Am 26. April 1986 ereignete sich im Kernkraftwerk Tschernobyl nahe der Stadt Prypjat, Ukraine (damals Sowjetunion) eine katastrophale Kernschmelze und Explosion im Kernreaktor Tschornobyl Block 4. Der Hergang des Unfalls ist bis heute nicht zweifelsfrei geklärt. Er gilt als die zweitschwerste nukleare Havarie nach der von Majak und war eine der größten Umweltkatastrophen überhaupt.
Bekannt ist diese Katastrophe unter dem russischen Namen der Nachbarstadt Tschernobyl, da Russisch zum Zeitpunkt der Katastrophe Hauptamtssprache war. Der heute amtliche ukrainische Name der Stadt lautet Tschornobyl. Vereinzelt werden auch die englischen Schreibweisen Chernobyl bzw. Chornobyl verwendet.
Die Katastrophe
Als Ursache gelten neben bauartbedingten Eigenschaften des Kernreaktors (RBMK-1000) und dessen Betrieb in einem unzulässigen Leistungsbereich auch mangelnde Erfahrung und Kompetenz des Betriebspersonals sowie die Verletzung von Betriebsvorschriften. In diesem Zusammenhang war paradoxerweise die manuell eingeleitete Reaktorschnellabschaltung der Auslöser der Katastrophe.
Da Kernkraftwerke Strom nicht nur erzeugen, sondern auch verbrauchen (beispielsweise für den Betrieb der Kühlpumpen, Mess- und Anzeigetechnik) und diesen aus dem Netz entnehmen, muss sichergestellt sein, dass bei einem totalen Stromausfall genügend elektrische Leistung zur Verfügung steht, um den Reaktor sicher abzuschalten.
In einem anstehenden Experiment sollte geprüft werden, ob die Leistung der bei der Abschaltung langsam auslaufenden Turbine die Zeit bis zum Anlaufen von Dieselgeneratoren (etwa 40–60 Sekunden) überbrücken kann. Ein früherer Versuch im Block 3 des Kraftwerks war zuvor gescheitert, weil die Spannung zu schnell absank. Nun sollte der Versuch mit einem verbesserten Spannungsregler wiederholt werden. Diesen erneuten Versuch führte man bei einer Routineabschaltung des Reaktors durch.
25. April 1986, 1:00: Als erster Schritt sollte die Leistung des Reaktors von ihrem Nennwert bei 3.200 Megawatt thermisch (=MWth) auf 1.000 MWth reduziert werden, wie bei einer Regelabschaltung üblich. Um 13:05 wurde auf Anweisung des Lastverteilers in Kiew die Leistung bei 1.600 MWth stabilisiert.
23:10: Die Leistung wurde weiter abgesenkt. Nach dem Schichtwechsel um 24:00 schaltete die neue Mannschaft um 00:28 bei 500 MWth die automatische Reaktorleistungsregelung um. Durch einen Bedienfehler, durch den der Sollwert für die Gesamtleistungsregelung anscheinend nicht richtig eingestellt wurde, oder auf Grund eines technischen Defekts sank die Leistung weiter bis auf nur etwa 30 MW.
Wie nach jeder Leistungsabsenkung erhöhte sich vorübergehend die Konzentration des Isotops Xenon-135 im Reaktorkern („Xe-Vergiftung“). Da Xenon-135 die für die nukleare Kettenreaktion benötigten Neutronen sehr stark absorbiert, nahm aufgrund der Konzentrationszunahme die Leistung des Reaktors immer weiter ab. Als die Betriebsmannschaft am 26. April 1986 um 00:32 Uhr die Leistung des Reaktors durch weiteres Ausfahren von Regelstäben wieder anheben wollte, gelang ihr das infolge der mittlerweile aufgebauten Xe-Vergiftung nur bis zu etwa 200 MW oder 7 % der Nennleistung.
Obwohl der Betrieb auf diesem Leistungsniveau unzulässig war (laut Vorschrift durfte der Reaktor nicht unterhalb von 20 Prozent der Nennleistung betrieben werden) und sich zu diesem Zeitpunkt außerdem viel weniger Regelstäbe im Kern befanden, als für einen sicheren Betrieb notwendig waren, wurde der Reaktor nicht abgeschaltet, sondern das Signal zum Beginn des Testlaufs gegeben.
