Wie sicher sind US-Atomreaktoren? Lehren aus Fukushima

Die Kernschmelze begann, als Wasser um die Reaktoren zu kühlen zu gefährlich niedrigen vier Stunden fiel nach der viertgrößte aufgezeichneten Erdbeben das Kernkraftwerk Fukushima Daiichi rasselte. Fünf der sechs Reaktoren verloren Elektrizität als ein 14 Meter hoher Tsunami in 40 Minuten später fegte. Backup-Dieselgeneratoren verlor ihre Treibstofftanks und starb. Kühlung Wasserpumpen ist fehlgeschlagen. Brennstäbe begann Schmelz- und flüchtige Wasserstoffgas aufgebaut. Nachfolgende Explosionen und Feuer spie 15.000 Terabecquerels von radioaktivem Cäsium 137 allein genug, so dass Beamten erstellt eine "Sperrzone" von 20 Kilometern rund um die Pflanze, die heute fortbesteht. (Ein Becquerel ist eine Maßeinheit für die Geschwindigkeit des radioaktiven Zerfalls – oder Strahlung, die durch eine Substanz.) Infolgedessen ist die Notfall in Fukushima Daiichi, die am 11. März 2011, begann der zweite Atomunfall verdienen die schwerste internationalen Krise Bewertung, Beitritt des Reaktors, der in der Sowjetunion Chernobyl Atomkraftwerk in der Ukraine April 1986 explodierte.

Aber die Katastrophe war nicht verwunderlich angesichts der Art der Reaktoren in Fukushima. In der Tat haben Kernkraftexperten, Computer-Modelle und andere Analysen konsequent seit Jahrzehnten gezeigt, dass ein Problem bei den älteren Siedewasserreaktoren in Fukushima Daiichi beschäftigt würde katastrophale wegen einer fehlerhaften Sicherheitssystem, das der Kernbrennstoff beherbergt, bekannt als der Mark I Containment. Es ist "das Schlimmste von allen Behältnissen, die wir haben" – und in eine komplette Verdunkelung, "Du wirst verlieren, Containment," US Nuclear Regulatory Commission (NRC) stellvertretender Regional Administrator Charles Casto am 16. März 2011, wer in Japan zu helfen, nach Abschriften der internen Sitzungen von der NRC veröffentlicht wurde zur Kenntnis genommen. "Es gibt keinen Zweifel daran."

Die USA haben 23 Reaktoren mit der gleichen Art von Sicherheits-Systemen – und die gleiche riskantere Platzierung des Pools für die abgebrannten Kernbrennstoffen, nämlich neben den Hauptreaktor im oberen Teil des Reaktorgebäudes. US-Reaktoren besser als Japan in eine Krise führen würde? Und welche Lehren Fukushima hält für Reaktorsicherheit weltweit?

Aus den Startlöchern
Die Marke ich Containment ist ein Donut-förmigen Struktur unter den Reaktor selbst, die teilweise mit Wasser gefüllt ist. Bei einem Ausfall von Pumpen, die den Reaktor mit frischem Wasser zu versorgen, ist das Torus-Design soll um zusätzliche Kühlung zu sorgen. Dampf, erstellt von der noch Spaltung Brennstoff in den Torus durchflutet und wird durch das zusätzliche Wasser gekühlt. Zusätzliche Kühlung den Druck entsteht durch Dampf Ablagerungen, so dass theoretisch den Reaktor Designer, weniger Kraft in anderen Teilen des Sicherheitssystems zu beschäftigen beschränken würde.

Leider währte keine zusätzliche Kühlung zur Verfügung gestellt von den Torus, solange der Verlust der Elektrizität in Fukushima nicht. Dadurch erhitzt die nuklearen Stäbe ihre Zirkonium-Verkleidung zusammen mit dem restlichen Wasser zu Dampf. Bei hoher Hitze interagiert die Verkleidung mit der umgebenden Wasserdampf, dicht an den Sauerstoff binden und die Befreiung der Wasserstoff, der als Gas entweicht. Wenn erlaubt, sammeln, kann der Wasserstoff mit unsichtbarer Flamme zu brennen, wie es in Three Mile Island (die verschiedenen Containment System hatte) oder, wie in Fukushima, der Fall zu sein scheint explodieren. Mehr als 1.000 Kilogramm Wasserstoff kann in der Anlage so, nach der Japans Nuclear and Industrial Safety Agency erzeugt worden sein. In der Tat produziert der Kernbrennstoff in Unit 3 genügend Wasserstoff um die Explosion in Block 4 nebenan über eine gemeinsame Auspuff Stack verursachen.

