Kernenergie: Chancen und Risiken [1. Aufl.] 9783662593004, 9783662593011

Citation preview

Hansruedi Völkle

Kernenergie Chancen und Risiken

Kernenergie

Hansruedi Völkle

Kernenergie Chancen und Risiken

Hansruedi Völkle Physics Departement University of Fribourg Fribourg, Schweiz

ISBN 978-3-662-59300-4 ISBN 978-3-662-59301-1  (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-662-59301-1 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von allgemein beschreibenden Bezeichnungen, Marken, Unternehmensnamen etc. in diesem Werk bedeutet nicht, dass diese frei durch jedermann benutzt werden dürfen. Die Berechtigung zur Benutzung unterliegt, auch ohne gesonderten Hinweis hierzu, den Regeln des Markenrechts. Die Rechte des jeweiligen Zeicheninhabers sind zu beachten. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag, noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Einbandabbildung: © NinjaStudio/stock.adobe.com Planung/Lektorat: Lisa Edelhäuser Springer ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer-Verlag GmbH, DE und ist ein Teil von Springer Nature. Die Anschrift der Gesellschaft ist: Heidelberger Platz 3, 14197 Berlin, Germany

Geleitwort

Die Kernenergie ist die umstrittenste Stromerzeugungstechnologie, vor allem im deutschsprachigen Raum. Ausstieg ist die Losung, während in anderen Regionen dieser Welt neue, moderne Kernkraftwerke gebaut werden. Hierzulande soll der nuklear erzeugte Strom durch solchen aus erneuerbaren Quellen ersetzt werden. Da auch in der Schweiz die Wasserkraft nurmehr unbedeutend ausgebaut werden kann, wenn überhaupt, ruhen die Hoffnungen auf den so genannten neuen erneuerbaren Energien Fotovoltaik, Wind, Biomasse und Geothermie. Es bestätigt sich aber immer deutlicher, dass deren Entwicklung bei Weitem nicht genügt, um die Kernenergie fristgerecht zu ersetzen. Einzig die Fotovoltaik erreicht etwa den für die Zielerreichung der Energiestrategie 2050 notwendigen Zubau. Wind und Biomasse stagnieren, ob jemals in der Schweiz Strom aus Geothermie erzeugt wird, ist offen. Zudem wird die Subventionierung der neuen erneuerbaren Stromquellen in absehbarer Zeit enden. Die Schweiz verfügt längst nicht mehr über genügend eigene Elektrizität, vor allem im Winter. Die Stromlücke wird sich mit dem Ausstieg aus der Kernenergie ausweiten und die Abhängigkeit von Stromimporten zunehmen. Diese stammen überwiegend aus fossiler Erzeugung, vor allem aus Kohlekraftwerken; die Schweiz verbraucht damit vermehrt ­CO2-belasteten Strom. Ihre Versorgungsstrategie beruht auf der trügerischen Hoffnung, Strom könne immer importiert werden. Dies wird immer weniger der Fall sein, denn Deutschland legt in Kürze seine restlichen Kernkraftwerke still und will auch aus der Kohle aussteigen, und Frankreich plant die Reduktion des Nuklearstromanteils. V

VI      Geleitwort von Eduard Kiener

Damit ist die schweizerische Stromversorgungssicherheit immer weniger gewährleistet. Dies ist gravierend angesichts der gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Risiken länger dauernder Strommängel. Ohne Strom läuft bekanntlich nichts. Der Ersatz der Kernenergie erfordert nicht nur genügend neue erneuerbare Energieproduktion, sondern auch den Aus- und Umbau des Stromsystems. Insbesondere benötigt die Netzintegration der fluktuierenden Stromerzeugung aus Fotovoltaik und Wind zwingend einen massiven Ausbau der Saisonspeicherung durch Vergrößerung der Stauseen sowie Netzanpassungen, vor allem auf der Verteilnetzebene. Auch die Bewältigung dieser Herausforderungen ist noch nicht einmal ernsthaft angegangen worden. All dies macht deutlich: Die Substitution nuklear erzeugter Bandenergie durch Fotovoltaik und Wind ist energiewirtschaftlich alles andere als sinnvoll. Und sie ist auch für Klima und Umwelt nachteilig, wie die von den maßgeblichen Forschungsinstituten PSI und Empa für die verschiedenen Stromerzeugungstechnologien ermittelten Technologieindices zeigen. Einzig die Wasserkraft ist bezüglich des spezifischen Treibhausgasausstoßes vorteilhafter als die Kernenergie. Wer es ernst meint mit dem Klimaschutz, der muss die weitere Nutzung der Kernenergie und gleichzeitig den Ausstieg aus den fossilen Energien fordern. Die bestehenden Kernkraftwerke sollen so lange weiter betrieben werden, als sie sicher sind und dann durch neue fortgeschrittene Anlagen ersetzt werden. Dies ist nicht nukleare Nostalgie, sondern eine sachlich begründete Forderung, trotz der weiterhin zu erwartenden politischen Widerstände. Die Kernenergie muss weiterhin eine Säule der schweizerischen Energieversorgung sein, zusammen mit der Energieeffizienz und den erneuerbaren Energien. Mit ihr kann der Umbau des Energiesystems von den fossilen zu den erneuerbaren Energien nicht nur wesentlich wirtschaftlicher, sondern auch ökologischer realisiert werden. Der Verfasser des vorliegenden Sachbuchs ist ein ausgezeichneter Strahlenschutz-Fachmann und Kenner der Energieszene. Ich bin ihm sehr dankbar für den Beitrag, den er – im Interesse der Energieversorgung und des Klimaschutzes – zur dringend notwendigen Versachlichung der Diskussion um die Kernenergie leistet. Kirchlindach bei Bern im April 2019

Dr. rer. pol. Eduard Kiener, Dipl. Ing. ETHZ ehemaliger Direktor des Schweizer Bundesamtes für Energie von 1977 bis 2001

Vorwort

Die griechische Mythologie berichtet, wie Prometheus den Göttern das Feuer stahl. Zeus bestrafte ihn dafür, indem er ihn im Kaukasusgebirge an einen Felsen schmieden ließ. Regelmäßig kam ein Adler und fraß von seiner Leber, die danach stets wieder nachwuchs. Schließlich befreite ihn Herakles und erlöste ihn von seiner Pein. Pandora – von Hephaistos auf Weisung von Zeus aus Lehm geschaffen – sollte die Strafe der Menschheit sein für das gestohlene Feuer. Von Zeus erhielte sie die berühmte Büchse der Pandora, jedoch mit der strikten Weisung, diese nicht zu öffnen. Aus Neugierde tat sie es dennoch und es entwichen der Büchse alle Übel, Laster und Untugenden der Welt. Von da an eroberte das Schlechte die Welt. Übrig blieb lediglich die Hoffnung. Das Feuer, oder das Verbrennen, ist eine exotherme Redoxreaktion, bei der Energie in Form von Licht und Wärme frei wird. Es bietet Vorteile für uns, birgt aber auch große Gefahren. Der Mensch nutzt das Feuer bereits seit einer Million Jahren. Vor 80 Jahren entdeckt er die Kernspaltung und macht sich seither auch diese zunutze. Man könnte die Kernenergie als das zweite Feuer bezeichnen, mit ebenfalls großen Vorteilen, aber noch ­größeren Risiken und Gefahren als das erste Feuer. Ist sie auch eine Buchse der Pandora? Der Mensch, neugierig und innovativ wie er ist, hat sich auch dieses zweite Feuer angeeignet, mit all seinen Vorteilen, aber auch Gefahren und Risiken. Wie beim ersten Feuer musste er lernen (und ist immer noch dabei) diese ­Energiequelle so zu zähmen, dass sie ihm mehr Nutzen als Schaden bringt [209]. Ein solcher Lernprozess ist lang und verläuft nicht ohne Fehlschläge und Pannen. Die Geschichte lehrt uns auch, dass der Mensch nie auf eine neue VII

VIII      Vorwort

Entdeckung, eine neue Technologie, verzichtet hat, weil diese ihm zu gefährlich erschien. Es liegt in der menschlichen Natur, dass es für ihn immer eine Herausforderung ist, neue Errungenschaften zu beherrschen und nutzbar zu machen. Diese Freiheit ist eine wesentliche Triebkraft menschlichen Handelns und die Neugierde ist größer als die Angst vor etwas Unbekanntem. Die Entdeckung der Kernspaltung im Jahre 1938 ermöglichte die technische Nutzung der – wie sie die Physiker nennen – starken Wechselwirkung. Diese ist die weitaus größte der vier Grundkräfte1 der Natur, denn sie muss Protonen und Neutronen im Atomkern zusammenhalten. Sie ist weit stärker als die abstoßende Coulomb-Kraft zwischen den positiv geladenen Protonen im Atomkern und verhindert, dass dieser auseinanderfällt. Bei der Kernspaltung wird nicht mehr die chemische – also die atomare – Bindungsenergie genutzt wie bei der Verbrennung, sondern die rund eine Million Mal stärkere Bindungsenergie der Protonen und Neutronen im Atomkern. Daher erzeugt ein Gramm schwach angereichertes Uran, so wie es in einem Leichtwasserreaktor verwendet wird, bei der Spaltung rund 100.000mal mehr Energie als das Verbrennen von einem Gramm Steinkohle. Mit der Entdeckung der Kernspaltung erschloss sich der Mensch eine neue, bis dahin ungenutzte Energiequelle die sowohl zur Produktion von Elektrizität durch Kernreaktoren, aber auch für Kernwaffen verwendet werden kann. Die erste Anwendung waren die Atombomben, die während des Zweiten Weltkrieges zur Zerstörung der japanischen Städte Hiroshima und Nagasaki eingesetzt wurden und Hunderttausenden Menschen Gesundheit oder gar das Leben kosteten. Die Kernenergie bleibt somit für immer mit der apokalyptischen Vision einer Atombombenexplosion verbunden. Leider kam es auch bei der friedlichen Anwendung der Kernspaltung zu Unfällen oder gar zu Katastrophen mit erheblichen Auswirkungen auf Mensch und Umwelt. Die Reaktorkatastrophe von Fukushima hat schließlich in Staaten wie der Schweiz und Deutschland zum Entscheid geführt, ganz aus der Nutzung der Kernenergie zur Energieerzeugung auszusteigen. Der Klimawandel, verursacht durch den Ausstoß von CO2 aus der Verbrennung fossiler Energieträger, und die damit einhergehende Ressourcen1Die

vier Kräfte der Natur sind die Gravitation, die elektromagnetische Kraft, die starke und schwache Wechselwirkung. Die Stärke der ersten beiden nimmt mit dem Quadrat des Abstandes ab, dagegen haben die beiden andern eine extrem kurze Reichweite im Bereich von Femtometern (10−15 m) oder gar noch kleiner. Relativ zur starken Wechselwirkung ist die elektromagnetische Kraft hundertmal geringer, die schwache Wechselwirkung ist um etwa 15 Zehnerpotenzen kleiner, die Gravitation gar um rund 40 Größenordnungen. Die Physiker konnten bereits zwei der Kräfte ‒ die elektromagnetische und die schwache Wechselwirkung ‒ in einer Kraft, der elektro-schwachen, vereinen. Man hofft, mit der Grand Unified Theory (GUT) auch die starke Kraft sowie mit der Theory of Everything (ToE) auch noch die Gravitation in ein einziges Modell integrieren zu können.