26. April 1986, 01:03 bzw. 01:07: Um die zusätzliche Last des bei Turbineneinlassventilschließung anfahrenden Kernnotkühlsystems zu simulieren, wurden nacheinander zwei zusätzliche Hauptkühlmittelpumpen in Betrieb genommen. Infolge des erhöhten Kühlmitteldurchsatzes nahm der Dampfblasengehalt im Reaktorkern weiter ab. Die Reaktivitätsabnahme führte zum Herausfahren weiterer Regelstäbe, um die Leistung zu stabilisieren. Dies wäre der letzte Zeitpunkt gewesen, an dem man den Reaktor noch durch eine Notabschaltung hätte retten können.
01:19: Zur Stabilisierung des fallenden Wasserstands in den Dampfseparatoren wurde die Speisewasserzufuhr erhöht. Dies führte jedoch zu weiterer Unterkühlung und Abnahme des Dampfblasengehalts, welches wiederum durch Stabausfahren kompensiert wurde. In den folgenden Minuten versuchten die Operateure durch Regulierung der Speisewasser- und Turbinendampfzufuhr Wasserstand und Druck zu stabilisieren. Beide Parameter hätten zu einer Reaktorschnellabschaltung geführt; entsprechende Warnanzeigen wurden jedoch blockiert. Der Reaktor befand sich zu diesem Zeitpunkt in einem äußerst instabilen Zustand, in dem jede kleinste Veränderung eines Parameters schwerwiegende Folgen haben konnte.
01:23: Der eigentliche Test begann. Das Haupteinlassventil der Turbine wurde geschlossen und somit dem Generator, dessen Auslaufenergie man messen wollte, die Kraftzufuhr genommen. Dadurch wurde die Wärmeabfuhr aus dem Reaktor unterbrochen, die Temperatur stieg an und Kühlmittel verdampfte.
Im Gegensatz zu Leichtwasserreaktoren westlicher Bauart, in denen das Kühlmittel gleichzeitig Moderator ist, haben Reaktoren des RBMK-Typs im unteren Leistungsbereich einen positiven so genannten Dampfblasenkoeffizient (Voidkoeffizient). Das bedeutet, dass mit zunehmendem Verdampfen des Kühlmittels die Reaktivität des Reaktors steigt.
Genau das geschah auch hier. Der dadurch wachsende Neutronenfluss bewirkte einen verstärkten Abbau der im Kern angesammelten Neutronengifte (insbesondere Xe-135). Dadurch stiegen Reaktivität und Reaktorleistung immer schneller an, wodurch wieder größere Mengen Kühlmittel verdampften. Die Situation geriet langsam außer Kontrolle. Um 01:23:35 löste der Schichtleiter manuell die Notabschaltung des Reaktors aus.
Dazu wurden alle zuvor aus dem Kern entfernten Steuerstäbe wieder in den Reaktor eingefahren, doch hier zeigte sich ein weiterer Konzeptionsfehler des Reaktortyps: Durch die an den Spitzen der Stäbe angebrachten Graphitblöcke (Graphit war der Hauptmoderator des Reaktors) wurde beim Einfahren eines vollständig herausgezogenen Stabs die Reaktivität kurzzeitig erhöht, bis der Stab tiefer in den Kern eingedrungen war.
Die durch das gleichzeitige Einführen aller Stäbe (über 250) massiv gesteigerte Neutronenausbeute ließ die Reaktivität so weit ansteigen, bis schließlich (um 01:23:44) die prompten Neutronen alleine (also ohne die verzögerten Neutronen) für die Kettenreaktion ausreichten („prompte Kritikalität“) und die Leistung innerhalb von Millisekunden das Hundertfache des Nennwertes überschritt („nukleare Leistungsexkursion“).
