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Wie die Fukushima-Eisbarriere radioaktives Grundwasser blockiert
Japanische Beamte versuchen verzweifelt, eine immer größer werdende Krise im Kernkraftwerk Fukushima einzudämmen, und wollen künstlichen Permafrost verwenden, um das Austreten von radioaktivem Wasser zu verhindern. Die Idee ist, eine kilometerlange Mauer aus gefrorener Erde um die giftigen Reaktorgebäude von Fukushima zu bauen, um die Grundwasserverschmutzung einzudämmen; die erfahrensten Spezialisten auf diesem Gebiet sagen, dass der Plan funktionieren sollte.
Kühllager: Eine von der Firma SoilFreeze für ein Bauprojekt erstellte Gefrierwand.
Die beteiligten japanischen Firmen scheinen einen Alleingang zu verfolgen. Vor zwei Wochen signalisierte ein hochrangiger Beamter von Tokyo Electric Power (Tepco), dass der Energieversorger hinter der Katastrophe von Fukushima internationale Hilfe bei der Wasserverschmutzungskrise von Fukushima suchen werde. Aber Experten von US-amerikanischen Firmen und nationalen Labors hinter den weltweit größten Gefrierwandsystemen – und dem einzigen, das nachweislich nukleare Kontamination eindämmt – wurden weder von Tepco noch von seinem Auftragnehmer, dem japanischen Ingenieur- und Bauunternehmen Kajima Corp., kontaktiert.
Eine dieser Experten ist Elizabeth Phillips, die 1996 und 1997 im Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums in Tennessee die Installation einer 90 Meter langen und 9 Meter tiefen Gefrierwand zur Isolierung radioaktiver Abfälle leitete Mauern werden häufig verwendet, um Grundwasser zurückzuhalten, um Ausgrabungen auf Baustellen und in Minen zu erleichtern, dieser Fall erfordert spezielles Know-how, sagt sie. Sie müssen sicherstellen, dass jeder, der es tut, alles analysiert, was schief gehen kann, sagt Phillips. Sie sollten mit jemandem gehen, der das schon einmal gemacht hat.
Täglich dringen rund 400 Tonnen Grundwasser aus den nahegelegenen Bergen in die Ritzen der Reaktorgebäude ein, die 2011 durch die Kernschmelzen und Explosionen in Fukushima beschädigt wurden. gemäß einem Tepco-Briefing-Dokument vom April 2013 . Aus den Gebäuden austretendes Wasser verunreinigt das Grundwasser stromabwärts und gelangt schließlich ins Meer. Die Schadstoffkonzentrationen sind gefährlich hoch. Im vergangenen Monat hat Tepco Wasser aus einem Probenahmebrunnen stromabwärts der Gebäude entnommen, das Strahlungswerte enthielt, die um Größenordnungen höher waren als die von den Sicherheitsbehörden als sicher eingestuften Werte Japanische Atomaufsichtsbehörde .
Die bisherigen Bemühungen von Tepco, diese Ausbreitung zu verhindern, waren ineffektiv, riskant und letztendlich nicht nachhaltig. Seine primäre Reaktion bestand darin, kontaminiertes Grundwasser in Sammeltanks zu pumpen, was zu den mehr als 300.000 Tonnen radioaktiven Wassers, die bereits in Fukushima in hastig zusammengebauten Tanks gespeichert sind, die für zukünftige Erdbeben anfällig sind, hinzukommt. Einige sind bereits durchgesickert. Letzte Woche hat die japanische Nuklearaufsichtsbehörde ein kürzlich aufgetretenes 300-Tonnen-Leck als Vorfall der Stufe 3 registriert – der erste Vorfall in Fukushima, den sie seit 2011 auf der internationalen Nuklearereignisskala bewertet.
Die Gefrierwand wäre ein definitiverer Ansatz für die Bewirtschaftung des Grundwassers. Wie von Kajima im April vorgeschlagen und im Mai von einem Expertengremium der Nuklearaufsichtsbehörde gebilligt, würde es 1,4 Kilometer lang sein und die vier zerstörten Reaktoren des Standorts umkreisen. Im Abstand von einem Meter sollen senkrechte Rohre gebohrt oder in den Boden gerammt werden, wodurch eine Art Bodenzaunpfosten entsteht. Vierzehn 400-Kilowatt-Kälteanlagen würden -20 °C bis -40 °C Kühlmittel durch jedes Rohr pumpen, um Wärme aus dem Boden zu absorbieren und einen expandierenden Zylinder aus gefrorener Erde zu erzeugen.
In ungefähr sechs Wochen würden diese Zylinder zu einer kontinuierlichen Barriere verschmelzen, die das Grundwasser und Verunreinigungen fernhält. Das Ergebnis wäre eine solide Barriere von der Oberfläche, die sich etwa 25 Meter in die Tiefe erstreckt und auf eine Schicht aus Ton und Gestein mit geringer Durchlässigkeit trifft. Und obwohl es eine langfristige Kühlung erfordern würde, ist die Wand immun gegen tage- oder wochenlange Stromausfälle. Es würde Monate oder Jahre dauern, die Mauer aufzutauen, sagt Daniel Mageau, Vizepräsident und Konstruktionsingenieur des in Seattle ansässigen Auftragnehmers SoilFreeze.