Vorwort     IX

verknappung haben uns die Notwendigkeit einer Energiewende vor Augen geführt. Unsere Wirtschaft muss sich aus der Abhängigkeit von fossilen Brenn- und Treibstoffen befreien. Um das CO2-Budget der Klimafachleute einzuhalten, müssen wir den CO2-Ausstoß innerhalb einer Generation auf null reduzieren. Andernfalls werden wir es nicht schaffen, die Erwärmung der Erde bei 2 °C aufzuhalten. Viele Fachleute bezeichnen den Klimawandel denn auch als die größte Herausforderung, mit der die Menschheit je konfrontiert war. Es geht um drei Hauptziele: • Energie- und Rohstoffverbrauch senken und Stoffe systematisch rezyklieren • Freisetzung von CO2 und anderer anthropogener Schadstoffe und Treibhausgase drastisch senken • Anpassung an eine durch den Klimawandel veränderte (Um-)Welt Die entscheidende Frage ist, wo die Prioritäten zu setzten sind: Beim Ausstieg aus den fossilen Energieträgern wie Kohle, Öl und Gas oder beim Ausstieg aus der Kernenergie? Dieses Buch möchte aufzeigen, dass der Ausstieg aus den fossilen Energieträgern angesichts der realen Bedrohung durch den Klimawandel oberste Priorität haben sollte. Die vollständige Umstellung auf erneuerbare Energiequellen mit der erforderlichen Stabilität und Versorgungssicherheit, braucht Zeit. Beim Übergang in eine CO2-neutrale Energieversorgung kann die Kernenergie nützlich sein, denn sie trägt zur Versorgungssicherheit und Diversifizierung der Elektrizitätsversorgung bei. Wir müssen auch berücksichtigen, dass eine Reduktion beim Verbrauch fossiler Energien zu einem erheblichen Mehrbedarf an Strom z. B. für Elektromobilität und für Wärmepumpen bei der Gebäudeheizung führen wird. Die Kernenergie ist damit auf absehbare Zeit eine sinnvolle Ergänzung zu den volatilen neuen, erneuerbaren Energien aus Photovoltaik und Windkraft. Die Kernenergie ist keine größere Gefahrenquelle als die Energiegewinnung aus fossilen Brenn- und Treibstoffen oder die fast ausschließlich auf fossilen Energieträgern basierende individuelle Mobilität. Insbesondere sind die Auswirkungen der Kernenergie auf Mensch und Umwelt deutlich geringer als jene der Kohle-Verstromung. So unglaublich dies erscheinen mag, dieser Vergleich mit der Kohle stimmt auch noch nach Tschernobyl und Fukushima. Bei den Reaktorkatastrophen von Tschernobyl und Fukushima hat nicht die Technik versagt, sondern der Mensch. Selbstverständlich bleibt die Kernenergie nur dann eine beherrschbare Technologie, wenn die Anlagen regelmäßig gewartet, geprüft und nachgerüstet werden und die Sicherheitskultur ‒ aber

X      Vorwort

auch die Notfallvorsorge ‒ auf einem Niveau sind, das dem aktuellen Stand von Wissenschaft und Technik entspricht. Die Energiewende bedingt Investitionen in die Energieforschung und -entwicklung in allen Bereichen. Neben Kernenergie und Kernfusion gehören dazu der Ausbau der Stromnetze, Methoden zur Stromspeicherung, intelligente Stromnetze und die Planung einer CO2-freien Zukunft bei Industrie, Mobilität, Gebäudeheizung und Warentransport. Damit einher gehen müssen selbstverständlich auch Bestrebungen, die nukleare Sicherheit wie jene aller technischen Einrichtungen weltweit laufend zu verbessern. Der Autor ist der Meinung, dass wir uns nicht im Streit für oder gegen die Kernenergie die Köpfe einschlagen sollten, sondern uns gemeinsam den Herausforderungen des Klimawandels stellen und eine wirksame Strategie zum raschen Ausstieg aus den fossilen Brenn- und Treibstoffen entwickeln sollten. Er möchte mit diesem Buch zur Versachlichung der Energie- und Klimadebatte, aber auch der Diskussion um die Kernenergie, beitragen. Die Herausforderungen, vor der wir heute stehen, bewältigen wir nur durch ein gemeinsames und lösungsorientiertes Vorgehen aller Länder und Gesellschaften, mit einer aktiven Beteiligung von Wissenschaft, Politik und Wirtschaft. Freiburg/Schweiz im September 2019

Hansruedi Völkle

Erklärung Der Verfasser legt Wert darauf, dass er die vorliegende Arbeit selbstständig verfasst hat, dass diese seine persönliche Meinung darstellt, und dass er von keiner Seite weder ideell noch materiell beeinflusst, unterstützt oder gefördert wurde. Wörtliche oder sinngemäß verwendete Textteile, Grafiken oder Bilder sind entsprechend als Zitate mit Quellenangabe kenntlich gemacht. Die Aussagen und Meinungen in diesem Buch basieren auf dem derzeitigen Wissensstand. Dieser ändert sich rasch, insbesondere in den Bereichen Umwelt, Klima und Energie, ebenso auch deren Wahrnehmung durch Politik, Wirtschaft und Öffentlichkeit. Gewisse Aussagen und Folgerungen dieses Buches sind in diesem Sinne zu relativieren und bedürfen gegebenenfalls der Aktualisierung.

Literatur 1. Prêtre S (2005) Die Domestizierung des zweiten Feuers. http://www.second-fire. ch/publications/publications.htm. Zugegriffen: 6. Sept. 2019

Danksagung

Mein Dank geht an Sébastien Delabays für das Cartoon in Kap. 9 und für die Hilfe beim Erstellen der Grafiken, an Frau Dr. Sybille Estier vom Bundesamt für Gesundheit für das Bereitstellen von Rohdaten für die Abbildungen in den Kap. 1 und 2 und vor allem an die Lektorin Frau Vera Palmer, den Springer-Verlag, Frau Dr. Lisa Edelhäuser und ihr Team für die Möglichkeit, dieses Buch zu veröffentlichen.

XI

Zehn Kernthesen

Das Buch präsentiert Fakten und Argumente zur Diskussion über die nachfolgend aufgelisteten zehn Kernthesen. 1. Die Kernenergie ist sicherer als viele andere Technologien Wie jede Technologie ist die Kernenergie unter gewissen Voraussetzungen beherrschbar und kann sicher genutzt werden. Bei den meisten Pannen und Unfällen, wie das Tschernobyl und Fukushima erneut bestätigt haben, versagte nicht die Technik, sondern der Mensch. Voraussetzung für einen sicheren Betrieb ist die Einhaltung höchster Sicherheitsanforderungen. Sicherheitskultur beginnt bereits bei Konzeption und Bau einer Anlage, erstreckt sich über die gesamte Betriebsdauer und betrifft auch Entsorgung und Rückbau. 2. Internationale Sicherheitskonzepte tragen wesentlich zur Zuverlässigkeit und Akzeptanz der Kernenergie bei Viele Pannen und Unfälle sind auf menschliches Versagen und Fehlverhalten zurückzuführen. Was bei der Zivilluftfahrt schon lange Stand der Technik ist, sollte daher auch auf die Kernenergie angewendet werden. Bei der Luftfahrt werden nämlich alle Vorkommnisse, Störfälle und Unfälle systematisch analysiert, nicht um die Schuldigen zu ermitteln und zu bestrafen, sondern um daraus die Lehren zu ziehen und die Sicherheit laufend zu verbessern. Ein internationaler und offener Erfahrungsaustausch könnte auch bei der Nutzung der Kernenergie das Sicherheitsniveau weltweit angleichen und verbessern. XIII

XIV      Zehn Kernthesen

Hierzu bedarf es internationaler Behörden mit entsprechenden Kompetenzen, Normen und Regeln sowie regelmäßiger Sicherheitsüberprüfungen durch neutrale Experten gemäß entsprechenden Checklisten. Diese Expertenberichte sind uneingeschränkt zu veröffentlichen und die nationalen Bewilligungs- und Aufsichtsbehörden haben dafür zu sorgen, dass die in den Berichten beanstandenden Mängel von den Betreibern innerhalb gesetzter Frist behoben werden. 3. Die Kernenergie verursacht nur geringe Emissionen Die Auswirkungen der Kernenergie auf Mensch und Umwelt sind bei bestimmungsgemäßem Betrieb unerheblich; bei Unfällen können sie jedoch verheerend sein. Dies bedingt eine hohe Sicherheitskultur und entsprechende Notfallmaßnahmen. Das Problem der radioaktiven Abfälle ist eine große Herausforderung. Zur Lösung ist ein sozio-politischer Entscheidungsprozess unter Einbezug aller Stakeholder und in internationaler Zusammenarbeit unabdingbar. Die Notwendigkeit einer nachhaltigen und sicheren Entsorgung gilt jedoch nicht nur für radioaktive Abfälle, sie betrifft alle anthropogenen Schadstoffe und Rückstände. 4. Ein Ausstieg aus den fossilen Energieträgern ist temporär nicht ohne Kernenergie umsetzbar Der Stromverbrauch beträgt zwar heute nur gerade ein Viertel des Energieverbrauchs, er wird aber massiv zunehmen, wenn die Verwendung fossiler Energien reduziert wird. Es ist die Frage, ob sich dieser Mehrbedarf ohne Kernenergie decken lässt – erst recht, wenn einige Länder auf eine weitere Nutzung der Kernenergie verzichten. Die Kernenergie wird es uns erleichtern die Energiewende und damit den Ausstieg aus der CO2-Wirtschaft rasch zu vollziehen, denn dieser wird zu einem massiven Anstieg beim Strombedarf führen. Für die Übergangszeit können Abscheidung und Speicherung von CO2 zwar nützlich sein; sie sind jedoch auf die Dauer keine nachhaltige Lösung. 5. Die Kernenergie bleibt konkurrenzfähig Das volatile Angebot von subventioniertem Wind- und Sonnenstrom, der zeitweise im Überfluss anfällt, jedoch bislang nicht in großem Ausmaß gespeichert werden kann, führt zu einer Verzerrung des Europäischen Strommarktes, wie wir ihn bisher kannten. Der Strompreis darf aber nicht zum Gegenstand von Spekulationen werden. Wenn das zeitweilige

