Stresstest : Uneinigkeit über AKW-Sicherheitskriterien

Nach der Atomkatastrophe in Fukushima fordern viele Regierungen eine Überprüfung aller Kernkraftwerke und ihrer Sicherheitsstandards. Aber Experten streiten über die Regeln.

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Bauen mit Bedacht: Kernkraftwerke müssen auch den Naturgewalten trotzen.
Bauen mit Bedacht: Kernkraftwerke müssen auch den Naturgewalten trotzen.Foto: DPA

Erst die Banken, jetzt die Kernkraftwerke. Sie sollen einen Stresstest machen, fordert der EU-Energiekommissar Günther Oettinger für alle europäischen Anlagen. Auf dem EU-Gipfel, der gestern in Brüssel begann, wird darüber diskutiert. Bei dem Test geht es um eine „Neubewertung aller Risiken“ wie Hochwasser, Stromausfall und Terrorismus.

Wie schnell dieses Vorhaben an den rund 140 europäischen Reaktoren umgesetzt werden kann, ist unklar. Experten warnen vor überzogenen Erwartungen. „Erst mal muss geklärt werden, wie tief gehend die Überprüfung überhaupt sein soll“, sagt Joachim Knebel, Leiter des Programms Nukleare Sicherheitsforschung am Karlsruher Institut für Technologie. Kernkraftwerke seien unwahrscheinlich komplex, jedes einzelne zudem individuell geplant und gebaut. „Grundsätzliche Aussagen darüber, ob die vorhandenen Anlagen stärkeren Erdbebenschwingungen oder höheren Fluten standhalten, sind in drei Monaten zu schaffen, sofern das vorhandene Regelwerk genutzt werden kann“, sagt Knebel. Es sei aber ausgeschlossen, in jedem Kraftwerk jede einzelne Baugruppe erneut zu analysieren, wenn womöglich auch noch neue Berechnungsvorschriften erstellt werden.

Doch bereits bei diesen Vorschriften zeigt sich, dass ein europaweit einheitlicher Sicherheitscheck gar nicht möglich ist. So gibt es etwa bei der Frage, was „erdbebensicher“ ist, von Land zu Land unterschiedliche Ansätze. Wie die Gefahr eingeschätzt und wie das Kraftwerk dagegen geschützt wird, soll hier am Beispiel von Deutschland gezeigt werden. Hierzulande wird voraussichtlich keines mehr gebaut, die Vorgehensweise lässt sich aber durchaus auf andere Staaten übertragen, die an der Technik festhalten.

Der Untergrund

Bevor ein Kernkraftwerk errichtet wird, muss analysiert werden, welche maximalen Einwirkungen durch seismische Wellen erwartet werden. Dazu wird für jede Anlage ein individuelles „Bemessungsbeben“ festgelegt. Auf diesem Musterbeben basieren alle folgenden Schritte, von der Planung des Bauwerks bis zur Wahl der Turbinenbefestigung oder der elektrischen Schaltschränke. Um das Bemessungsbeben zu bestimmen, wird ein Umkreis von rund 200 Kilometern um den Standort von Seismologen begutachtet. Im Rheintal zum Beispiel werden sie eine höhere seismische Aktivität vorfinden als in Norddeutschland.

Die Forscher versuchen herauszufinden, welches der bislang in der konkreten Region aufgetretenen Beben die größten Auswirkungen auf den Reaktor haben würde. „Das muss nicht unbedingt das mit der größten Stärke, also der größten Magnitude sein“, sagt Frank Scherbaum, Seismologe an der Universität Potsdam. „Wenn das starke Beben beispielsweise 150 Kilometer entfernt auftritt, können die befürchteten Schwingungen am Gebäude durchaus geringer sein als jene, die von einem schwächeren Beben in der Nähe stammen.“

Entscheidend für das Kraftwerk ist die Wucht, mit der der Untergrund an den Gebäuden zerrt. Sie wird physikalisch als Beschleunigung beschrieben. Diese Bodenbeschleunigung hängt nicht nur von der Magnitude des Bebens ab, sondern auch von den Erdschichten, die von den seismischen Wellen durchquert werden. Je nach Material können sie heftiger werden oder schwächer. Weiche, wassergefüllte Sedimente etwa verstärken die Schwingungen. Auch dieser Effekt wird von den Experten berücksichtigt.

