Windscale-Brand

Am 10. Oktober 1957 kam es in einem britischen Kernreaktor in Windscale (heute Sellafield, Großbritannien) zu einem Brand. Dieser setzte eine Wolke mit erheblichen Mengen radioaktiven Materials frei, die sich über Großbritannien und über das europäische Festland verteilte. Auf der heute gültigen siebenstufigen Internationalen Bewertungsskala für nukleare Ereignisse (INES) wird dieser Unfall als Ernster Unfall (Stufe 5) eingestuft, also als Unfall mit Auswirkungen außerhalb des Betriebsgeländes und schweren Schäden am Reaktorkern (wie beispielsweise der von Three Mile Island). Die Strahlung ist bis 2005 im Reaktor auf etwa ein Prozent des sehr hohen Wertes nach dem Brand abgeklungen. Der Reaktor wird zurzeit (2010) rückgebaut.

Zeithistorischer Hintergrund

Nachdem die USA nach Ende des Zweiten Weltkrieges darum bemüht waren, die Verbreitung von Atomwaffen zu verhindern, wurde anderen Ländern durch den 1946 beschlossenen und am 1. Januar 1947 in Kraft getretenen MacMahon Act der Zugang zu Nukleartechnologie verwehrt. Die ehemaligen Alliierten trieben jedoch nationale Nukleartechnologieprogramme voran, so dass Großbritannien ab 1952 über eigene Atomwaffen verfügte, die Sowjetunion ab 1949.

Um eine britische Bombe zu bauen, hatte die Plutoniumproduktion höchste Priorität. Als Standort wurde das Gelände einer ehemaligen Munitionsfabrik in Windscale an der irischen See (Cumbria, Nord-West England) ausgewählt, das über genügend Kühlwasser aus den Wastwater- und Ennerdale-Seen verfügte und weit weg von Gebieten mit dichterer Besiedlung gelegen war.

Trotz der Nachkriegssparmaßnahmen wurde im Herbst 1947 mit dem Bau des Kernreaktors Pile Nr. 1 begonnen, der bereits im Oktober 1950 in Betrieb genommen wurde. Der baugleiche Pile Nr. 2 ging acht Monate später in Betrieb. Beide Reaktoren zusammen produzierten pro Jahr ca. 35 kg waffentaugliches Plutonium-239.^[1] Zugleich wurde die erste Wiederaufarbeitungsanlage B204 errichtet, um das Plutonium zu extrahieren.

Im Februar 1952 wurden die ersten Plutoniumstücke in die Aldermaston Fabrik bei Oxford geliefert und im Oktober explodierte die erste britische Atombombe Hurricane vor der Küste Australiens.

Technik

Reaktoren

Funktionsschema des Windscale-Reaktors Pile Nr. 1

Um möglichst schnell Plutonium aus natürlichem Uran zu erzeugen, wurden graphitmoderierte, luftgekühlte Reaktoren mit einer thermischen Leistung von 180 MW verwendet. Der Reaktorkern bestand aus 1.966 Tonnen Graphitblöcken mit 3.444 horizontalen Kanälen, die in einem achteckigen Bereich in der Mitte des Kerns angeordnet waren. Der Kern hatte einen Durchmesser von 15 Metern, war 7,5 Meter dick und von 2,7 m dickem armiertem Beton als Strahlungsabschirmung umgeben. Als Brennstoff diente metallisches, natürliches Uran, das in 28,5 cm lange, 2,5 cm dicke Aluminiumkapseln eingeschlossen war. Zur besseren Wärmeabfuhr war jede Kapsel mit radialen Kühlrippen versehen. In jeden Kanal des Reaktors wurden von der Vorderseite her 21 solcher Brennelemente geladen. Außerdem waren weitere Kanäle für Isotopenkapseln und Steuerstäbe vorhanden. Die Isotopenkapseln enthielten Lithium und Magnesium. Aus dem Lithium wurde durch Neutroneneinfang Tritium erbrütet, welches für die britische Wasserstoffbombe dringend benötigt wurde.