Zehn Kernthesen     XV

Überangebot an mit Steuergeldern subventioniertem grünem Strom unter Preis ins Ausland verkauft wird, sollte man das Konzept überdenken. Da Versorgungssicherheit und Netzstabilität ihren Preis haben, sollte der Konsument über den Strompreis auch für die Transport- und Rohstoffpreise (Wasserzinsen, Kohle, Öl-, Gas- und Uranpreis) aufkommen sowie für alle Sekundärkosten wie Bau, Erneuerung und Unterhalt der Infrastruktur und mindestens anteilmäßig auch für Ausbau und Ertüchtigung der Stromnetze in Richtung Smart Grid. Weiter sollten die Energiepreise auch zu den folgenden Bereichen einen Beitrag leisten: Forschung für neue Energiequellen, für Stromspeicherung, Sicherheit und Notfallschutz sowie für die Umstellung auf eine CO2-neutrale Mobilität und einen CO2-armen Warentransport. 6. Der Klimawandel ist eine ernsthafte Bedrohung für unsere und für die kommenden Generationen Möglicherweise ist der Klimawandel gar die größte Herausforderung in der Geschichte der Menschheit. Damit unser Planet auch in Zukunft noch für die Menschheit bewohnbar bleibt, muss unsere Wirtschaft den C ­ O2-Ausstoß in spätestens einer Generation auf null reduzieren. Zu warten, bis die Ölund Gasreserven der Erde aufgebraucht sind, was bereits in ein bis zwei Generationen der Fall sein dürfte, wäre unklug. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit eines raschen Ausstiegs aus den fossilen Brenn- und Treibstoffen. Eine Gesellschaft ohne fossile Brenn- und Treibstoffe muss somit das ­Hauptziel sein. 7. Die größte Herausforderung ist ein CO2-freier Personenverkehr und Gütertransport Verkehr und Warentransport auf Straße, Wasser und Luft basieren fast ausschließlich auf fossilen Treibstoffen, verursachen eine Drittel der CO2-Emis­ sionen und verbrauchen 60 % des Erdöls. Verkehr und Warentransport sind zudem auch mehrheitlich für die Belastung der Umwelt mit Abgasen und Schadstoffen verantwortlich, was gemäß WHO weltweit mehrere Millionen Tote pro Jahr fordert. Zusätzlich fordert der Straßenverkehr insgesamt jedes Jahr 1,35 Mio. Unfallopfer2.

2Gemäß

WHO sterben jährlich weltweit 1,35 Mio. Menschen bei Verkehrsunfällen (NZZ vom 07.12.2018). Dazu sagt der WHO-Direktor Tedros Adhanom Ghebreyesus «Das ist ein inakzeptabler Preis, den wir für die Mobilität zahlen.» [3].

XVI      Zehn Kernthesen

Die Befreiung der individuellen Mobilität und des Gütertransports von den fossilen Energien wird zu einem massiven Mehrbedarf beim Strom führen. In der Schweiz dürfte allein die Umstellung des privaten Autoverkehrs auf Elektroautos den Verbrauch an elektrischer Energie um mindestens ein Drittel erhöhen. Dieser Mehrbedarf lässt sich durch Strom aus Wind und Sonne erst decken, wenn das Problem der Stromspeicherung großtechnisch gelöst wird. 8. Eine europaweite Zusammenarbeit bei der Energieversorgung ist ­wichtiger als nationale Alleingänge  Europa wächst wirtschaftlich, politisch und sozio-kulturell immer stärker zusammen. Das schafft zwar eine gegenseitige Abhängigkeit, ermöglicht aber auch eine Zusammenarbeit in vielen Bereichen und stärkt die Solidarität und damit die Stellung Europas im globalen Rahmen. Es erleichtert zudem den Austausch von Waren, Energie und Dienstleistungen innerhalb Europas. Allerdings sind Rohstoffhandel und damit auch die Preise von Öl, Treibstoffen, Gas, Kohle und den anderen Rohstoffen immer mehr in den Händen der ölproduzierenden Länder oder von multinationalen Konzernen und entziehen sich meist staatlichem Einfluss. 9. Unsere Zukunft muss nachhaltig sein Zum 1. Januar 2016 hat die UNO die UN Sustainable Development Goals in Kraft gesetzt. Sie bestehen aus 17 Hauptzielen, ergänzt durch zahlreiche Unterziele und einem Zeitplan für deren Umsetzung. Diese Ziele sollen bis 2030 verwirklicht sein. Sie betreffen alle Länder der Erde, alle Bereiche unserer Gesellschaft und jeden einzelnen von uns. Alle Staaten wurden von der UNO gleichermaßen aufgefordert, die drängenden Herausforderungen der Welt gemeinsam anzugehen. 10. Globalisierung muss auch politisch und sozio-kulturell sowie unter Berücksichtigung der Menschenrechte umgesetzt werden Die Globalisierung ermöglicht eine praktisch unbegrenzte Mobilität, den weltweiten Austausch von Rohstoffen, Waren und Produkten jeglicher Art, aber auch von Informationen und Daten, von technischem Know-How, von Wissen und Bildung oder von medizinischer Versorgung. Was damit nicht Schritt gehalten hat, sind entsprechende Regeln für die Zusammenarbeit der Länder, Gesellschaften, Kulturen und Menschen. Die Nachhaltigkeitsziele der UNO und deren Unterziele umfassen daher auch die Themenbereiche Menschenrechte, Solidarität und respektvolles Verhalten, Gleichberechtigung und Selbstbestimmung – ganz besonders für

Zehn Kernthesen     XVII

der Frauen – Schutz der Kinder, stabile demokratische Strukturen, Schutz der Umwelt und der natürlichen Ressourcen. Was wir anstreben sollten, ist eine Welt im Sinne des Küng’schen Weltethos3, mit einem Codex von religionsneutralen Verhaltensgrundsätzen sowie von Wert- und Moralvorstellungen, die auf philosophisch-humanistischen Ansätzen, auf den Menschenrechten und auf gegenseitigem Respekt und Vertrauen aufbauen.

Literatur 2. Stiftung Weltethos https://www.weltethos.org/was_ist_weltethos/. Zugegriffen: 20 Juli 2019 3. Verkehrstote https://www.nzz.ch/panorama/jedes-jahr-135-millionen-verkehrstote-weltweit-ld.1442748. Zugegriffen: 31 Aug. 2019

3«Eine

Weltepoche, die anders als jede frühere geprägt ist durch Weltpolitik, Welttechnologie, Weltwirtschaft und Weltzivilisation, bedarf eines Weltethos.» Hans Küng, 1993 [2]

Inhaltsverzeichnis

1 Das Spiel mit dem Feuer 1 1.1 Die Entdeckung der Uran-Spaltung 1 1.2 Entwicklung, Bau und Test von Kernwaffen 5 1.3 Überwachung der Umweltradioaktivität 12 1.4 Die Genfer Konferenz «Atoms for Peace» 15 1.5 Die Nutzung der Kernenergie zur Stromerzeugung 15 Literatur 18 2 Folgen nuklearer Tätigkeiten 21 2.1 Hiroshima und Nagasaki 21 2.2 Kernwaffen-Testgelände und Folgen der Kernwaffenversuche 24 2.3 Andere Unfälle und Zwischenfälle mit Radioaktivität 28 2.4 Die Reaktorunfälle von Tschernobyl und Fukushima 35 2.5 Die Auswirkungen der Katastrophe von Tschernobyl 39 2.6 Die Folgen der Reaktorkatastrophe von Fukushima 47 2.7 Maßnahmen nach Tschernobyl und Fukushima 51 Literatur 53 3 Die Kernenergie als Herausforderung 57 3.1 Strahlenexposition in der Umgebung von Kernkraftwerken 58 3.2 Kinderleukämie in der Umgebung von Kernkraftwerken 63 3.3 Strahlenexposition der Mitarbeitenden in Kernkraftwerken 69

XIX

XX      Inhaltsverzeichnis

3.4 Zukünftige Nutzung der Kernenergie: Die Reaktorgenerationen I bis IV 72 3.5 Entsorgung radioaktiver Abfälle 77 3.6 Nuklearterrorismus, Sabotage und Cyberkriminalität 88 3.7 Strahlenangst und Risikowahrnehmung 93 Literatur 98 4 Wie gefährlich ist ionisierende Strahlung? 103 4.1 Einleitende Bemerkungen 104 4.2 Physikalische Betrachtungen 105 4.3 Die Antwort der Zelle auf Strahlung 121 4.4 Risiko-Projektions-Modelle 129 4.5 Dosis-Wirkungs-Beziehung 131 4.6 Risikofaktoren 134 4.7 Epidemiologische Studien 144 4.8 Abschließende Betrachtungen 149 Literatur 151 5 Mit welchen Risiken leben wir? 155 5.1 Risiken der Technik und Risikowahrnehmung 156 5.2 Die Kohleverstromung in Europa 165 5.3 Die PSI-Studie zu den Risiken der Stromerzeugung 167 5.4 Risiken durch Naturkatastrophen und Epidemien 170 5.5 Risiken der globalen Erwärmung 172 Literatur 176 6 Aussteigen oder die Sicherheit verbessern? 179 6.1 Aus der Kernenergie aussteigen oder weitermachen? 181 6.2 Ist die Kernenergie eine Bedrohung für uns? 184 6.3 Die ethische Frage bei der Kernenergie 186 6.4 Die nukleare Sicherheit muss verbessert werden 188 6.5 Gesetzgebung zu Nuklearen Sicherheit 192 6.6 Qualitätsmanagement und Sicherheitskultur 195 6.7 Dienstleistungen der IAEA im Bereich nukleare Sicherheit 198 Literatur 201 7 Notfallvorsorge und Bewältigung von Unfällen 205 7.1 Nukleare Sicherheit allein genügt nicht 206 7.2 Sechs Handlungsfelder 208 Literatur 216