Um die Chancen für solche Ansammlung von Wasserstoff zu minimieren, hat die NRC vorgeschlagen, dass US-Reaktoren stärken Öffnungen um sicherzustellen, dass sie verwendet werden könnten, um eine gefährliche Anhäufung von Druck zu entlasten. Immerhin konnte die Akkretion von Wasserstoff auch Druck oberhalb der Auslegungsgrenzen der Sicherheitssysteme erhöhen. Fukushima Daiichi hatten eigentlich solche gehärteten Entlüftungsöffnungen, die entweder versagt oder nicht früh genug um die Explosionen zu verhindern verwendet wurden. Ein Problem kann gewesen sein, dass die Lüftungsschlitze Strom benötigen zu bedienen – und zu diesem Zeitpunkt hatte die betroffenen Atomkraftwerk keiner.

"Die NRC [Empfehlung] um die Lüftungsschlitze zu verbessern, indem man sie"zuverlässig"unter ungünstigen Bedingungen, wie z. B. ein Verlust von Strom, umsetzt", sagt NRC-Sprecher Scott Burnell. Und die Agentur kommt zu dem Schluss, dass solche freiwilligen Verbesserungen "angemessenen Schutz" der öffentlichen Gesundheit und Sicherheit bieten. Darüber hinaus sollen neue Regeln Lehren aus Fukushima nuklearen Krise anzugehen.

Unabhängig von der Fähigkeit die Lüftungsschlitze, entsprechend funktionieren, besteht ein deutlicher Unterschied zwischen den Betrieb von solchen Siedewasserreaktoren in den USA im Vergleich zu denen in Japan – in den USA, Reaktor-Betreiber haben die Befugnis, radioaktiven Dampf oder Wasserstoff-Gas zu entlüften, da Umstände erfordern. Die Mitarbeiter der Tokyo Electric Power Co. (TEPCO), die Fukushima Daiichi lief, scheint erforderlich oder zumindest gesucht Genehmigung der Regierung zu tun haben. "sie waren besorgt Entlüftung können einen Strom von radioaktiven Stoffen in die Luft, und sie waren noch nicht vollständig das Gebiet evakuiert", erklärt Maschinenbauingenieur Vijay Nilekani der Nuclear Energy Institute (NEI), eine Industrie-Gruppe. Mit der Zeit Evakuierungen und Berechtigungen stattgefunden hatte, "sie war den Kern beschädigt und wurden Entlüftung Wasserstoff, die Explosionen verursacht", erklärt Nilekani. "Wenn Sie Ihr Kerngeschäft nicht beschädigen, nicht die großen Mengen an Wasserstoff, die Detonation führten produzieren Sie."

Darüber hinaus bleibt unklar, wie der Wasserstoff aus dem verschlossenen Raum mit den Reaktorbehälter in die umliegenden Gebäude kam – und dann in ausreichenden Mengen zu explodieren aufgebaut. Ein Vorschlag ist, dass der enorme Druck erzeugt durch den kochenden Dampf Lücken um Schrauben, die den Wasserstoff geöffnet zu entkommen erlaubt oder die Lüftung selbst geleckt.

Solche Probleme sind seit langem ein Problem mit der Mark I, die "Sicherheit Nachteile" davon wurden in einem internen Memo an die US-Atomenergiekommission hervorgehoben – die Vorläufer der NRC – bereits 1972. Die NRC dennoch seine Verwendung erlaubt, weil "Die Marke ich lang genug überleben kann, um Aktionen zu ermöglichen, die die Öffentlichkeit im Falle einer radioaktiven Entlassung zu schützen", sagt Burnell. Das heißt, wäre Zeit zu evakuieren oder andere Sicherheitsvorkehrungen.

Das Schlimmste Modellierung
Um zu machen, dass Urteil, Computer-Modellierung der NRC abhängt, ist die jüngste als State-of-the-Art Reaktor Folge Analysen bekannt. Dass Modellierung zwei repräsentative Kernkraftwerke in den U.S.—a Druckwasserreaktor von Surry macht Station in Virginia und einem Siedewasserreaktor von Peach Bottom Kernkraftwerk in Pennsylvania nahm – und versucht, was passieren würde, bei einem schweren Unfall, wie der Verlust von allen Strom infolge eines Erdbebens, unter anderen Szenarien zu bewerten.

