung ins Meer erfolgen?
- Das ALPS-Wasser wird mit Meerwasser verdünnt, welches mit drei Pumpen aus dem Einlaufbauwerk von Block 5 entnommen werden soll. Die Verdünnung erfolgt so lange, bis das Gemisch eine Tritium-Konzentration von weniger als 1.500 Bq/l erreicht.
- Das so entstandene Wassergemisch wird in einen vertikalen Ableitungsschacht geleitet und gelangt durch den Höhenunterschied zwischen Wasserspeicher und Meeresoberfläche ins Meer.
- Der Auslass erfolgt am Meeresboden etwa ein Kilometer vor der Küste und in etwa elf bis zwölf Metern Tiefe. Simulationen von TEPCO haben gezeigt, dass die Tritium-Konzentration in bis zu drei Kilometern vor der Küste bei 1-2 Bq/l liegen kann. Üblich sind unter normalen Umständen in diesem Bereich allerdings 0.1-1 Bq/l. Aus diesem Grund wird hier ein umfangreiches Monitoring geplant.
Status der Anlagen und Stand der Rückbauarbeiten
Der Zustand der von Kernschmelzen betroffenen Blöcke 1 bis 3, wie auch die radiologische Lage vor Ort, haben sich seit dem letzten Jahr nicht signifikant verändert. Messwerte für die Reaktoren der Blöcke 1 bis 3, wie etwa die Mengen des täglich in die Reaktoren eingespeisten Wassers, Temperaturen, Drücke oder Edelgaskonzentrationen, werden von TEPCO täglich veröffentlicht (siehe hier). Die Höhe der effektiven Dosen der Arbeitenden auf dem Anlagengelände veröffentlicht das japanische Ministerium für Gesundheit, Arbeit und Soziales monatlich.
TEPCO ist weiterhin mit den Vorbereitungen zum Rückbau der Anlagen beschäftigt und hat die Erkundungen in den Blöcken 1 bis 3 fortgeführt.
Block 1. Im vergangenen Jahr wurden Anker und Bodenplatten für die neue große Einhausung installiert, deren Fertigstellung im Fiskaljahr 2023 vorgesehen ist. Innerhalb dieser Einhausung sollen dann Trümmerteile und Brennelemente (BE) geborgen werden. Letzteres plant TEPCO im Fiskaljahr 2027 zu starten. (Ein Fiskaljahr beginnt jeweils am 01.04. und endet am 31.03. des darauffolgenden Jahres.) Im Januar 2023 wurden laut Meldung von NHK mithilfe eines Roboters Proben aus dem Sicherheitsbehälter entnommen, die voraussichtlich Kernmaterial enthalten.
Block 2. Im Juni 2022 wurde mit den Fundamentarbeiten für die Gerüstkonstruktion des Brennelemente-Handhabungsgebäudes begonnen. Das Handhabungsgebäude ist an der südlichen Seite des Reaktorgebäudes vorgesehen (siehe Abbildung 4).
Von dort aus sollen in Zukunft die in Transportbehälter verpackten Brennelemente für den weiteren Transport auf ein Fahrzeug abgelassen werden können. Die Bergung der Brennelemente aus dem Lagerbecken ist für die Fiskaljahre 2024–2026 vorgesehen. In einem Robotik-Testcenter (Naraha) werden anhand von Nachbildungen der Räumlichkeiten im Reaktorgebäude mögliche Zugänge für die Bergungsarbeiten simuliert bzw. Roboter/Programme trainiert.
Block 3. Im Zeitraum vom 14. Juni bis 19. Juli 2022 wurde die Kühlung für den Block vollständig unterbrochen, um Leckstellen am Sicherheitsbehälter (Containment) zu lokalisieren und den Einfluss einer langfristigen Unterbrechung der Kühlung zu untersuchen. Während des Tests wurde kein signifikanter Anstieg der Temperatur am Boden des Reaktordruckbehälters, der Temperatur im Containment und anderer Werte sowie keine Schwankungen bei der Staubkonzentration festgestellt. Darüber hinaus soll die Machbarkeit einer Luftkühlung für den geschmolzenen Kernbrennstoff (Corium) weiter untersucht werden.