Die Hitze verformte die Kanäle der Regelstäbe, so dass diese nicht weit genug in den Reaktorkern eindringen konnten, um ihre volle Wirkung zu erzielen, und sie ließ die Druckröhren reißen und das Zirkonium der Brennstäbe mit dem umgebenden Wasser reagieren. Wasserstoff entstand in größeren Mengen und bildete mit dem Sauerstoff der Luft Knallgas, das sich vermutlich entzündete und zu einer zweiten Explosion (nur Sekunden nach der „nuklearen Exkursion“) führte.
Welche Explosion zum Abheben des über 1.000 Tonnen schweren Deckels des Reaktorkerns führte, ist nicht ganz klar. Außerdem zerstörten die Explosionen das (nur als Wetterschutz ausgebildete) Dach des Reaktorgebäudes, sodass der Reaktorkern nun nicht mehr eingeschlossen war und direkte Verbindung zur Atmosphäre hatte. Der glühende Graphit im Reaktorkern fing sofort Feuer. Insgesamt verbrannten während der folgenden 10 Tage 250 Tonnen Graphit, das sind etwa 15 Prozent des Gesamtinventars.
Große Mengen an radioaktiver Materie wurden durch die Explosionen und den anschließenden Brand des Graphit-Moderators in die Umwelt freigesetzt, wobei die hohen Temperaturen des Graphitbrandes für eine Freisetzung in große Höhen sorgten. Insbesondere die leicht flüchtigen Isotope Iod-131 und Cäsium-137 bildeten gefährliche Aerosole, die in einer radioaktiven Wolke teilweise hunderte oder gar tausende Kilometer weit getragen wurden, bevor sie der Regen aus der Atmosphäre auswusch. Radioaktive Metalle mit höherem Siedepunkt wurden hingegen vor allem in Form von Staubpartikeln freigesetzt, die sich in der Nähe des Reaktors niederschlugen.
Gegen 05:00 waren die Brände außerhalb des Reaktors gelöscht. Block 3 wurde abgeschaltet.
27. April 1986: Die Blöcke 1 und 2 wurden um 01:13 bzw. 02:13 abgeschaltet. Es wurde begonnen, den Reaktor mit Blei, Bor, Dolomit, Sand und Lehm zuzuschütten. Dies verringerte die Spaltproduktfreisetzung und deckte das brennende Graphit im Kern ab.
Am 6. Mai 1986 wurde die Spaltproduktfreisetzung weitgehend unterbunden.
Vergleich zu Reaktoren westlicher Bauart
Einer der wesentlichen Unterschiede zwischen dem in Tschornobyl eingesetzten Reaktortyp RBMK und den meisten Reaktoren westlicher Bauart ist, dass in letzteren das Kühlwasser gleichzeitig als Moderator fungiert. Kommt es bei einem der typischen westlichen Reaktoren zum Verdampfen des Kühlmittels, verringert sich gleichzeitig die Moderatorleistung und damit die Neutronenausbeute, sodass die Reaktivität entsprechend verringert wird. Beim Tschornobyl-Typ hingegen ist die Moderationsleistung des Graphits konstant und ein Verdampfen des Kühlwassers steigert die Reaktivität weiter.
Aus diesem Grund muss vor einer Genehmigung moderner Reaktoren bewiesen sein, dass ihr Dampfblasenkoeffizient immer negativ bleibt.
Inzwischen wurden an den Reaktoren des RBMK-Typs weitere Verbesserungen vorgenommen (höhere Uran-Anreicherung, mehr Kontrollstäbe), die den Dampfblasenkoeffizienten in Bereiche bringen, in denen er auch bei niedrigen Leistungen beherrschbar bleibt. Dadurch wurden jedoch einige der ursprünglichen Designziele des Typs ausgehebelt.
Eine letzte Schwäche in der Konstruktion des Kernkraftwerks in Tschornobyl war, dass es nicht wie die meisten modernen Reaktoren in einen massiven Sicherheitsbehälter (Containment) eingebettet war, auch wenn unklar ist, ob ein solches Containment der Wucht der Explosionen bei diesem Unglück standgehalten hätte. So konnten große Mengen an radioaktiven Stoffen in die Atmosphäre entweichen. Das Graphitfeuer, das sich nach dem Absprengen des Daches entzündete und fast 14 Tage brannte, beförderte weitere Mengen radioaktiven Materials in die Luft.
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