Mehrere Merkmale machen Gefrierwände zu besseren Barrieren als solche aus Stahl, Beton oder Ton – Alternativen, die das Gremium der Nuklearaufsichtsbehörde in Betracht gezogen und abgelehnt hat. Ein wesentlicher Vorteil, den Phillips anführt, ist die Selbstheilungsfähigkeit der Gefrierwand. Zum Beispiel würde Wasser, das durch ein Erdbeben in Risse floss – eine allgegenwärtige Bedrohung in Fukushima – gefrieren, um die Barriere wiederherzustellen. Das ist ein wirklich großer Vorteil, sagt Phillips.
Die Erfahrung mit Oak Ridge deutet darauf hin, dass es in Fukushima funktionieren wird, so Phillips und Experten der Auftragnehmer, die die Mauer des Labors gebaut haben: Rockaway, New Jersey, ein geotechnischer Auftragnehmer Moretrench und Anchorage-basiert Arktische Fundamente . Es ist bis heute das einzige nukleare Eindämmungs-Gefrierwandprojekt, das in Presseberichten als Experiment fehlbeschrieben wurde. Es war kein Modell. Es bohrte in kontaminierte Böden und verhinderte, dass echtes radiologisch kontaminiertes Material entweicht und in einen Bach fließt, sagt Edward Yarmak, Chefingenieur der Arctic Foundation.
Die Oak Ridge Freeze Wall verschmolz im Januar 1998 und enthielt die gleichen Elemente, die in Fukushima sechs Jahre lang vorhanden waren – die Dauer, die vom Gremium der Nuclear Regulation Authority für Fukushimas Mauer festgelegt wurde –, bis die Aufsichtsbehörden das US-Energieministerium anordneten, den Standort zu sanieren. Phillips ist zuversichtlich, dass es über seine 30-jährige Lebensdauer hinaus funktioniert hätte.
Joseph Sopko, Direktor für Bodenvereisung bei Moretrench, sagt, dass Kajimas vorgeschlagener einjähriger Zeitplan für die Installation und das Einfrieren angesichts einer Installation, die er Ende der 1990er Jahre für eine Goldmine in Nord-Ontario leitete, bei der Rohre für eine Länge von zwei Meilen gebohrt wurden, angemessen ist lange Wand in knapp einem Jahr installiert. Der Maßstab für die Fukushima-Mauer sieht unterdessen geradezu klein aus im Vergleich zu einer fünf Meilen langen Mauer, die für eine Ölsand-Operation in Alberta vorgeschlagen wird, für die Moretrench derzeit Pilotstudien durchführt.
Ein großer Nachteil ist jedoch der Stromverbrauch. Während die Wände nach dem Einfrieren Monate oder Jahre brauchen, um aufzutauen – und somit immun gegen Stromausfälle sind – benötigen sie eine langfristige Kühlung, um auszuhalten. Typischerweise beträgt die für die Wartung erforderliche Kühlleistung etwa die Hälfte dessen, was für die Bildung der Wand erforderlich war.
Tepco und Kajima könnten Energie sparen, wenn sie eine Technik anwenden, die bei Oak Ridge verwendet wird. Seine Wand enthielt passive Geräte, die als Thermosiphons bekannt sind und die Arctic Foundations in ganz Alaska installiert hat, um den schmelzenden Permafrost unter Gebäuden und Infrastruktur zu verstärken. Ein Kühlgas zirkuliert passiv in den Rohren, wenn der Boden wärmer als die Luft darüber ist, absorbiert Wärme unten durch Sieden, gibt diese Wärme oben durch Kondensieren ab und tropft schließlich wieder die Rohrwand hinunter, um den Zyklus zu wiederholen.
Dank der Integration von Thermosiphons verbraucht das Oak Ridge-System jährlich kaum 100.000 Kilowattstunden Strom – weniger als 10 Haushalte würden pro Jahr verbrauchen. Es ist ein sehr effizientes System, um Wärme gegen die Schwerkraft zu bewegen. Es gibt keine beweglichen Teile, sagt Yarmak.
Obwohl Yarmak gerne Thermosiphons von Arctic Foundations nach Japan exportieren würde, sagt er, dass der Stromverbrauch für Fukushima kein kritisches Thema ist. Selbst mit dem konventionelleren Gefrierwandsystem, das Kajima vorgeschlagen hat, dessen Stromverbrauch etwa 250-mal höher wäre als bei Oak Ridge, sieht der Stromverbrauch im Kontext immer noch gering aus. Für das Ausmaß des Problems, das Japan hat, ist es nicht viel Energie, sagt er.