Am Ende der Analyse haben sie sich auf ein Bemessungsbeben mit den dafür angenommenen Maximalbeschleunigungen geeinigt. Weil die historischen Daten lückenhaft sind und auch das Verhalten des Untergrunds nicht absolut sicher vorhergesagt werden kann, enthält das Bemessungsbeben zahlreiche Sicherheitszuschläge. Im statistischen Mittel treten die für das Bemessungsbeben angenommenen Maximalbeschleunigungen einmal in 100 000 Jahren auf. Das kann theoretisch aber auch schon morgen der Fall sein.

Das Kraftwerksgebäude

Damit die Bauingenieure wissen, wie sie das Kraftwerk konstruieren sollen, ziehen sie ein „Bodenantwortspektrum“ heran. Auf diesem Diagramm ist abzulesen, welche Beschleunigungen für das Gebäude infolge des Bemessungsbebens zu erwarten sind – sprich die „Antwort des Bauwerks auf die Bodenbewegung“. „Anhand dieser Werte wird dann in Modellierungen überprüft, ob das Gebäude standhält“, sagt Günther Gerding vom Tüv Nord in Hannover. Er gehört zur Expertengruppe des Kerntechnischen Ausschusses (KTA), die die Regeln zur „Auslegung von Kraftwerken gegen seismische Ereignisse“ bearbeitet.

Aber nicht nur das Kraftwerksgebäude wird am Rechner durchgeschüttelt. Das geschieht auch für die Anlagenteile in den einzelnen Stockwerken, erläutert Gerding. „Diese Einzelbetrachtungen sind nötig, denn ein gesamtes Kernkraftwerk mit allen Einzelteilen zu modellieren ist zu aufwendig, dafür gibt es keine geeigneten Rechner.“ Für bestimmte Bauteile greifen die Ingenieure teilweise auf echte Rüttelversuche zurück. Die größten Teststände dafür gibt es in Japan, dort können Anlagenteile mit bis zu 1000 Tonnen experimentell untersucht werden.

Alle Einzelanalysen müssen zeigen, dass das Kraftwerk den Beschleunigungen des Bemessungsbebens standhält. Dass durch das Zerlegen in kleine Abschnitte möglicherweise das Verhalten des Kraftwerks im Ganzen unterschätzt wird, bezweifelt Gerding. Bei den Berechnungen würden jedes Mal Sicherheitsaufschläge gemacht. Deshalb ist die Methode aus seiner Sicht auf der sicheren Seite. „Natürlich kann man nicht völlig ausschließen, dass es in der Realität einzelne Ausreißer gibt, die man in den Berechnungen nicht gesehen hat“, sagt er.

Die Bauweise

„Um erdbebensicher zu bauen, wäre eine weiche Konstruktion ideal, die die eintreffende Energie aufnimmt“, sagt Rainer Zinn vom Bochumer Ingenieurbüro Stangenberg und Partner, der ebenfalls an der KTA-Richtlinie mitgearbeitet hat. „Doch das steht anderen Anforderungen entgegen, etwa robust gegen Flugzeugabstürze zu sein.“ Deshalb würden Reaktorgebäude sehr massiv errichtet, damit sie auch von starken Bodenbeschleunigungen nicht zerstört werden. Auf diese Weise setzen sich aber die Schwingungen ins Innere fort und müssen dort „vernichtet“ werden. Dabei helfen Schwingungsdämpfer: große Stahlfedern oder Gummipuffer. „Damit werden etwa die Steuerzentrale mit ihrer sensiblen Elektronik gelagert oder Notstromaggregate und Turbinen“, sagt Armin Winkler von der Firma Gerb, die mehrere deutsche Kernkraftwerke mit Dämpfern ausgestattet hat.

Die Kontrolle

Jedes Kraftwerk wird alle zehn Jahre einer umfassenden Sicherheitsüberprüfung unterzogen. Sollte sich zwischenzeitlich der Stand von Forschung und Technik geändert haben, ist das zu berücksichtigen, lautet die Maßgabe – die allerdings einigen Spielraum lässt. Hinzu kommen Kontrollen, wenn zum Beispiel ein kleineres Beben stattgefunden hat. Je nach Intensität werden dann bestimmte Kraftwerksteile inspiziert, um Beschädigungen zu finden. Zudem kann über solche realen Erschütterungen die Qualität der zuvor angestellten Computermodelle überprüft werden.