Inhaltsverzeichnis     XXI

8 Die Kernenergie angesichts von Klimawandel und Energiekrise 219 8.1 Die Notwendigkeit der «Entkarbonisierung» 220 8.2 Der Klimawandel: reelle Bedrohung oder nur Hypothese? 222 8.3 Nachhaltige Entwicklung ist der Schlüssel für unsere Zukunft 226 8.4 Die UNO-Klimakonferenzen und wie weiter? 230 8.5 Energieerzeugung und Ressourcenverknappung 234 8.6 Versuch einer Stromprognose für die Schweiz im Jahr 2035 249 8.7 Intelligente Stromnetze, Stromspeicherung und CCS 254 8.8 Forschung zur Planung unserer Zukunft 256 Literatur 259 9 Wie weiter? 265 9.1 Die Büchse der Pandora 265 9.2 Unsere Verantwortung für den Planeten Erde 267 9.3 «Aber wehe, wehe, wehe! Wenn ich, auf das Ende sehe!» 270 9.4 Am Schluss bleibt (noch) die Hoffnung 271 Literatur 272 Weiterführende Literatur 273 Stichwortverzeichnis 277

Über den Autor

Hansruedi Völkle,  geboren am 10. Mai 1946 in Winterthur (Schweiz), wuchs in Andelfingen/ZH auf. Nach der Maturität Typus A im Jahr 1967 am Collège St-Michel in Freiburg/Schweiz studierte er Physik an der dortigen Universität. Er schloss 1973 mit dem Diplom ab und wurde wissenschaftlicher Mitarbeiter am Labor in Freiburg der Eidgenössischen Kommission zur Überwachung der Radioaktivität (KUER). Nach dem Reaktorunfall Tschernobyl von 1986 wurde das Labor als Sektion in die Abteilung Strahlenschutz des Schweizer Bundesamtes für Gesundheit (BAG) in Bern integriert. Von 1983 bis 2005 war Völkle Leiter dieses Labors und ab 1987 Sektionschef. Völkle promovierte 1980 bei Professor Otto Huber in Physik mit den Spezialgebieten Kernphysik und Strahlenschutz (Health Physics), wurde 1996 habilitiert (PD) und 2001 zum Titularprofessor ernannt. Von 1996 bis 2016 unterrichtete er an der Universität Freiburg in den Fächern Strahlenschutz, Kernphysik, Physik der Elementarteilchen und Astrophysik. In den Jahren 2007 bis 2016 war er zudem verantwortlicher Leiter des Bachelor-Studienprogrammes in Umweltwissenschaften. XXIII

XXIV      Über den Autor

Als Leiter des Sektion Überwachung der Radioaktivität war Völkle verantwortlich für die Koordination des nationalen Programmes zur Überwachung der Umweltradioaktivität des BAG und Redaktor der entsprechenden Jahresberichte. Von 1989 bis 1992 war er Mitglied des Direktoriums des Deutsch-Schweizerischen Fachverband für Strahlenschutz (FS) und ist seit 2007 im Redaktionskomitee von dessen Fachzeitschrift StrahlenschutzPraxis. Von 1987 bis 2005 leitete er die Arbeitsgruppe Strahlenschutz der DeutschSchweizerischen Kommission für die Sicherheit kerntechnischer Einrichtungen (DSK); er war von 2002 bis 2005 Mitglied der entsprechenden Französisch-Schweizerischen Kommission (CFS). ­ Völkle war 2006 bis 2010 Präsident der Freiburger Naturforschenden Gesellschaft und ist seit 1997 Redakteur von dessen Bulletin. Während seiner Tätigkeit für die Eidgenössische Kommission zur Überwachung der Radioaktivität und für das BAG betreute er Diplom-, Master- und Doktorarbeiten sowie Praktikanten an der Universität Freiburg. Er ist Autor bzw. Mitautor von rund 180 Publikationen und Fachbeiträgen im Bereich Strahlenschutz, Umweltradioaktivität und Strahlenmesstechnik.

Abkürzungsverzeichnis

Aktiniden Gruppe von chemischen Elementen von Actinium (Ordnungszahl 89) bis Lawrencium (Ordnungszahl 103) Albedo Maß für das Rückstrahlvermögen (Reflexionsstrahlung) von diffus reflektierenden, also nicht selbstleuchtenden Oberflächen ALL Akute lymphatische Leukämie AM Air Mass (Luftmasse). Gibt bei den Standardbedingungen für Solarzellen an, wie viele Luftmassen der Erde das Sonnenlicht durchqueren muss. Bei diesen Standardbedingungen beträgt der Wert 1,5 AM, da die Sonne meist nicht senkrecht auf die Solarpanel auftrifft. AML Akute myeloische Leukämie Apoptose Programmierter Zelltod; von außen angeregt oder als zellinterner Prozess. Im Gegensatz zur Nekrose wird er von der Zelle selbst durchgeführt ohne Schädigung des Nachbargewebes. ASN Aviation Safety Network b (barn) Barn. Mass für den Wirkungsquerschnitt bei Kernreaktionen; 1 b = 10–24 cm2 BAFU Schweizer Bundesamt für Umwelt BAG Schweizer Bundesamt für Gesundheit BEF Schweizer Bundesamt für Energie BEIR National Academy of Sciences Advisory Committee on the Biological Effects of Ionizing Radiation. Eine von der US-amerikanischen Akademie der Wissenschaften gebildete Arbeitsgruppe aus Medizinern und Physikern, die sich mit den Gesundheitsrisiken von ionisierenden Strahlen im Niedrigdosisbereich befasst und in unregelmäßigen Abständen Berichte veröffentlicht. BFS Schweizer Bundesamt für Statistik XXV

XXVI      Abkürzungsverzeichnis

BRICS Die Länder Brasilien, Russland, Indien, China, Südafrika Bq Bq (Bequerel) ist die Maßeinheit für die Radioaktivität. 1 Bq entspricht einem Zerfall pro Sekunde. CDR Carbon Dixiode Removal CFS Commission Franco-suisse de Sûreté Nucléaire et de Radioprotection Ci Ci (Curie) ist die alte Einheit für die Radioaktivität, 1 Ci = 3,7  · 1010 Bq CI Konfidenz-Intervall (auch Vertrauensbereich oder Erwartungsbereich); bei Statistiken das Intervall, dass mit der gegebenen Wahrscheinlichkeit die wahre Lage des betreffenden Parameters einschließt CLL Chronische lymphatische Leukämie CML Chronische myeloische Leukämie CO2-Äquivalent Angaben der Emissionen von Treibhausgasen, umgerechnet in einen CO2-Ausstoß, der die gleichen Auswirkungen auf das Klima hat CODIRPA Comité directeur pour la gestion de la phase post-accidentelle d’un accident nucléaire ou d’une situation d’urgence radiologique COP21 Conference of Parties, beim Klimaprogramm der UNO; die COP21 fand in Paris statt. COPD Chronic obstructive pulmonary disease CCS Carbon Capture and Storage CTBT Comprehensive Nuclear Test Ban Treaty. Umfassendes ­Kernwaffenstopp-Abkommen, ist aber immer noch nicht in Kraft (1996) CTBTO Comprehensive Nuclear Test Ban Treaty Organisation DALY Disability-Adjusted Life Years Lost DDREF Dose and Dose Rate Effectiveness Factor DNA Desoxyribonukleinsäure DSB Doppelstrangbruch bei Chromosomen DSK Deutsch-Schweizerische Kommission für die Sicherheit kerntechnischer Einrichtungen EIR Eidgenössisches Institut für Reaktorforschung (Schweiz) 1960–1988 EMPA Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt ENEA European Nuclear Energy Agency ENSI Eidgenössisches Nuklearinspektorat. Schweizer Aufsichtsbehörde für die Kernanlagen (hieß früher HSK) EPA U.S. Environmental Protection Agency EPR European Pressurized Reactor; ein Kernreaktor der Generation III+ ERR Excess Relative Risk

Abkürzungsverzeichnis     XXVII

e Elementarladung: e ≈ 1,602 · 10−19 C; Ladung eines Elektrons e+, e− Symbol für Elektron bzw. Positron eV Elektronenvolt. Energieeinheit der Kernphysik, 1 eV = 1,602  · 10−19 As. 1 eV ist die Energie eines Elektrons, das mit einer Spannung von 1 V beschleunigt wurde. FCKW Fluorchlorkohlenwasserstoffe; werden als Treibgase, Kältemittel und Lösungsmittel verwendet f (Femto) Präfix für 10−15 FS Fachverband für Strahlenschutz: Strahlenschutzfachgesellschaft von Deutschland und der Schweiz G (Giga) Giga, Präfix für 109 GuD Gas- und Dampf-Kombikraftwerk GWh Gigawatt-Stunden. Energieeinheit, 1 GWh = 3,6 TJ Gy Gray. Einheit für die absorbierte Dosis (Energiedosis) HAA Hoch aktiver (radioaktiver) Abfall HFC Halogenierte Fluorkohlenwasserstoffe HR Homologous Recombination bei der DNA-Reparatur HSK Hauptabteilung für die Sicherheit der Kernanlagen (Schweiz), heute ENSI HWZ Halbwertszeit, auch T1/2 (radioaktiver Zerfall) IAEA International Atomic Energy Agency IATA International Air Transport Association IARC International Agency for Research in Cancer ICAN International Campaign to Abolish Nuclear Weapons ICAO International Civil Avition Organization ICRP International Commission for Radiological Protection ICRU International Commission on Radiation Units and Measurement INES International Nuclear Event Scale. Dienstleistung der IAEA, Wien/A IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change IPPAS International Physical Protection Advisory Service. Dienstleistung der IAEA, Wien/A IRPA International Radiation Protection Association IRRS International Regulatory Review Service. Dienstleistung der IAEA, Wien/A Isotope Atome mit gleicher Protonen- oder Ordnungszahl, aber unterschiedlicher Massenzahl (d. h. sie haben unterschiedlich viele Neutronen), z. B. 11C, 12C, 13C, 14C J (Joule) Joule, SI-Einheit für die Energie, 1 J = 1 kg m2/s2 = 1  Nm K (Kelvin) Absolute Temperatur (über dem absoluten Nullpunkt von −273,15 °C)