Verbrauchte Brennelemente wurden mit Hilfe von Stahlstangen nach hinten aus dem Kern hinausgeschoben, wo sie in Kübel in einem Wasserkanal fielen und über einen durch ein Meter dicke Betonwände abgeschirmten Wasserkanal zu dem gemeinsam für Pile 1 und 2 genutzten Abklingbecken B29 gebracht wurden. Die Kühlung erfolgte durch zwei Gebläsehäuser, die durch Schächte mit der Vorderseite des Reaktorkerns verbunden waren. Die Abluft wurde über einen 125 Meter hohen Schornstein an die Umwelt abgegeben, der oben mit Filtern versehen war, um radioaktive Partikel zurückzuhalten. Der gesamte Reaktoraufbau hatte eine Masse von etwa 57.000 Tonnen.

Die zwei Reaktoren produzierten etwa 35 kg Plutonium pro Jahr. Im Zeitraum von 1951 bis 1957 wurde in der B23 Aufbereitungsanlage etwa 385 kg Plutonium erzeugt.

Moderator

Als die Reaktoren 1946 geplant wurden, wusste man nur, dass sich der Graphitmoderator im Reaktor bei niedrigen Temperaturen ausdehnt, was als Wigner-Effekt bezeichnet wird. Sonst war jedoch kaum etwas über das Verhalten von Graphit unter Neutronenbeschuss bekannt.

Zwei Jahre nach Inbetriebnahme des Pile 1 wurde festgestellt, dass es immer wieder zu spontanen Temperaturanstiegen im Kern kam, was schließlich darauf zurückgeführt wurde, dass sich der Graphit des Moderators, wenn er sich durch Neutronenbeschuss ausdehnt, Wigner-Energie speichert, die später unkontrollierbar spontan freigesetzt wird. Da höhere Temperaturen wegen der Feuergefahr sowohl für den luftgekühlten Graphit als auch für die Isotopen- und Brennelemente gefährlich sind, begann man 1952, den Kern in regelmäßigen Abständen auszuheizen, um die Wigner-Energie abzubauen. Dazu wurde die Kerntemperatur über die normale Betriebstemperatur hinaus langsam erhöht. Bis zum Oktober 1957 war dieser Prozess bereits fünfzehn Mal erfolgreich an Pile 1 und 2 durchgeführt worden, er gestaltete sich aber zunehmend schwieriger und erforderte manchmal ein erneutes Aufheizen des Kerns, um die Wigner-Energie freizusetzen. Im Oktober 1957 kam es beim neunten Ausheizen von Pile 1 zur Katastrophe.

Verlauf des Reaktorunfalls vom Oktober 1957

Am 7. Oktober 1957 begannen die Techniker mit dem Ausheizvorgang, der nach drei Tagen abgeschlossen sein sollte. Der heruntergefahrene Reaktor von Pile 1 wurde bei abgeschalteten Ventilatoren um 19:25 Uhr angefahren und bei 250 °C stabilisiert. Durch die freigesetzte Wigner-Energie sollte die Temperatur auf den vorgesehenen Höchstwert von 350 °C steigen.

Am 8. Oktober deuteten die Anzeigen darauf hin, dass die vorgesehene Temperatur nicht erreicht wurde. Da das Ausheizen bei der Planung nicht berücksichtigt wurde, fehlten in beiden Reaktoren Temperaturmessstellen, um den noch nicht vollständig verstandenen Ausheizvorgang ausreichend überwachen zu können. Das Bedienpersonal war daher auf Erfahrungswerte und die für den Normalbetrieb vorgesehenen Temperaturmessstellen angewiesen. Obwohl einige Messstellen steigende Temperatur anzeigten, entschied der Operator um 10:30 Uhr, den Reaktor weiter anzuheizen. Um 11:05 Uhr kam es dann zu einem sprunghaften Temperaturanstieg um 80 °C, ansonsten blieb über die nächsten eineinhalb Tage alles ruhig, obwohl der Graphit des Reaktorkerns vermutlich schon brannte.