Die Kritik

In Deutschland, Frankreich und Japan werden die Kernkraftwerke jeweils für das eine Bemessungsbeben ausgelegt. „Deterministischer Ansatz“ sagen Fachleute dazu. Länder wie die Schweiz oder die USA haben den „probabilistischen“ Ansatz gewählt. Dahinter verbirgt sich eine Analyse nach der Wahrscheinlichkeitstheorie. „Wir suchen nicht nach dem einen Beben, sondern ziehen alle Fälle in Betracht“, sagt Frank Scherbaum, der unter anderem in der Schweiz als Gutachter für Akw-Projekte arbeitet. Aus seiner Sicht ist das ein Vorteil, denn „wenn man bei der Bestimmung des Bemessungsbebens einen Fehler macht oder etwas übersieht, kann das schlimme Folgen haben.“

Die Probabilistiker legen sich nicht frühzeitig auf ein Bemessungsbeben fest, sondern lassen alle auch nur irgendwie möglichen Szenarien zu. Dazu berechnen sie für jedes denkbare Erdbeben an jedem denkbaren Ort in der Umgebung des Kraftwerks die entsprechenden Bodenbewegungen, und zwar für verschiedene Bebenmechanismen: plötzliches Rucken der Gesteinsschichten, schnelles Zittern, ruhiges Grummeln, und so weiter. Sortiert wird dieser Datenwust durch Angaben darüber, wie häufig ein bestimmtes Szenario eintritt. Diese Informationen wiederum gewinnen die Seismologen aus historischen Erdbebenaufzeichnungen und Statistiken zu Häufigkeit und Magnitude von Erschütterungen, die auch über Jahrtausende in die Zukunft projiziert werden können.

Am Ende steht eine Grafik mit einer geschwungenen Kurve, bei der extreme Bodenbewegungen am „äußerst selten“-Ende stehen und moderate Bewegungen am „recht häufig“-Ende. „Wenn feststeht, welche Sicherheitsstufe das Kraftwerk erfüllen soll – zum Beispiel eine Erschütterung, die im Mittel nur alle 100 000 Jahre überschritten wird –, können die Konstrukteure für diese Vorgabe im Diagramm eine konkrete Bodenbeschleunigungen ablesen, die sie ihren Plänen zugrunde legen müssen“, erläutert Scherbaum. Hätte man nur das Bemessungsbeben herangezogen, wäre dessen Maximalbeschleunigung womöglich geringer als nach der Wahrscheinlichkeitsanalyse für den Zeitraum anzunehmen ist.

„Unser Verfahren gleicht Wissenslücken bei der seismischen Geschichte einer Region und dem Verhalten des Untergrundes besser aus als der deterministische Ansatz“, sagt Scherbaum. Deshalb sollte die Methode auch in Deutschland angewendet werden, fordert er. Die neue KTA-Richtlinie, deren Entwurf bis 31. März kommentiert werden kann, geht ihm nicht weit genug. „Da sind Ideen aus der probabilistischen Analyse drin, aber das Hauptgewicht liegt immer noch bei der herkömmlichen Methode, dieser Spagat bringt nichts“, sagt Scherbaum.

Auch Gottfried Grünthal vom Deutschen Geoforschungszentrum Potsdam, der selbst an der Richtlinie mitarbeitet, kritisiert den Entwurf, der aus Mehrheitsentscheidungen in dem Gremium hervorging. „Ich weiß, dass man historisch über Jahrzehnte angewandte Verfahren nicht so schnell außer Acht lassen kann“, sagt er. „Aber die neue Methode ist besser, das sehen viele Fachkollegen genauso.“ Noch gibt es Chancen. Aufgrund der Geschehnisse in Japan wurde kurzfristig ein Treffen des Gremiums einberufen. „Vielleicht kommt es doch noch zu einem Wandel“, hofft Grünthal und denkt dabei nicht nur an Deutschland.

Unabhängig davon, ob und wie schnell der Stresstest kommt, sei auch europaweit ein einheitliches, solides System zur Gefährdungsanalyse vonnöten. „Denn die Auswirkungen von fehlerhaften Abschätzungen machen nicht an Landesgrenzen halt.“

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