XXVIII      Abkürzungsverzeichnis

KEG Schweizer Kernenergiegesetz vom 21.03.2003 KEV Schweizer Kernenergieverordnung vom 10.12.2004 keV Kilo-Elektronvolt. Energieeinheit in der Kernphysik, 1 keV = 1000  eV KI Kalium-Iodid; (Vorbeugende) Gabe von KI-Tabletten bei einem Strahlenunfall; durch Sättigung der Schilddrüse mit inaktivem Jod wird vermieden, dass diese in einer Unfallsituation radioaktives Jod aufnimmt. KKW Kernkraftwerk; oft wird auch der Term Atomkraftwerk benutzt, der aber aus Sicht der Physik nicht korrekt ist, da hier nicht die atomaren Bindungsenergie genutzt wird, sondern die viel stärkere Kernbindungsenergien. Kollektivdosen Summe der Strahlendosen einer von einem Ereignis direkt betroffenen Bevölkerungsgruppe; wird auch bei beruflich strahlenexponierten Personen gebraucht; Einheit ist das Personen-Sv (früher auch Man-Sievert) KomABC Eidgenössische Kommission für ABC-Schutz (Schweiz) KSR Eidgenössische Kommission für Strahlenschutz (Schweiz). Sie entstand 2001 aus der Fusion der Eidgenössischen Kommission für Strahlenschutz (EKS) und der Eidgenössischen Kommission für die Überwachung der Radioaktivität (KUER). kt Kilotonne. Maß für die Sprengkraft von Kernwaffen im Vergleich zu konventionellem Sprengstoff; 1 kt = 1000 Tonnen TNT-Äquivalent KUER Eidgenössische Kommission zur Überwachung der Radioaktivität (Schweiz), 1956–1986 kWh Kilowattstunde. Energieeinheit: 1 kWh = 3600  J LCE Low Carbon Economy LET Linear Energy Transfer. Maß für die Energiedeposition pro Einheit der Weglänge in Materie von ionisierender Strahlung; meist in keV/μm LD50 Semi-Letaldosis. Dosis, bei der 50 % Überlebenschance bestehen LD100 Letaldosis; kein Überlebenschance LNT Linear No Threshold Hypothesis bei der Strahlenwirkung m (Milli) Präfix für 10−3 M (Mega) Präfix für 106 Morbidität Erkrankungshäufigkeit einer Population (bezüglich einer Ursache) Mortalität Sterblichkeit oder Sterberate einer Population (bezüglich einer Ursache) MOX Mischoxid-Brennelemente (mit Beimischung von Pu)

Abkürzungsverzeichnis     XXIX

MWth Mega-Watt, thermische Leistung einer Wärmekraftmaschine z. B. KKW MWinst Mega-Watt, installiert Leistung z. B. einer Windkraftanlage MWe Mega-Watt, elektrische Leistung einer Wärmekraftmaschine, z. B. KKW N (Newton) Einheit für die Kraft; 1 N = 1  kgm/s2 n Symbol für das Neutron n (Nano) Präfix für 10−9 NAGRA Nationale Genossenschaft für die Endlagerung radioaktiver Abfälle (Schweiz) NEA Nuclear Energy Agency NFSV Verordnung über den Notfallschutz in der Umgebung von Kernanlagen (Schweiz) Nekrose Zerfall einer oder mehrere Zellen. Die Nekrose ist pathologisch, also krankhaft; es kommt zu Entzündungsreaktionen und Schäden bei Nachbargewebe. NHEJ Non Homologous End Joining bei der DNA-Reparatur NIR/NIS Non Ionizing Radiation/Nicht-ionisierende Strahlung NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration (USA) NPT Non Proliferation Treaty, Vertrag über die Nichtweiterverbreitung von Kernwaffen, Spaltstoffen und dem entsprechenden Know-How OECD Organisation for Economic Co-operation and Development OPERRA Open Project for European Radiation Research Area OR Odds Ratio (bei Fallkontrollstudien) OSART Operational Safety Review Team. Dienstleistung der IAEA, Wien/A OSPAR Oslo-Paris Convention. Vertrag zum Schutz der Nordsee und des Nordatlantiks (vor allem vor der Meeresversenkung radioaktiver Abfälle) p Symbol für das Proton p (Pico) Präfix für 10−12 Personen-Sv Einheit für die Kollektiv-Dosis: Summe der Dosen der Individuen einer exponierten Population PFC Perfluorierte Kohlenwasserstoffe ppm Parts per million; auch ppmv, 1 ppmv = 1/1000 Volumenprozent PSI Paul Scherrer Institut (Schweiz) PTBT Partial Test Ban Treaty. Abkommen zum Stopp der Kernwaffenversuche in der Atmosphäre, im Weltraum und in den Meeren PTSD Post Traumatic Stress Disorder: Posttraumatische Belastungsstörung RERF Radiation Effects Research Foundation (Japan, USA)

XXX      Abkürzungsverzeichnis

RNA Ribonukleinsäure RR Relative Risk (bei Kohortenstudien) ROS Reactive Oxygen Species: Reaktive Sauerstoffradikale haben in hoher Konzentration schädliche Auswirkungen und führen zu oxidativem Stress. SIN Schweizerisches Institut für Nuklearforschung, Villigen/AG SMA Schwach und mittelaktive (radioaktive) Abfälle SSB Single-Strand-Break bei Chromosomen StFV Verordnung über den Schutz vor Störfällen (Schweiz) StSV Schweizerische Strahlenschutzverordnung vom 26.04.2017 Sv (Sievert) Dosiseinheit für die Äquivalent- und effektive Dosis. 1 Sv = 1 J/kg Organ oder Gewebe TEPCO Tokyo Electric Power Company, Betreiber des Kernkraftwerks Fukushima T1/2 Halbwertszeit, auch HWZ radioaktiver Substanzen T (Tera) Präfix für 1012 TJ Terajoule, Energieeinheit; 1 TJ = 1012 J ≈ 278.000 kWh Transurane Chemische Elementen mit Ordnungszahlen größer als 92 (d. h. größer als die des Urans) TTBT Threshold Test Ban Treaty, Abkommen zur Begrenzung von Kernwaffenversuchen auf 150 kt TNT-Äquivalent TWh Terawattstunde. Energieeinheit 1 TWh = 3600 TJ UVEK Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation (Schweiz) UNEP United Nations Environment Programme UNSCEAR United Nations Scientific Commitee on the Effects of Atomic Radiation W (Watt) Physikalische Einheit für die Leistung; 1 W = 1  J/s WENRA Western European Nuclear Regulators Association WHO World Health Organisation WMO World Meteorological Organisation wR Strahlen-Wichtungsfaktor bei der Umrechnung von absorbierter Dosis (Gy) (Energiedosis) in Organ-Äquivalentdosis (Sv) wT Geweben-Wichtungsfaktor zur Berechnung der effektiven Dosis (Sv) aus den gewichteten Organ-Äquivalentdosen der einzelnen Organe und Gewebe YOLL Years of Life Lost ZWILAG ZwischenlagerWürenlingen, Schweiz

Griechische Buchstaben

α (Alpha) Alpha-Teilchen (Heliumkern, bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen, 2 positive Ladungen), wird beim radioaktiven Alpha-Zerfall emittiert β (Beta) Beta-Teilchen (Elektron e− oder Positron e+, eine negative oder eine positive Ladung), wird beim radioaktiven Beta-Zerfall emittiert oder eingefangen beim sogenannten K-Einfang (Electron capture) γ (Gamma) Gamma-Strahlung ist hochenergetische elektromagnetische Strahlung, die beim radioaktiven Zerfall aus dem Kern emittiert wird (im Gegensatz zur Röntgenstrahlung, die zwar von der gleichen Natur ist, aber aus der Elektronenhülle des Atoms kommt) ε (Epsilon) Symbol für den K-Einfang beim β-Zerfall benutzt η (Eta) Wirkungsgrad, z. B. beim Carnot-Prozess einer Wärmekraftmaschine ϑ (Theta) Streuwinkel beim Comptoneffekt λ (Lambda) Zerfallskonstante [s−1]; λ = ln 2/HWZ; ln 2 ≈ 0,693 κ (Kappa) Wahrscheinlichkeit bei dem Paarbildungseffekt μ (Micro) Präfix für 10−6. μ wird auch für den linearen Schwächungskoeffizienten verwendet ν (Nü) Symbol für das Neutrino, ein elektrisch neutrales Elementarteilchen mit sehr geringer Masse π (Pi) Kreiszahl; π ≈ 3141 Symbol für das Pi-Meson ρ (Rho) Dichte [g/cm3] σ (Sigma) Wirkungsquerschnitt bei Kernreaktionen mit der Maßeinheit b (Barn) Wahrscheinlichkeit beim Comptoneffekt Stefan-Bolzmann-Konstante: σ ≈ 5.67 · 10−8 W/m2 K4 XXXI

XXXII      Griechische Buchstaben

τ (Tau) Mittlere Lebensdauer eines radioaktiven Isotopes Wahrscheinlichkeit beim Photoeffekt Symbol für ein Elementarteilchen ϕ (Phi) Teilchenfluss von ionisierender Strahlung [cm−2 s−1] ψ (Psi) Energiefluss von ionisierender Strahlung [MeV · cm−2 s−1]

1 Das Spiel mit dem Feuer

Die Entdeckung der Kernspaltung erschloss der Menschheit eine neue Energiequelle. Leider blieb es nicht bei der «friedlichen Nutzen», denn im August 1945 wurden die japanischen Städte Hiroshima und Nagasaki durch Atombomben zerstört. Bis in die 90er-Jahre kam es in der Folge zu einem Wettrüsten der Großmächte. Während des kalten Krieges wurde das nukleare Waffenarsenal in Ost und West zu einer permanenten, gegenseitigen Bedrohung, zu einem labilen Gleichgewicht des Schreckens. Mit der Genfer Konferenz «Atoms for Peace» von 1955 trat die Kernenergie als neuer Prozess der Energiegewinnung in den Vordergrund, zunächst begrüßt mit großer Euphorie, die dann später in vielen Ländern einer kritischen Einstellung oder gar einer Ablehnung Platz machte. Kernspaltung, Radioaktivität und ionisierende Strahlung haben heute zahlreiche Anwendungen in Forschung, Medizin und Technik. Möchten wir wirklich darauf verzichten?