Am 9. Oktober um 22.15 Uhr waren die gemessenen Temperaturen mit zum Teil über 400 °C immer noch zu hoch.

Am 10. Oktober um 5:40 Uhr zeigten Messgeräte am Schornstein und auf dem Betriebsgelände an, dass der Reaktor Radioaktivität freisetzte. Die Strahlung an dem 120 Meter hohen Abluftkamin über dem Reaktor stieg stark an. Außerdem stieg die Kerntemperatur stark an. Zuerst ging man noch davon aus, dass eine mit Lithium und Magnesium gefüllte Isotopenkapsel geborsten sei und versuchte, das Problem mit einem ferngesteuerten Messgerät zu lokalisieren, dessen Betätigungsgestänge sich durch die Hitze aber bereits verklemmt hatte.

Erst um 15:00 Uhr alarmierte die Bedienmannschaft die Fabrikleitung. Da bis 16:30 Uhr keine Anweisungen ergingen, öffnete ein Techniker im Schutzanzug einen Schacht an der Vorderseite des Reaktorkerns und sah die rot glühenden Brennelemente. Es war klar, dass der Reaktor gekühlt werden musste. Die Ventilatoren konnten zur Kühlung jedoch nicht verwendet werden, da sie dem Graphitbrand noch zusätzlich Sauerstoff geliefert und wegen der durch das Feuer beschädigten Brennelemente und Isotopenkapseln noch mehr radioaktive Stoffe an die Umwelt freigesetzt hätten. Wasser konnte auch nicht verwendet werden, da es mit dem geschmolzenen und brennenden Uran, den anderen Metallen und dem Graphit zu Wasserstoff und Ethin reagieren würde, was eine Explosion ausgelöst hätte. Deshalb versuchte man, nachdem ein Tankwagen im nahegelegenen Kernkraftwerk Calder Hall eingetroffen war, den Brand mit 25 t flüssigem Kohlendioxid zu löschen, was aber keinerlei Wirkung zeigte. Durch die Inspektionsluken im Dach des Reaktorkerns wurde um 20:30 Uhr beobachtet, dass blaue Flammen aus dem Kern schossen.

Am 11. Oktober um 1:53 Uhr wurden 1.300 °C erreicht. Inzwischen war im Fabrikgelände Alarm ausgelöst worden. Obwohl schon den ganzen Tag lang Radioaktivität freigesetzt wurde, wurde die Öffentlichkeit immer noch nicht informiert. Zum Glück der Betreiber wehte der Wind die radioaktive Wolke aus Jod 131, Plutonium, Cäsium und Strontium auf die Irische See hinaus.

Trotz der Gefahr einer Knallgasexplosion, die den gesamten Reaktor zerstört und das radioaktive Material des Kerns großräumig freigesetzt hätte, versuchte man schließlich am 11. Oktober um 8:55 Uhr, den Brand mit Wasser zu bekämpfen, was jedoch nicht den gewünschten Erfolg brachte. Über die Inspektionsluken stellten die Techniker fest, dass das Wasser wirkungslos durch die Kanäle des Kerns schoss. Erst als um 9:56 Uhr der Wasserdruck reduziert wurde, floss das Wasser in den Kern hinein und kühlte ihn ab, die dabei entstandene riesige Dampfwolke setzte jedoch weitere Mengen an Radioaktivität frei. Das Feuer erlosch erst, als um 10:10 Uhr auch die Luftzufuhr zum Reaktor unterbrochen wurde.

Am 12. Oktober um 15.10 Uhr beendete die Werkfeuerwehr die Wasserzufuhr. Um den Reaktor hatte sich aus den 9.000 m³ Löschwasser ein radioaktiver See gesammelt.