Peach Bottom-Reaktoren sind im großen und ganzen ähnlich wie bei Fukushima im Einsatz. In der Tat sind sie ähnlich genug, dass der NRC wandte sich sogar an dieser Analyse zu versuchen, vorherzusagen, was in der letztgenannten während dieser Unfall passieren könnte. Viel als was während der Krise in Japan entfaltet, schlug die Computermodellierung Kraftstoff in einem der beiden Reaktoren auf dem Gelände der Peach Bottom würde anfangen zu schmelzen, als neun Stunden nach einem Verlust von Kühlung fließen Wasser. Peach Bottom Mark I Containment würde dann etwa 20 Stunden nach dem Erdbeben fehlschlagen, gäbe es keine Wiederherstellung von Kühlwasser. Verletzt Reaktor würde dann spucken "16 Prozent von den Kernbestand" — "Inventar" Bedeutung Cäsium 137, zusammen mit 68 weitere radioaktive Isotope in der heißen Kernbrennstoff. Die Folgen der Freisetzung die Analyse kam zu dem Schluss, "könnten schwerwiegend sein."

Aber die Computermodellierung analysiert nur Totalausfall in einem Reaktor bei jedem dieser Kernkraftwerke, trotz der Tatsache, dass Peach Bottom und Surry zwei Reaktoren auf Website. Mehrere Reaktoren zu erwarten, ebenso durch die gemeinsamen Herausforderungen, erschrecke wie während der Fukushima-Krise gesehen. Noch hat die Modellierung analysieren, was passieren würde, wenn ein starkes Erdbeben sofort Sicherheitsausrüstung zerstört oder riss ein Loch in die Struktur mit den Reaktor selbst.

Die wesentliche Schwäche offenbart durch beide der Fukushima-Anlage und in der US-Computer-Modelle ist die Zuverlässigkeit der backup Strom. Die Reaktoren in Fukushima hatte Batterien groß genug, um Energienausrüstung, einschließlich Überwachungsinstrumente für acht Stunden. US-Reaktoren müssen nur zwei Stunden von solchen Batterie-Backup haben. "Die NRC überarbeitet derzeit die Station Blackout Regel, und diese Anstrengung könnte in Batterie Bewältigung Mal ändern" das NRC Burnell sagt. "Die Modelle zeigen, dass wenn Sie einen Station Blackout, wo Sie noch Batterien haben, gibt es Schritte, die ergriffen werden, um das hinausgehen, was die normale Lebensdauer der Batterien gilt." Ingenieure können durch aufladen sie und/oder indem Sie alle nicht benötigten Systeme, z. B. Herunterfahren Batterielebensdauer.

Flexibel bleiben
Die US Atomindustrie ihrerseits ist darauf hindeutet, dass sie freiwillig einen Ansatz umsetzen wird, den ruft es FLEX, was soll eine "vielseitige und flexible Coping-Fähigkeit." Kernkraftwerksbetreiber würde erwerben und tragbare Geräte, die verwendet werden, um zusätzliche Kühlung des Reaktors zur Verfügung zu stellen, einen Plan, der, sobald 2015 vorhanden sein könnte. "FLEX bietet mehrere Mittel zur Erlangung von Strom und Wasser benötigt, um die wichtigsten Sicherheitsfunktionen der Kernkühlung, Containment Integrität und verbrachte Brennelementlagerbecken Kühlung zu erfüllen, die Schäden zu Kernbrennstoff, ausschließen würde", erklärt Adrian Heymer, executive Director von Fukushima regulatorischen Antwort auf NEI. Die Liste der Geräte beinhalten zusätzliche Pumpen, portable Diesel-Generatoren zum Aufladen von Batterien, zusätzliche Akkus und Schläuche sowie Treibstoff und Diesel betriebene Luftkompressoren, unter anderem. Sie würde die Anlage läuft seit 72 Stunden halten. Die ähnliche Arbeit zur Verbesserung der Sicherheit im Zuge der Terroranschläge im September 2001 "gibt uns einen Vorsprung von 10 Jahren über den Umgang mit unerwarteten Ereignissen" NEI Präsident Marvin Fertel, argumentiert und FLEX baut auf diesen Ansatz.

Darüber hinaus integrieren neue Druckwasserreaktor Designs derzeit im Bau in Georgien, bekannt als der AP-1000, sogenannte passive Sicherheits-Features, einschließlich genügend Wasser zur Kühlung eines Reaktors für drei Tage in Ermangelung jeder menschlichen Handelns. "Wenn dieses Design in Fukushima verwendet worden war, hätten wir keine Story", argumentiert nuklearen Ingenieur Aris Candris, CEO von Westinghouse, die Firma verantwortlich für das neue Design. "AP-1000 ist immun gegen den Verlust der Off-Site macht."