1.1 Die Entdeckung der Uran-Spaltung Die Kernspaltung wurde am 17. Dezember 1938 durch die deutschen Wissenschaftler Otto Hahn (1879–1968) und Fritz Strassmann (1902– 1980) entdeckt. In ihrem Labor am Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie in Berlin-Dahlem beschossen sie Uran mit Neutronen und stießen dabei unerwartet auf das Element Barium. Lise Meitner (1878–1968), eine © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 H. Völkle, Kernenergie, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59301-1_1

1

2     H. Völkle

österreichische Physikerin, fand zusammen mit ihrem Neffen Otto Frisch (1904–1979) die wissenschaftliche Erklärung. In einer Veröffentlichung in der Zeitschrift Nature [14] beschreibt sie, wie der Urankern durch die Neutronenanregung in zwei Teile zerfällt, denn beim Experiment von Hahn und Strassmann war Barium (140Ba) eines der entstandenen Bruchstücke. Diese Reaktion setzt große Energiemengen frei und emittiert zusätzlich ein bis drei Neutronen, die dann weitere Urankerne zur Spaltung anregen. So entsteht eine sich selbst erhaltende, nukleare Kettenreaktion, die Energie erzeugt. Für diese durch thermische Neutronen1 induzierte Kernspaltung eignen sich nur drei Isotope: •

235U,

das heute nur noch 0,72 % des Natur-Urans ausmacht; die restlichen 99,28 % bestehen aus dem Isotop 238U. Für Leichtwasserreaktoren muss 235U auf drei bis vier Prozent angereichert werden; für die Verwendung in Atombomben ist eine Anreicherung auf 80 % oder mehr erforderlich. • 239Pu, das in der Natur nur in winzigen Mengen vorkommt und in Brutreaktoren aus 238U hergestellt werden muss. • 233U, das in der Natur ebenfalls nicht vorkommt und nur im Brutreaktor erzeugt werden kann, in diesem Fall jedoch aus dem 232Th.

Die Kernspaltung mit thermischen Neutronen ist bei diesen drei Isotopen deshalb möglich, weil deren Neutronenzahl ungerade ist (Abb. 1.1). Das letzte Neutron ist nur schwach gebunden und vermindert die Stabilität des Kerns. Ein einfallendes Neutron regt diesen zum Schwingen an, was schließlich zum Zerplatzen in zwei Bruchstücke führt. Gewisse schwere Kerne können auch spontan spalten, mit allerdings geringerer Wahrscheinlichkeit. Otto Hahn2 wurde 1944 für seine Entdeckung mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet, jedoch ohne Liese Meitner und seinen Assistenten Fritz Strassmann. Frau Meitner wurde in der Nobelpreis-Präsentation lediglich durch Professor Arne F. Westgren (1889–1975) erwähnt.

1Thermische Neutronen sind langsame, freie Neutronen mit kinetischer Energie unter 0,1 eV; bei Raumtemperatur ist Ekin = (3/2)kBTabs ≈ 0,039 eV. Hier ist kB die Boltzmannkonstante und Tabs die absolute Temperatur in Kelvin (K). 2Dass sich Otto Hahn der Tragweite seiner Entdeckung durchaus bewusst war, ist einer Aussage von Liese Meitner zu entnehmen: «Hahns folgenreichste Leistung ist zweifellos die Entdeckung der Uranspaltung, die zur Erschließung einer fast unerschöpflichen Energiequelle mit sehr eingreifenden Anwendungsmöglichkeiten – zum Guten oder Bösen – geführt hat. Wie sehr Hahn die Beschränkung auf friedliche Ausnutzung der Atomenergie am Herzen liegt, geht aus vielen seiner Reden und Vorträge hervor.» [13].

1  Das Spiel mit dem Feuer     3

Abb. 1.1  Ausschnitt aus der Nuklidkarte: Schwarz eingefärbt oder umrandet sind die Ausgangsnuklide der drei natürlichen Zerfallsreihen 232Th, 238U und 235U. Angegeben sind die Halbwertszeiten der Nuklide und die Wirkungsquerschnitte (σf und σc) für den Einfang von thermischen Neutronen. Der Wirkungsquerschnitt wird in der Einheit Barn angegeben (1 b = 10−24 cm2). Dies entspricht etwa dem Querschnitt eines mittelschweren Atomkerns mit einem Durchmesser von 11 fm, also 1,1·10−14 m. Grau eingefärbt sind die mit thermischen Neutronen spaltbaren Nuklide 235U, 233U und 239Pu die in Bomben oder Reaktoren Verwendung finden. Sie haben alle eine ungerade Neutronenzahl und damit auch einen hohen Wirkungsquerschnitt für Spaltung durch thermische Neutronen (σf); deren Wirkungsquerschnitt für Neutronenaktivierung durch Neutroneneinfang (σc) ist dagegen eher klein [11]

Die Energiebilanz der Kernspaltung Die Spaltung eines einzigen 235U-Kerns liefert rund 200 MeV,3 das sind rund 32 pJ oder 9 · 10−18 kWh. Den größten Teil dieser Energie, nämlich 167 MeV, macht die kinetische Energie der Spaltfragmente aus. Die Spaltung von 1 kg 235U erzeugt 8,38 · 1010 kJ, das sind rund 24.000 MWh.

3eV ist die in der Kern- und Teilchenphysik verwendete Energieeinheit mit 1 eV = 1,602 · 10−19 J (Ws) = 4,45 · 10−26 kWh. Dabei ist 1 keV = 1000 eV und 1 MeV = 106 eV.

4     H. Völkle Diese Energie ergibt sich aus der Massendifferenz zwischen dem Urankern und den beiden Spaltfragmenten, zuzüglich der Massen der absorbierten und der emittierten Neutronen, umgewandelt in Energie entsprechend der Einstein-Formel E = mc2. Die Kernbindungsenergie beträgt einige MeV, die chemische oder atomare Bindungsenergie zwischen den Atomen eines Moleküls jedoch nur einige eV; sie ist also rund eine Million Mal schwächer. Deshalb liefert ein Gramm Natururan, bestehend aus rund 99,28 % 238U und 0,72 % 235U, bei der Kernspaltung des darin enthaltenen Anteils an 235U rund 20.000-mal mehr Energie als die Verbrennung von einem Gramm Steinkohle.

Diese Entdeckung stimulierte optimistische Wissenschaftler auf beiden Seiten des Atlantiks. Es war die Zeit des Zweiten Weltkriegs und sie spekulierten über die Entwicklung einer neuartigen Waffe mit bis dahin unerreicht großer Sprengkraft, aber auch über die Möglichkeit der Energiegewinnung in Kernreaktoren. Kritischer eingestellte Forscher warnten vor solchen Anwendungen und sahen schon damals in dieser neuen Energie eine Büchse der Pandora, also eine Bedrohung der Menschheit, von der man besser die Finger lassen sollte. Bereits 1942 konstruierte Enrico Fermi (1901–1954) zusammen mit Leó Szilárd (1998–1964) und weiteren Wissenschaftlern in Chicago den ersten Kernreaktor Chicago Pile-1 [5]. Im Gegensatz zur Atombombe, bei der die gesamte Energie innerhalb des Bruchteils einer Sekunde unkontrolliert freigesetzt wird, kann beim Reaktor die Kettenreaktion gesteuert und damit auch jederzeit gestoppt werden. Dies ermöglicht, die kontrolliert erzeugte Wärme via einen Dampfkreislauf zum Antrieb einer Turbine mit Generator und damit zur Stromproduktion zu nutzen. Wie bei jeder Wärmekraftmaschine entstehen, bedingt durch den Carnot-Wirkungsgrad4, etwa zwei Drittel Abwärme, die technisch nicht genutzt werden kann, zu einem geringen Anteil allenfalls zur Erzeugung von Fernwärme. Der Einstein-Roosevelt-Briefwechsel Der berühmte Brief von Albert Einstein vom 2. August 1939 an den damaligen amerikanischen Präsidenten Franklin D. Roosevelt hat die Welt verändert. Sowohl er als auch sein Mitverfasser Leó Szilárd waren sich damals wohl kaum bewusst, was dieser Brief für Folgen haben würde. Einige Sätze aus Einsteins Brief: «Some recent work by E. Fermi and L. Szilárd … leads me to expect that the element uranium may be turned into a new and important source of energy …

4Der ­ Carnot-Wirkungsgrad einer thermischen Maschine ist ηC = (TA − TE )/TA; TA und TE sind die Temperaturen in Kelvin des Kühlmittels vor und nach der Energieentnahme.

1  Das Spiel mit dem Feuer     5

I believe therefore that it is my duty to bring to your attention the following facts and recommendations … that it may become possible to set up a nuclear chain reaction in large mass of uranium, by which vast amounts of power und large quantities of new radium-like element would be generated. … this new phenomenon would also lead to the construction of bombs, and it is conceivable … that extremely powerful bombs of a new type may thus be constructed. A single bomb of this type, carried by boat and exploded in a port, might very well destroy the whole port together with some of the surrounding territory. I understand that Germany has actually stopped the sale of uranium from the Czechoslovakian mines which she has taken over. That she should have taken such early action might perhaps be understood on the ground that the son of the German Under-Secretary of State, von Weizsäcker, is attached to the Kaiser-Wilhelm-Institut in Berlin where some of the American work on uranium is now being repeated.» [6] In einem Punkt jedoch irrte sich Einstein, denn die Bomben wurden bei Einsatz in Hiroshima und Nagasaki vom 6. und 9. August 1945 sehr wohl aus einem Flugzeug abgeworfen: «However, such bombs might very well prove to be too heavy for transportation by air.» [6] Roosevelt antwortete am 19. Oktober 1939: «I found this data of such import that I have convened a Board consisting of the head of the Bureau of Standards and a chosen representative of the Army and Navy to thoroughly investigate the possibilities of your suggestions regard the element of uranium.» [6]

1.2 Entwicklung, Bau und Test von Kernwaffen Der menschlichen Neugierde sind keine Grenzen gesetzt. Der Fortschritt von Wissenschaft und Technik lässt sich nicht aufhalten, und damit auch nicht die Suche nach Anwendungen dieser neuen Entdeckung. Die Erfahrung zeigt, dass die Euphorie bei der Entdeckung einer neuen Technologie kritische Stimmen, die vor möglichen negativen Folgen warnen, rasch zum Schweigen bringt. So starteten denn die USA das Manhattan Projekt5 zur Entwicklung der Atombombe [16]. Auslöser war der berühmte Brief von Albert Einstein (1879–1955) und Leó Szilárd vom August 1939 an den amerikanischen Präsidenten Franklin D. Roosevelt (1882–1945). Das Projekt stand unter der wissenschaftlichen Leitung von J. R. Oppenheimer (1904–1967), während die militärischen Führung bei General L. R. Groves (1896–1970) lag. Dieses unter höchster Geheimhaltung durchgeführt 5Ab

1942 mit zeitweise bis 100.000 Mitarbeitenden und einem (nach heutiger Kaufkraft) finanziellen Gesamtaufwand von 25,8 Mrd. US$.