Freisetzung von Radioaktivität und Todesfälle

Die beim Brand freigesetzte Wolke zog über Großbritannien und von dort bis über das europäische Festland. Während des Brandes kam es zu zwei Freisetzungen, zunächst durch das brennende Uran, später durch den Wasserdampf beim Löschvorgang.

Die Bevölkerung wurde jedoch erst am Tag nach dem Ende des Brandes gewarnt, die Milch von 17 umliegenden Farmen eingesammelt und in die Irische See verklappt.

Am 12. Oktober wurde auch Milch aus einem 500 km² großen Gebiet, die einen Grenzwert von 3.700 Bq überschritt, eingesammelt und vernichtet. Obwohl auch Milch weiter entfernter Farmen durch ¹³¹Iod kontaminiert wurde, wurde sie verkauft und Aufzeichnungen darüber von der Regierung unter Verschluss gehalten, um die Bevölkerung nicht zu beunruhigen. Insgesamt wurden etwa 2 Millionen Liter ¹³¹Iod-kontaminierte Milch ins Meer entsorgt.

Nach den neuesten Untersuchungen wird abgeschätzt, dass durch den Brand unter anderem 900 bis 3700 TBq ¹³¹Iod, 280 bis 6300 TBq ¹³²Tellur, 90 bis 350 TBq ¹³⁷Cäsium, etwa 0,2 bis 3,1 TBq ⁹⁰Strontium und 14 bis 110 TBq ²¹⁰Polonium sowie 8 bis 80 PBq ¹³³Xenon freigesetzt wurden.

Die Auswirkungen der freigesetzten Radioaktivität waren bisher nur ungenügend bekannt. Ein vorsichtiger britischer Bericht von 1982 nannte wenigstens 40 bedingte Todesfälle, andere der mehr als 70 Untersuchungsberichte rund 100 Todesopfer des Unfalls. Heutige Modellrechnungen (Atmospheric Environment, Bd.41, S.3904, 2007) kommen zum Schluss, dass infolge des damaligen Unfalls rund 240 Personen durch Lungenkrebs starben.

Schließung

1958–1961

Das Gelände rund um Pile 1 wurde dekontaminiert und die unversehrten Brennelemente aus dem Kern entfernt. Soweit möglich wurden die Steuer- und Kontrollstäbe in den zerstörten Kern eingefahren und die Zusatzeinrichtungen am Reaktor abmontiert. Eine 80 cm dicke Betonschicht wurde über die mechanischen Durchführungen in der Strahlungsabschirmung gelegt, um den Kern zu versiegeln. In den etwa 20 Prozent des Kerns, die zerstört wurden, befinden sich noch etwa 6700 durch das Feuer beschädigte Brennelemente und 1700 Isotopenkapseln. Weiterhin wurden die Gebläse und Filter der Luftkühlung aus den Gebäuden B3, B4, B13 und B14 entfernt und die Luftschächte zu den Reaktoren zugemauert.

Pile 2 wurde nach dem Brand aus Sicherheitsgründen außer Betrieb genommen und die Brennelemente entfernt.

Bis Mitte der 1980er Jahre wurde der immer noch aktive Kern von Pile 1 lediglich überwacht.

Phase 1

Mit der Planung der ersten Phase des Abbaues wurde Ende der 1980er begonnen und 1993 die Arbeit aufgenommen. Dabei wurde die Abschirmung um den Reaktor abgedichtet, die kontaminierten Zu- und Abluftschächte geschlossen und die Wasserkanäle, die verbrauchte Elemente zum Abklingbecken B29 transportierten, versiegelt. Zudem wurde der radioaktive Schlamm aus den durch den Brand stark kontaminierten Wasserkanälen zum Abklingbecken entfernt. Dabei fand man noch 210 alte Brennelemente in den Kanälen.

Diese Phase wurde 1999 abgeschlossen, so dass der Reaktorkern nun vollständig von den Zu- und Abluftanlagen und den Kanälen zum Abklingbecken getrennt ist.

