Acht Monate nach dem Atomunfall im April 1986 im Kernkraftwerk Tschernobyl in der Ukraine entdeckten Arbeiter, die einen Korridor unter dem beschädigten Reaktor Nr. 4 betraten, ein verblüffendes Phänomen: schwarze Lava, die aus dem Reaktorkern geflossen war, als wäre es etwas eine Art von Menschenhand geschaffener Vulkan. Eine der verhärteten Massen war besonders verblüffend, und die Crew nannte sie Elefantenfuß, weil sie dem Fuß des riesigen Säugetiers ähnelte.
Sensoren sagten den Arbeitern, dass die Lavaformation so hochgradig radioaktiv war, dass es fünf Minuten dauern würde, bis eine Person eine tödliche Menge an Strahlung abbekam, wie Kyle Hill in diesem Artikel 2013 für das Wissenschaftsmagazin Nautilus ausführte.
Ein Jahrzehnt später erhielt das International Nuclear Safety Project des US-Energieministeriums , das Hunderte von Bildern von Tschernobyl sammelte , mehrere Bilder des Elefantenfußes, der auf 2,2 Tonnen (2 metrische Tonnen ) geschätzt wurde .
Seitdem ist der Elefantenfuß, der als lavaähnliches brennstoffhaltiges Material (LFCM) bekannt ist, ein makabrer Faszinationsgegenstand geblieben. Aber was ist es eigentlich?
Was ist der Elefantenfuß von Tschernobyl?
Da Elefantenfuß so radioaktiv war, verwendeten die Wissenschaftler damals eine Kamera auf einem Rad, um ihn zu fotografieren. Einige Forscher kamen nahe genug heran, um Proben zur Analyse zu entnehmen. Sie fanden heraus, dass Elefantenfuß nicht die Überreste des Kernbrennstoffs waren.
Stattdessen erklären Nuklearexperten, dass der Elefantenfuß aus einer seltenen Substanz namens Corium besteht, die bei einem nuklearen Unfall entsteht, wenn Kernbrennstoff und Teile der Reaktorkernstrukturen überhitzen und zu einem Gemisch schmelzen. Corium hat sich in der Geschichte nur fünfmal auf natürliche Weise gebildet – einmal während des Unfalls auf Three Mile Island in Pennsylvania im Jahr 1979, einmal in Tschernobyl und dreimal bei der Fabrikkatastrophe von Fukushima Daiichi in Japan im Jahr 2011.
"Wenn eine Kernschmelze nicht beendet werden kann, fließt die Schmelze schließlich nach unten zum Boden des Reaktorbehälters und schmilzt (mit einem Beitrag zusätzlicher geschmolzener Materialien) durch und fällt auf den Boden des Sicherheitsbehälters", Edwin Lyman , Direktor der Atomkraftsicherheit für die Union of Concerned Scientists , erklärt in einer E-Mail.
„Die heiße Schmelze reagiert dann mit dem Betonboden des Sicherheitsbehälters (sofern vorhanden) und verändert erneut die Zusammensetzung der Schmelze“, fährt Lyman fort. „Je nach Reaktortyp kann sich die Schmelze ausbreiten und durch die Containment-Wände schmelzen oder weiter durch den Boden schmelzen und schließlich in das Grundwasser eindringen (dies geschah in Fukushima). Wenn die Schmelze ausreichend abkühlt, wird sie zu einem harten , steinähnliches Mineral."
Mitchell T. Farmer , ein erfahrener Nuklearingenieur und Programmmanager am Argonne National Laboratory, sagt per E-Mail, dass Corium „sehr wie Lava aussieht, ein schwärzliches Oxidmaterial, das beim Abkühlen sehr viskos wird und wie klebriges geschmolzenes Glas fließt ist, was in Tschernobyl mit dem Elefantenfuß passiert ist."
Was ist Corium?
Die genaue Zusammensetzung eines bestimmten Coriumflusses, wie er den Elefantenfuß von Tschernobyl ausmacht, kann variieren. Farmer, dessen Team in der Forschung Unfälle mit Kernschmelzen simuliert hat , sagt, dass der bräunliche Farbton des Elefantenfußes Corium ähnelt, „in dem die Schmelze zu Beton mit einem hohen Anteil an Siliziumdioxid (SiO2) erodiert ist, der im Wesentlichen aus Glas besteht die viel Kieselsäure enthalten, werden als Kieselsäure bezeichnet, und das ist die Art von Beton, der für den Bau der Tschernobyl-Werke verwendet wird."
Das ist sinnvoll, da Corium nach dem Schmelzen des Kerns zunächst aus den Materialien besteht, aus denen der Kern normalerweise besteht. Ein Teil davon ist auch Uranoxid-Brennstoff. Andere Bestandteile sind die Beschichtung des Brennstoffs – typischerweise eine Zirkoniumlegierung namens Zircaloy – und Konstruktionsmaterialien, bei denen es sich hauptsächlich um rostfreien Stahl aus Eisen handelt, erklärt Farmer.
"Je nachdem, wann Wasser wieder zugeführt wird, um das Corium zu kühlen, kann sich die Zusammensetzung des Coriums mit der Zeit entwickeln", sagt Farmer. "Wenn Dampf verdampft, kann der Dampf mit Metallen in der Lederhaut (Zirkonium und Stahl) reagieren, um Wasserstoffgas zu erzeugen, dessen Auswirkungen Sie bei den Reaktorunfällen in Fukushima Daiichi gesehen haben. Die oxidierten Metalle in der Lederhaut werden in Oxide umgewandelt. wodurch sich die Zusammensetzung ändert."