Aber auch bei einem Reaktor, der sieht nicht so gut in einem großen Erdbeben Tarif und ist nicht immun gegen den Verlust der Off-Site macht, gibt es "im wesentlichen Null-Risiko der frühen Todesfälle" nach der NRC Worst-Case-Modellierung. Auch wenn eine Freisetzung von radioaktiven Stoffen die Umwelt erreicht, argumentiert "Es ist klein genug, und so lange braucht, um die Gemeinschaft zu erreichen, die Menschen evakuiert oder anderweitig geschützt bereits," NRC Burnell. "Die Öffentlichkeit vermeidet jede kurzfristige Dosis groß genug, um zu töten." Und das ist genau das, was in Fukushima passiert ist.

Die Gefahren von abgebrannten Brennelementen
Mehrere Explosionen in Fukushima Daiichi enthüllt ein weiteres Sicherheitsrisiko dar, eine, die, wenn überhaupt, von mehr Belang in den USA Die Explosionen Rissen offen Reaktorgebäude, beschädigen die 12 Meter tiefen Pools wo verwendeten Kernbrennstoffe gekühlt, ist potenziell Aufrechnung ein weiteres Kernschmelze im Kraftstoff dort als das umgebende Wasser versickert oder gekocht aus. Dicht gepackten abgebrannter Brennelemente ohne Wasser kann Hitze genug platzen die Zirkon-Verkleidung und, letztlich, die Verkleidung in Flammen. Ohne Mauern, die durch frühere Explosionen geblasen hatte, gab es nichts mehr, das Cäsium 137 und andere Radioisotope in der Kernbrennstoff zu halten, an der Flucht in einem solchen Fall bei der Fukushima-Reaktoren.

In der Tat, kann die Fahne der Verunreinigung verbreiten im Nordwesten von den betroffenen Kernkraftwerk aus solchen abgebrannten Brennelementen gekommen. Trotz dass heruntergefahren wurden für das Betanken, Unit 4 auch gelitten, eine Explosion und was bleibt identifizierten japanische Behörden als "lube Öl Feuer." (NRC-Experten allerdings nicht einverstanden, zumindest zur Zeit: "Wir wissen, es war kein Gleitmittel Öl Feuer," argumentierte Larry Camper, Direktor der Abteilung Abfallwirtschaft und Umweltschutz, der NRC am 20. März 2011, nach der Transkripte.) Das Feuer, welcher Art auch immer es war, scheint radioaktive Partikel in die umliegende Landschaft im Nordwesten durchgeführt haben, wie es in der Zeit fiel mit dem Wind in diese Richtung.

In den USA gibt aus Mangel an einen langfristigen Plan für den Umgang mit solchen Atommüll verbrachte Kraftstoff Pools noch mehr dicht machen es einfacher für eine Kernschmelze im Schadenfall Wasser auftreten. Solche Pools an 104 Kernreaktoren des Landes halten mehr als 45.000 Tonnen des Landes rund 65.000 Tonnen solcher Brennelemente verwendet. Das sagte, die Atomindustrie FLEX Ansatz, wären auch zusätzliche Pumpen und Schläuche um Wasser zu den verbrachte Kraftstoff-Pools zu bekommen, sowie Instrumente, um ihren Zustand zu überwachen.

Ironischerweise kann der Verlust von Wänden und Dächern der Schlüssel zur Vermeidung eines schlimmeren Unfalls in Fukushima gewesen sein. Durch die Wände und Dächer abreißen, aktiviert die Explosionen Rettungsassistenten Kühlwasser direkt in das Becken sprühen – wenn ineffizient – über Wasserwerfer und andere Geräte. "Was wäre, diese Explosionen nicht aufgetreten?", fragt nuklearen Ingenieur David Lochbaum von der Union of Concerned Scientists. "Die Strahlung in den Gebäuden waren zu hoch für den Zugriff, selbst wenn Beschäftigte Ausrüstung mit dem Wasser in den Pools hinzugefügt werden soll." In diesem Fall die abgebrannte Brennelemente wahrscheinlich würde haben begonnen, Einschmelzen und gäbe es mehrere Möglichkeiten der Wiederherstellung von Kühlwasser.

In der Tat während der ersten Woche der Fukushima-Krise wollte Rettungsassistenten herausfinden, ein Weg, um ein größeres Loch in die Einheit 2 Reaktorgebäude öffnen, die nicht gelitten hatte eine Explosion ermöglicht besseren Zugang zu injizieren Kühlwasser ohne Schaffung der Art von Funken, die eine weitere Wasserstoff-Explosion verursachen könnten.