6     H. Völkle

Forschungsprogramm führte zur Entwicklung der ersten Atombombe, die am 16.7.1945 in der Wüste Nevada erfolgreich getestet wurde. Die Physiker, die hinter dem Vorschlag von Einsteins Brief standen, befürchteten, dass das Nazi-Regime bereits ein solches Forschungsprogramm gestartet hätte. Es war nämlich bekannt, dass Deutschland die Uranminen in der damaligen Tschechoslowakei besetzt hatte und große Mengen Schwerwasser aus Norwegen beschaffte. Sie kamen deshalb zur Überzeugung, dass die USA als erste Nation über eine einsatzfähige Atombombe verfügen sollte. Erst nach dem zweiten Weltkrieg wurde bekannt, dass das deutsche Vorhaben unter Werner Heisenberg6 (1901–1976) noch nicht soweit fortgeschritten war. Am amerikanischen Kernwaffenprogramm waren zahlreiche Wissenschaftler beteiligt, darunter 21 Nobelpreisträger. Viele waren in den 30er-Jahren aus Europa in die USA ausgewandert. Zur Geheimhaltung ­ arbeiteten die bekanntesten von ihnen unter einem Pseudonym, der italienische Physiker Enrico Fermi als Henry Farmer oder der Däne Nils Bohr (1885–1962) als Nicholas Baker. Nachdem die erste Bombe am 16. Juli 1945 bei Alamogordo in New Mexico mit Erfolg erprobt werden konnte, beschloss der neue amerikanische Präsident Harry S. Truman (1884–1972) mit dieser neuen Waffe die japanische Kapitulation zu erzwingen. Die USA bombardierten am 6. beziehungsweise 9. August 1945 die Städte Hiroshima und Nagasaki (Abb. 1.2). Zwischen 90.000 und 166.000 Tote in Hiroshima und 60.000 bis 80.000 in Nagasaki waren die Folgen dieser Bombardierung. War die Bombadierung in Japan nötig? Die Frage, ob Japan auch ohne die Bombardierung von Hiroshima und Nagasaki kapituliert hätte, muss wohl Spekulation bleiben. Es wird vermutet, dass die sowjetische Kriegserklärung an Japan vom 8. August 1945, die das Land zu einen Zweifrontenkrieg zwang, beim japanischen Militär – oder zumindest beim japanischen Kaiser, dessen Rolle beim territorialen Expansionskrieg Japans noch immer unklar ist – zur Einsicht führte, dass die Situation Japans ausweglos geworden sei. Am 15. August verkündete Kaiser Hirohito (1901–1989) in einer reichsweit ausgestrahlten Radioansprache die bedingungslose Kapitulation des japanischen Kaiserreichs. Die entsprechende Erklärung wurde am 2. September 1945 auf dem Schlachtschiff USS Missouri von Vertretern der japanischen Regierung, im Beisein des alliierten Oberkommandierenden General Douglas MacArthur (1880–1964), unterzeichnet.

6Weitere am deutschen Uranprojekt beteiligte Wissenschaftler waren Carl Friedrich von Weizsäcker, Otto Hahn, Max von Laue, Manfred von Ardenne und Walther Bothe.

1  Das Spiel mit dem Feuer     7 Typ der Atombombe: Links Gun Type (235U); Rechts Implosion Type (239Pu) Durch Zusammenpressen der beiden 235U-Massen wird die Anordnung krisch und eine Neutronenquelle löste die nukleare Keenreakon aus.

konvenonelle Sprengladung

zwei unterkrische 235U-Massen Sprengladungen

komprimierte 239Pu-Masse

Abb. 1.2  235Uran-Bombe nach dem Prinzip des «Gun Type» und dem «Implosion Type»

Neutronenquelle zur Auslösung der nuklearen Keenreakon 239Pu-Bombe

nach

Bei Hiroshima wurde eine Uran-Bombe vom sogenannten Gun Type eingesetzt. Sie bestand aus hochangereichertem 235U. Für Kernwaffen sind etwa 80 % Anreicherung von 235U erforderlich, denn Natururan enthält nur 0,72 % 235U und besteht überwiegend aus dem Isotop 238U. In Nagasaki wurde eine Bombe vom Typ Implosion verwendet. Sie bestand aus 239Pu. Dieses Isotop kommt in der Natur praktisch nicht vor, muss also in Kernreaktor aus 238U durch Neutroneneinfang erbrütet werden durch die Reaktion 238U + n → 239U + β− → 239Np + β− → 239Pu.7 In den darauffolgenden Jahren folgte in einer Art Kernwaffen-Euphorie ein Wettrüsten der Großmächte USA, England, Sowjetunion, Frankreich und China sowie weiteren Ländern, bei dem Kernwaffentests im Ausmaß von mehreren Tausend Tonnen TNT-Äquivalent8 durchgeführt wurden, wovon etwa ein Viertel in der Atmosphäre; die übrigen Test wurden unterirdisch in 200 bis

7Eine Alternative zur Erbrütung von 239Pu aus 238U wäre die Herstellung des dritten Spaltstoffes 233U aus 232Th durch die Reaktion 232Th (n,γ) → 233Th + β− → 233Pa + β− → 233U. Da die Thorium-Reserven der Erde rund dreimal größer sind als jene von Uran, könnte dieses Element für die Zukunft aus energiepolitischen Gründen von Interesse sein [12]. 8TNT = Trinitrotoluol als Äquivalent eines klassischen Sprengstoffs: 1 kg TNT ≈ 4,2 · 106 J.

8     H. Völkle 120 100

 1963 PTBT (ohne Frankreich u. China)

80

 1974 TTBT

 1996 CTBT (nicht in Kra)

60 40 20 0 -20 -40

-60 -80

1950

1960 USA (a) China (a) USA (u) China (u)

1970 USSR (a) India (a) USSR (u) India (u)

1980

1990 UK (a) Pakistan (a) UK (u) Pakistan (u)

2000

2010 France (a) North K. (a) France (u) North K. (u)

Abb. 1.3  Kernwaffenversuche 1945 und 2017: ↑ atmosphärisch, ↓ unterirdisch. (Nach [2, 4])

800 m tiefen Bohrungen durchgeführt. Die Versuche in der Atmosphäre trugen am meisten zur Zunahme der Radioaktivität bei, während bei den unterirdischen Tests in der Regel weniger oder keine Radioaktivität freigesetzt wurde. Die Politiker und die Militärs hatten Blut gerochen, die Atombombe genügte nicht mehr, man wollte eine noch stärkere Bombe: die Wasserstoffbombe. Bei der sogenannten Drei-Phasen-Bombe oder FFF9-Bombe wird nicht nur die bei der Kernspaltung an schweren Elementen frei werdende Energie ausgenutzt, sondern auch jene aus der Verschmelzung leichter Kerne. Die führenden Köpfe bei der Entwicklung der amerikanischen Wasserstoffbombe waren Edward Teller (1908–2003) und Stanislaw Ulam (1909–1984).10

9Die ­ Fission-Fusion-Fission (FFF) basiert auf dem sogenannten Teller-Ulam-Prinzip. Eine klassische Atombombe aus hochangereichertem 235U oder im Brutreaktor erzeugtem 239Pu wird als Zünder benutzt, um den Fusionsprozess in Gang zu setzten. Bei diesem wird Lithiumdeuterid und Tritium zu Helium fusioniert. Die dabei emittierten 14 MeV-Neutronen können dann auch das abgereicherte Uran (238U) des Bombenmantels spalten, was weitere Energie freisetzt. Die gesamte Sprengkraft solcher Bomben kann bis einige Dutzend Mt TNT-Äquivalent betragen. 10In der Sowjetunion waren Igor Wassiljewitsch Kurtschatow (1903–1960) für die Atombombe und Andrei Dmitrijewitsch Sacharow (1921–1989) für die Wasserstoffbombe die treibenden Kräfte [7]. Interessant ist in diesem Zusammenhang, dass beim amerikanischen Kernwaffenprogramm drei aus Europa ausgewanderte ungarische Wissenschaftler die wichtigste Rolle spielten: Leó Szilárd (1898– 1964), Edward Teller (1908–2003) und Stanislaw Ulam (1909–1984).

1  Das Spiel mit dem Feuer     9

Albert Einstein, Leó Szilárd und Werner Heisenberg Der überzeugte Pazifist Albert Einstein machte sich später bis zu seinem Lebensende Gedanken über seinen folgenschweren Brief. Kurz vor seinem Tod soll er zu einem Freund gesagt haben: «I made one great mistake in my life − when I signed the letter to President Roosevelt recommending that atomic bombs be made; but there was some justification − the danger that the Germans would make them.» Auch Leó Szilárd hatte nach dem ersten erfolgreichen Kernwaffentest der USA in der Wüste Nevada vom 6. April 1945 ähnliche Bedenken wie Einstein. Zusammen mit 70 weiteren Wissenschaftlern des Manhattan-Projektes verfasste er eine Petition, die allerdings nie an Präsident Harry S. Truman (1884–1972) weitergeleitet wurde. Vermutlich hat der kurz darauf (am 3.7.1945) zum Außenminister (Secretary of State) ernannte James F. Byrnes (1882–1972), der für eine harte Haltung gegenüber Japan bekannt war, dies verhindert. Diese Petition forderte, dass die USA zuerst eine Warnung an Japan abgeben sollten mit dem Inhalt, dass man eine neue, sehr gefährliche Waffe besäße und diese einsetzen würde, wenn Japan die Kapitulation verweigerte. Erst nach dem Krieg zeigte sich, dass die Forschung in Deutschland − an der vor allem Werner Heisenberg (1901–1976) als Verantwortlicher beteiligt war − nicht so weit fortgeschritten war, wie man es damals in den USA befürchtet hatte. Nach den Aufzeichnungen zu einem Treffen zwischen Werner Heisenberg und Nils Bohr (1885–1962) in September 1941 in Kopenhagen ist zu vermuten, dass die Deutschen vorerst nur an einem Kernreaktor – also nicht an einer Bombe – arbeiteten. Dieser Reaktor, der Anfang 1945 in einem Felsenkeller in Haigerloch in Baden-Württemberg eingerichtet wurde, war vermutlich unterdimensioniert und wurde bis Kriegsende nie kritisch. Ob Heisenberg bewusst die Forschung Richtung Reaktor und nicht Richtung Bombe lenkte, um zu verhindern, dass Hitler die letztere im Krieg einsetzten könne, muss Spekulation bleiben. Weitere bekannte Physiker am Deutschen Uranprojekt waren u. a. Carl Friedrich von Weizsäcker, Manfred von Ardenne, Walther Bothe, Robert Döpel, Kurt Diebner und Paul Harteck.