Wenn das Corium nicht gekühlt wird, bewegt es sich durch den Reaktorbehälter nach unten und schmilzt dabei mehr Baustahl, was noch mehr Veränderungen in seiner Zusammensetzung verursacht, sagt Farmer. „Wenn es noch unterkühlt ist, kann das Corium schließlich durch den stählernen Reaktorbehälter schmelzen und auf den Betonboden des Sicherheitsbehälters fallen“, erklärt er. "Dies geschah in allen drei Reaktoren von Fukushima Daiichi." Der Beton, der mit der Lederhaut in Kontakt kommt, erwärmt sich schließlich und beginnt zu schmelzen.
Sobald der Beton schmilzt, werden Betonoxide (typischerweise als "Schlacke" bekannt) in die Schmelze eingebracht, wodurch sich die Zusammensetzung noch weiter entwickelt, erklärt Farmer. Der schmelzende Beton setzt auch Dampf und Kohlendioxid frei, die weiter mit Metallen in der Schmelze reagieren, um Wasserstoff (und Kohlenmonoxid) zu produzieren, was zu weiteren Veränderungen in der Zusammensetzung des Coriums führt.
Wie gefährlich ist Elefantenfuß?
Das daraus resultierende Durcheinander, das Elephant's Foot verursacht hat, ist extrem gefährlich. Im Allgemeinen, sagt Lyman, ist Corium viel gefährlicher als unbeschädigter abgebrannter Brennstoff, da es sich in einem potenziell instabilen Zustand befindet, der schwieriger zu handhaben, zu verpacken und zu lagern ist.
„In dem Maße, in dem Corium hochradioaktive Spaltprodukte, Plutonium und radioaktiv gewordene Kernmaterialien zurückhält, wird Corium eine hohe Dosisleistung aufweisen und noch viele Jahrzehnte oder sogar Jahrhunderte extrem gefährlich bleiben“, erklärt Lyman.
Sehr hartes erstarrtes Korium, wie das des Elefantenfußes, müsste aufgebrochen werden, um es aus beschädigten Reaktoren zu entfernen. „[Das] erzeugt radioaktiven Staub und erhöht die Gefahren für Arbeiter und möglicherweise die Umwelt“, sagt Lyman.
Noch besorgniserregender ist jedoch, dass Wissenschaftler nicht wissen, wie sich Corium auf lange Sicht verhalten könnte, etwa wenn es in einem Endlager für Atommüll gelagert wird . Was sie wissen, ist, dass die Lederhaut des Elefantenfußes wahrscheinlich nicht mehr so aktiv ist wie zuvor und dass sie von selbst abkühlt – und weiter abkühlen wird. Aber es schmilzt immer noch und bleibt hochradioaktiv.
2016 wurde das New Safe Confinement (NSC) über Tschernobyl geschoben, um weitere Strahlungslecks aus dem Kernkraftwerk zu verhindern. Innerhalb des Sicherheitsschildes wurde eine weitere Stahlkonstruktion errichtet, um den verfallenden Betonsarkophag im Reaktor Nr. 4 von Tschernobyl zu stützen. Der NSC würde im Idealfall dazu beitragen, dass im Falle einer Explosion in Raum 305/ eine massive Uranstaubwolke nicht in die Luft zerstreut wird. 2. Raum 305/2 befand sich direkt unter dem Reaktorkern Nr. 4 und zeigt seit 2016 Anzeichen erhöhter Neutronenemissionen . Er ist aufgrund der tödlichen Strahlung für den Menschen völlig unzugänglich.
Corium studieren
Niemand will einen anderen Elefantenfuß sehen. Farmer hat die meiste Zeit seiner Karriere damit verbracht, nukleare Unfälle zu studieren und mit Corium zu arbeiten, um Möglichkeiten für Anlagenbetreiber zu entwickeln, einen Unfall zu beenden – wie viel Wasser und wo eingespritzt werden muss und wie schnell Wasser das Corium kühlen und stabilisieren kann .
„Wir machen große Experimente, bei denen wir mit den realen Materialien ‚Corium‘ herstellen, aber wir verwenden elektrische Heizung, um die Zerfallswärme zu simulieren, anstatt die Zerfallswärme selbst zu simulieren“, erklärt Farmer, dass die Simulation die Experimente einfacher macht.
„Wir haben den Großteil unserer Arbeit darauf konzentriert, die Effizienz der Wasserzugabe beim Abschrecken und Kühlen von Corium für verschiedene Coriumzusammensetzungen zu untersuchen. Daher forschen wir an der Unfallminderung. Das andere Ende ist die Unfallverhütung, und dies ist ein Hauptaugenmerk. Bereich für die Nuklearindustrie."
Das ist jetzt beängstigend
Forscher des Argonne National Laboratory haben dieses Video erstellt , das eine geschmolzene Uranoxidlache bei 2.000 Grad Celsius zeigt. Ihre Experimente haben simuliert, wie ein solcher Lavastrom den Betonboden eines Sicherheitsbehälters eines Kernreaktors erodieren würde.