Block 4. Block 4 war zum Unfallzeitpunkt abgeschaltet und die Brennelemente befanden sich außerhalb des Reaktordruckbehälters (RDB) im Brennelementlagerbecken, sodass hier keine Einspeisung stattfindet. Bis Ende Dezember 2014 konnten alle Brennelemente aus Block 4 geborgen werden. Anschließend wurde eine Einhausung über Block 4 errichtet. Durch diese Einhausung (eine Stahlgerüstkonstruktion mit Ummantelung) ist es möglich einen Unterdruck aufzubauen, sodass radioaktive Stoffe nicht in die Umwelt austreten können und das Reaktorgebäude vor witterungsbedingten Einwirkungen geschützt wird.
Zentrales Brennelement-Lagerbecken. Um im zentralen Brennelement-Lagerbecken Platz für die Aufnahme der abgebrannten Brennelemente von Block 6 zu schaffen, sollen abgebrannte Brennelemente aus diesem zentralen Becken in 22 Trockenbehälter geladen und in den entsprechenden Trockenlagerbereich auf dem Gelände eingelagert werden. Ende August 2022 wurden erste Brennelemente aus dem Lagerbecken von Block 6 entladen und ins zentrale Becken transportiert. Im Fiskaljahr 2025 soll das Lagerbecken von Block 6 geräumt sein. Die Planungen von TEPCO sehen vor, dass die Brennelemente aus dem Lagerbecken von Block 5 bis zum Jahr 2031 entladen sein sollen.
Weitere Entwicklung des japanischen Kernenergieprogramms
Nach dem Reaktorunfall waren zeitweise alle 54 der zuvor in Japan betriebenen Kernkraftwerksblöcke für rund zwei Jahre abgeschaltet. Mittlerweile sind zehn Anlagen wieder im Leistungsbetrieb (Genkai-3 und -4, Ikata-3, Sendai-1 und -2, Takahama-3 und -4, Ohi-3 und -4 sowie Mihama-3), weitere sollen folgen.
Im Zuge ihrer „Green Transformation Policy“ hat die japanische Regierung Anfang 2023 beschlossen, sowohl den Neubau von KKW als auch längere Laufzeiten für KKW zuzulassen. Die japanische Atomaufsicht hat laut Brancheninformationen einen entsprechenden Gesetzentwurf gebilligt. Das neue System sieht vor, dass statt der bislang gesetzlich vorgeschriebenen maximalen Laufzeit von 60 Jahren nach den ersten 30 Betriebsjahren alle 10 Jahre eine Laufzeitverlängerung geprüft und bei Erfüllung aller Sicherheitsanforderungen gewährt werden kann. Eine Höchstgrenze für den Betrieb ist nicht vorgesehen.
Aktuell befinden sich mehrere konkrete Neubauprojekte in der Umsetzung. Dazu zählt das KKW Oma, ein Siedewasserreaktor der 3. Generation mit 1.325 Megawatt installierter Leistung, mit dessen Bau kurz vor dem Unfall in Fukushima Daiichi begonnen worden war. Seine Inbetriebnahme war bereits mehrfach verschoben worden und soll voraussichtlich Ende 2023 erfolgen. Außerdem befinden sich nach Angaben des Japan Atomic Industrial Forum (JAIF) auch die Kernkraftwerksblöcke Shimane-3 und Tokyo/Higashidori-1 in der Errichtungsphase und der Bau weiterer Kernkraftwerksblöcke (Hamaoka-6, Kaminoseki-1, Kaminoseki-2, Sendai-3, Tohoku/Higashidori-2, Tokyo/Higashidori-2, Tsuruga-3 und Tsuruga-4) ist geplant.
Weiterführende Informationen
GRS-Experten im Interview und Themenseiten anlässlich „10 Jahre Fukushima“
TEPCO Radiologisches Monitoring Anlagengelände
METI Informationsseiten zu Fukushima Daiichi
IAEO-Übersichtsseite zum Fukushima Engagement
BfS - Umweltfolgen des Unfalls von Fukushima: Die radiologische Situation in Japan