Die NRC-Lösung ist für die Reaktor-Betreiber hinzufügen Schläuche oder Sprühen Systeme ermöglichen, Kühlwasser, so verbrachte Kraftstoff-Pools hinzugefügt werden soll. Aber wegen der Lage von solchen Pools in älteren Siedewasserreaktor Designs – insbesondere in den oberen Etagen des Reaktorgebäudes – kein Wasser hinzugefügt würde letztlich durch das Gebäude, die Notfall Pumpen im Keller überfluten entleeren. "Stattdessen von einem natürlichen Tsunami Reaktor Kernschmelze auslösen, dieses"Update"einen künstlichen Tsunami im Inneren des Reaktorgebäudes, die zu dem gleichen Ergebnis führt induziert," argumentiert Lochbaum.

Schlimmer, wenn die abgebrannte Brennelemente schmelzen, könnte es zu den gleichen Weg nach unten folgen. "Menschen sind Besorgnis erregend, dass die Dinge vielleicht durch den Betonboden geschmolzen ist" der die verbrachte Brennelementlagerbecken bemerkte John Monninger, ein NRC risk Analyse offiziell in Japan, am 20. März 2011, gemäß den Protokollen. "Die nächste Station ist die Spitze des Torus", oder die Donut-förmigen Ring enthält die zusätzliche Kühlung Wasser. Brian McDermott, dann Direktor der Division von Vorsorge und Reaktion, der NRC abgeschlossen der Gedanke in einer Telefonkonferenz, entsprechend der NRC-Transkripte: "dann du mögliche Dampf Explosionen hast haben mit dieser schmelzen in das Wasser in den Torus. "Und dann danach, wer weiß, wohin es geht."

Die wirkliche Lösung nach Lochbaum und anderen Experten, soll abgebrannten Brennelemente aus den Pools zur dauerhaften Lagerung in massiven Beton und Stahl Fässern nach fünfjähriger Abkühlung verschoben werden müssen. Das würde reduzieren die Menge an Kraftstoff in den Pools, die allgemeine Hitze reduzieren, erlauben mehr Wasser in den Becken selbst im Notfall sowie reduzieren die Menge an radioaktivem Material, das freigesetzt werden könnte, wenn sich ein Unfall ereignet. "Ausdünnen verbrachte Kraftstoff-Pools ist ein Kinderspiel", sagt Lochbaum.

Wie NRC, in Notfällen Fukushima Stabsmitarbeiter herrschte Besorgnis, dass verbrachte Brennelementlagerbecken Einheit 4 seine Kühlwasser sowie durch die Explosion des Reaktorgebäudes beschädigt verloren haben, schaffen Zugabe von kaltem Wasser Kraftstoff bereits heiß ein Problem in seinem eigenen Recht. "Das wird "Schutt-Ize"[sic] diejenigen Kraftstoff Pools," argumentierte die NRC Casto am 17. März 2011, Zeugen hatte einen ähnlichen Unfall in Ungarn nach den Protokollen. "Sie setzen, die Wasser auf die heißen Brennstoff und Schutt-Ize, wirst du auch Partikel zu bekommen. Du wirst ein gewisses Maß der erheblichen Freisetzung... plus ist in den Dampf weggetragen werden."

Die 23 Siedewasserreaktoren in den USA, die identisch mit denen in Fukushima Daiichi sind weiterhin unabhängig davon heute Stromerzeugung. In Japan, einen Monat vor dem verheerenden Erdbeben der Stärke 9,0 und dem Tsunami, erhielt der Komplex Unglücksreaktor Unit 1 Genehmigung für ein weiteres Jahrzehnt betreiben. Und am 10. März 2011, die NRC lizenziert den Siedewasserreaktor von ähnlichen Design und Vintage in Vermont Yankee Bedienung für weitere 20 Jahre (Pdf), nur einen Tag vor der Fukushima-Krise.

Die eine Sache, die die NRC-Krise Leitfaden für Siedewasserreaktoren "nicht wirklich tun wird Ihnen sagen, wie zu stoppen [eine Kernschmelze]," Casto notierte am 16. März 2011, gemäß den Protokollen. Die Leitlinien zeigen nicht "mögliche Gegenmaßnahmen, außer Wasser behalten." Trotz ein Tsunami ausgelöst Katastrophe im Kernkraftwerk Fukushima Daiichi bleibt Wasser der Schlüssel für die nukleare Sicherheit.

Dieser Artikel erschien zuerst auf Scientific American. © 2012 ScientificAmerican.com. Alle Rechte vorbehalten. Wissenschaftlichen Amerikaner auf Twitter folgen @SciAm und @SciamBlogs. Besuchen Sie ScientificAmerican.com für die neuesten Nachrichten Wissenschaft, Gesundheit und Technik.