Der Abluftschornstein von Pile 2 wurde im Zuge dieser Arbeiten bereits entfernt.

Phase 2

Derzeit werden Anstrengungen unternommen, das 1948 angelegte Abklingbecken B29 und das 1960 angelegte Becken B30, die beide mit radioaktivem Schlamm kontaminiert sind, zu reinigen. Da das Wasser nicht einfach abgelassen werden kann, sollen Unterwasserroboter zum Einsatz kommen, die den Schlamm in Behälter füllen und die Wände der Becken und Kanäle reinigen sollen.

Der Reaktorkern soll vollständig abgebaut und für die sichere Endlagerung vorbereitet werden. Die zweite Phase soll 2012 abgeschlossen sein und beinhaltet den Abbau des Schornsteins von Pile 1, Abbau des Graphitmoderators und der verbliebenen 17 t an Radionukliden.

Kulturelle Adaption

Sarah Aspinall: Windscale: Britain's Biggest Nuclear Disaster. BBC, 2007 (Dokumentation)
In ihrem Lied Radio-Aktivität nennt die deutsche Musikgruppe Kraftwerk unter anderem auch Sellafield als Metonym für das havarierte Kernkraftwerk mit dem Aufruf Stop Radioaktivität.

Siehe auch

Katastrophe von Tschernobyl
Liste von Unfällen in kerntechnischen Anlagen
Liste von Störfällen in europäischen kerntechnischen Anlagen

Literatur

Lorna Arnold: Windscale 1957: Anatomy of a Nuclear Accident. Macmillan, London 2007, ISBN 0230573177.
Atomic Energy Research Establishment: An airborne radiometric survey of the Windscale area, October 19-22nd, 1957 (A.E.R.E. reports;no.R2890)
MJ Crick, GS Linsley: An assessment of the radiological impact of the Windscale reactor fire, October 1957. In: International journal of radiation biology and related studies in physics, chemistry, and medicine 46 (5), Nov 1984, S. 479-506 (zuerst 1982 NRPB Reports).
H J Dunster, H Howells, W L Templeton: District surveys following the Windscale incident, October 1957. In: Proceedings of the Second United Nations International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy, Volume 18: Waste Treatment and Environmental Aspects of Atomic Energy (Geneva: United Nations), 1958, S. 296–308. Reproduziert im Journal of Radiological Protection, Volume 27, Number 3, September 2007. Abgerufen am 21. Mai 2011.
Paul Dwyer: Windscale: A nuclear disaster. BBC News, 5. Oktober 2007.
Rob Edwards: Windscale fallout blew right across Europe. In: New Scientist, 6. Oktober 2007
Marcus Franken, Manfred Kriener: Windscale brennt! Im Oktober 1957 drohte an Englands Nordwestküste das atomare Inferno. Es ist der erste schwere Reaktorunfall der Geschichte. Ein Protokoll.. In: Die Zeit. Nr. 41, 4. Oktober 2007, S. 92 (Zeitläufte) (Windscale brennt!, abgerufen am 12. Dezember 2012).
Fuller, John: We Almost Lost Detroit. Balantine – Random House, New York 1975, S. 79.
J.A. Garland and R. Wakeford, Atmospheric emissions from the Windscale accident of October 1957, Atmospheric Environment, Volume 41, Issue 18, June 2007, Pages 3904-3920. dx.doi.org/10.1016/j.atmosenv.2006.12.049
Walter C. Patterson: Chernobyl: worst but not first. In: Bulletin of the Atomic Scientists. August/September 1986
United Kingdom Atomic Energy Authority: The deposition of strontium 89 and strontium 90 on agricultural land and their entry into milk after the reactor accident at Windscale in October, 1957 (A.H.S.B)
Richard Wakeford: The Windscale reactor accident—50 years on. In: Journal of Radiological Protection, Band 27, Nr. 3, September 2007. Abgerufen am 21. Mai 2011.