Sicherheitstechnik: Sicherer Einschluss der radioaktiven Stoffe

In den Brennstäben des Druck- oder Siedewasserreaktors entsteht bei der Kernspaltung ein großes Inventar an radioaktiven Stoffen. Das Betriebspersonal und die Bevölkerung müssen zuverlässig vor ionisierender Strahlung dieser radioaktiven Stoffe geschützt werden. Das geschieht zum einen durch hermetischen Einschluss der radioaktiven Stoffe, zum anderen durch Abschirmung gegen direkte Strahlung.

Dem sicheren Einschluss der radioaktiven Stoffe dient das Barrierenkonzept, das aus mehreren einander umschließenden Hüllen besteht (siehe Abbildung). Die grundsätzliche Aufgabe der Reaktorsicherheit besteht darin, die Wirksamkeit des Barrierenkonzepts in allen Betriebszuständen und Störfällen aufrecht zu erhalten. Dies erfordert konkret die Einhaltung der drei Schutzziele:

Kontrolle der Reaktivität, d. h. des Neutronenflusses:

Der Reaktor muss in seiner Leistung begrenzt sein und sicher abgeschaltet werden können, um eine zu hohe, von den jeweils verfügbaren Kühlsystemen nicht abführbare Wärmeerzeugung zu verhindern. Ein unkontrollierter Leistungsanstieg mit der Folge des Überhitzens des Reaktors muss physikalisch unmöglich sein. Nach der Abschaltung muss der Reaktor auch dauerhaft abgeschaltet gehalten werden können.

Brennelementkühlung:

Die auch nach der Abschaltung des Reaktors durch radioaktiven Zerfall entstehende Wärme muss sicher aus dem Reaktorkern und dem Brennelementlagerbecken abgeführt werden können, damit die inneren Barrieren nicht durch Überhitzung gefährdet werden.

Schutz der Barrieren gegen Funktionsverlust:

Dabei geht es nicht nur um den Schutz vor Überhitzung, sondern auch durch andere Ursachen wie Überdruck, Wasserstoffexplosion oder Einwirkungen von außen.

Inhärente Stabilität des Reaktorkerns:

Inhärente Stabilität bedeutet, dass ein Leistungs- oder Temperaturanstieg im Reaktorkern allein aufgrund inhärenter physikalischer Gesetzmäßigkeiten, die nicht versagen können, immer zu einer rechtzeitigen Leistungsbegrenzung führt, falls erforderlich bis zur Abschaltung des Reaktors, ohne dass dafür aktive Maßnahmen ergriffen werden müssten. Alle kommerziellen deutschen Kernkraftwerke besaßen diese Eigenschaft, sie ist allen Druck- und Siedewasserreaktoren in der Welt gemein. Sie trägt ganz wesentlich zur Einhaltung der Schutzziele durch gestaffelte Maßnahmen auf den verschiedenen Sicherheitsebenen bei.

Diese inhärente Sicherheit ist darauf zurückzuführen, dass Wasser zum Abbremsen der Neutronen unbedingt erforderlich ist. Mit schnellen, nicht abgebremsten Neutronen kann keine sich selbst erhaltende Kettenreaktion aufrechterhalten werden. Bei einem Verlust von Wasser, beispielsweise durch ein Leck, verringert sich sofort die Zahl der Kernspaltungen; der Kernspaltungsprozess kommt zum Erliegen, und die Anlage schaltet sich von selbst ab. Derselbe Effekt tritt ein, wenn der Reaktorkern zu heiß wird und eine große Menge Wasser verdampft. Dampf bremst Neutronen wesentlich schlechter ab als Wasser.