Bei der Fusion von Wasserstoff, so wie sie in der Sonne und den Sternen abläuft, dominiert die sogenannte pp-Reaktion. Bei dieser werden vier Wasserstoffkerne (Protonen) über Deuterium (2H) als Zwischenstufe zu einem Helium-Kern (4He) fusioniert und rund 26 MeV freigesetzt. Bei der Bildung von Deuterium (2H) fusioniert ein Proton (p) mit einem Neutron (n), wodurch ein Positron (e+) und ein Neutrino (ν) entstehen. In der Wasserstoffbombe und im Fusionsreaktor wird jedoch Deuterium mit Tritium (3H) zu Helium fusioniert und ein schnelles Neutron erzeugt. Lithium dient hier als Katalysator. Tritium, das schwerste und zudem radioaktive Wasserstoffisotop, wird als Zwischenstufe zwar erzeugt, aber auch wieder verbraucht. Es entsteht ein Kreisprozess: 6

Li + n → 4 He + 3 H + 4.8 Mev

2

H + 2H → 3 He + n

3

H + 2H → 4 He + n + 17.5 Mev

10     H. Völkle

Die stärkste russische Wasserstoffbombe mit dem Spitznamen Tsar (Zar) hatte eine Sprengkraft von 58 Mt TNT-Äquivalent. Dieser Test fand am 30.10.1961 auf der russische Insel Novaya Zemlya statt, die im Nordpolarmeer westlich der innereurasischen Grenze liegt. Würde diese Explosionsstärke mit konventionellem Sprengstoffs erzeugt, wäre zu dessen Transport ein so langer Eisenbahnzug nötig, dass er entlang des Äquators um die ganze Erde reichen würde. Eine Schweizer Atombombe? Auch die Schweiz träumte von einer eigenen Atombombe. Die Schweizer Regierung, der Bundesrat, erließ im Juli 1958 eine Grundsatzerklärung, in der folgendes festgehalten wurde: «In Übereinstimmung mit unserer jahrhundertealten Tradition der Wehrhaftigkeit ist der Bundesrat deshalb der Ansicht, dass der Armee zur Bewahrung der Unabhängigkeit und zum Schutze unserer Neutralität die wirksamsten Waffen gegeben werden müssen. Dazu gehören Atomwaffen.» Erst 1995 stimmte die Schweiz der unbefristeten Verlängerung des Atomwaffensperrvertrags zu, der ein vollständiges Verbot von Atomtests und ein effizientes Überprüfungssystem vorsieht. 1996 erfolgte nach einer Volksabstimmung auch die Zusage der Schweiz zum umfassenden Atomteststoppabkommen [17].

An diesem Wettrüsten zur Zeit des kalten Krieges waren neben den USA, England und der damaligen Sowjetunion auch Frankreich, China, später Indien und Pakistan, vermutlich auch Israel und Südafrika beteiligt. Anfang dieses Jahrhunderts kam dann auch noch Nordkorea hinzu. Wer bei der Bombenforschung wem geholfen hatte oder wie durch Spionage11 die Geheimnisse der Kernwaffen an andere Länder gelangten, ist weiterhin Gegenstand von Spekulationen. Insgesamt wurden über 2000 Testexplosionen durchgeführt, davon 622 in der Atmosphäre. Erst ab dem Jahr 1963 einigten sich die Kernwaffenstaaten durch das PTBT (Partial Test Ban Treaty) darauf, nur noch unterirdische Test zuzulassen, und ab 1974 wurde durch das TTBT (Threshold Test Ban Treaty) die Sprengkraft auf 150 kT TNT-Äquivalent begrenzt.

11Die bekanntesten Spione waren der deutsch-britische Physiker Klaus Fuchs (1911–1988) und der britische Physiker Theodore Alvin Hall (1925–1999), die beide in den USA als Spione für die Sowjetunion tätig waren.

1  Das Spiel mit dem Feuer     11

240

220 200 180 160

140 120 100 80

60 40 20 0 1956

1958

1960

1962

1964

1966

1968

1970

1972

Abb. 1.4  Monatsmittelwerte der Gesamt-Beta-Aktivität der Luft in Payerne/VD, angegeben in mBq/m3. Deutlich erkennbar sind die Maxima Ende der 50er- und Anfang der 60er-Jahre in Übereinstimmung mit der Anzahl der Kernwaffenversuche aus Abb. 1.3. (Nach [9] für die Jahre 1957–1988 und [1] ab 1989)

Als Folge der atmosphärischen Tests stieg vor allem in der Nord Halbkugel die künstliche Radioaktivität in der Atmosphäre deutlich an. Sie erreichte ein erstes Maximum Ende der 50-er Jahre und ein zweites in der ersten Hälfte der 60er-Jahre, wie auch aus Abb. 1.4. am Beispiel von Schweizer Messungen ersichtlich ist. Kritische Wissenschaftler warnten vor dieser radiologischen Bedrohung und empfahlen eine systematische Überwachung der Umweltradioaktivität und ein rasches Verbot weiterer Versuche. Nach langen Verhandlungen einigte sich die Staatengemeinschaft 1996 auf ein umfassendes Kernwaffentest-Verbot12 (CTPB = Comprehensive Test Ban Treaty). Bis Mai 2015 haben 183 Staaten dieses Abkommen unterschrieben, ratifiziert wurde es bislang erst von 164 Ländern. Damit der Vertrag in Kraft treten kann, müssten ihn noch die folgenden Staaten ratifizieren: Ägypten, die Volksrepublik China, Indien, Iran, Israel, Nordkorea, Pakistan und die USA [10]. 12Die Organisation ICAN (International Campagn to abolish Nuclear Weapons), die 2017 mit dem Friedensnobelpreis ausgezeichnet wurde, erreichte, dass die UNO am 07.07.2017 ein weiteres Atomwaffenverbot in Kraft setzte, das bisher von 122 Ländern unterzeichnet wurde. Kernwaffenstaaten befinden sich nicht darunter.

12     H. Völkle Die Südhemisphäre ist seit 1979 kernwaffenfrei Südafrika hatte bis zum Ende des Apartheit-Regimes ein ambitioniertes Kernwaffenprogramm und besaß 1979 fünf (vermutlich mithilfe Israels) entwickelte Nuklearsprengköpfe. Der letzte weiße Präsident Südafrikas, Frederik Willem de Klerk (*18.3.1936), beschloss 1991 das südafrikanische Kernwaffenprogram zu beenden und die vorhandenen fünf Kernwaffen unter Aufsicht durch Experten der IAEA unschädlich zu machen. Ob Südafrika je einen Kernwaffentest durchgeführt hat, wird bezweifelt. Am 22. September 1979 registrierte der amerikanische Satellit «Vela Hotel» in der Nähe von Prince Edward Island südlich von Afrika einen Doppelblitz, der einen solchen Test vermuten lässt. Dies wurde jedoch nie durch andere Beobachtungen oder Zeugenaussagen bestätigt. Der Satellit gehörte zu einer Gruppe von künstlichen Raumflugkörpern mit der Aufgabe, die Einhaltung des PTBT-Abkommens durch die Sowjetunion zu überwachen. Lange vorher schon hatten Südkorea, Taiwan, Argentinien und Brasilien ihr Kernwaffenprogramm gestoppt. Mit der Unterzeichnung des Vertrags von Pelindaba durch Südafrika im Jahre 1996 ist die Südhalbkugel nun kernwaffenfrei.

Zur Überprüfung des CTBT-Abkommens wurde ein aus 337 Stationen bestehendes, weltweites Messnetz mit einer Datenzentrale in Wien eingerichtet (CTBTO [3]). Es erfasst vier Parameter, die als Indikatoren für unerlaubte Kernwaffenversuche gelten (Tab. 1.1). Falls das Überwachungsnetz Hinweise auf einen solchen Test liefert, wird der Sicherheitsrat der UNO informiert, der dann über weitere Schritte und Maßnahmen zu entscheiden hat.

1.3 Überwachung der Umweltradioaktivität Viele Länder begannen in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts mit der Überwachung der Umweltradioaktivität, um daraus die Strahlenexposition ihrer Bevölkerung durch die Kernwaffenversuche zu ermitteln. In der Schweiz ernannte der Bundesrat am 16. November 1956 die Eidgenössische Kommission zur Überwachung der Radioaktivität (KUER). Diese wurde beauftragt, ein Überwachungsnetz aufzubauen und regelmäßig über die Tab. 1.1  Die durch das CTBO überwachten Parameter und die Anzahl der Messstandorte Was wird überwacht

Messgröße zum Nachweis von Kernwaffenversuchen

Anzahl Standorte

Seismik Infraschall Hydroakustik Radionuklide in der Luft

Registrierung von Erdbeben Schallwellen sehr tiefer Frequenzen Schallwellen im Meer Edelgase wie 133Xe, 135Xe, 37Ar, …

50 60 11 80

1  Das Spiel mit dem Feuer     13

Ergebnisse der Messungen zu berichten. Ab 1989 wurde diese Aufgabe an das Bundesamt für Gesundheit BAG in Bern übertragen, das seither die entsprechenden Jahresberichte veröffentlich [9]. Der Verfasser dieses Buches hat selbst fast 40 Jahre bei dieser Überwachung mitgearbeitet. Diese erstreckte sich von der Entwicklung von Messverfahren über die Erprobung von Modellen über das Verhalten radioaktiver Stoffe in der Umwelt sowie von Methoden zur Dosisberechnung bis hin zur Interpretation und Bewertung der Ergebnisse und zur Berichterstattung. Dabei war die Kommunikation mit Behörden, Medien und Bevölkerung über Themen wie Radioaktivität und Strahlung eine besondere Herausforderung. Zur Illustration der Auswirkungen der Kernwaffenversuche auf die Schweiz sind in den Abbildungen Abb. 1.4,  1.5,  1.6 und 1.7 einige Ergebnisse und Messreihen grafisch dargestellt.

1000

100

Bq 90Sr/g Ca

Gras 10

Erde Getreide

1

Milch 0.1

Milchzähne 0.01

1950

1960

Wirbelknochen

1970

1980

1990

2000

Abb. 1.5  90Sr-Messungen in verschiedenen Proben aus der Schweiz, angegeben in Bq/g Calcium in logarithmischer Skala. Die Messwerte der Milchzähne sind auf das Geburtsjahr des Kindes bezogen, denn Strontium wird im Zeitraum einiger Monate vor bis nach der Geburt in die Zähne eingelagert. Die Kurve der Milchzähne zeigt wie jene der Milch die beiden Falloutmaxima. (Nach [9] für die Jahre 1957–1988 und [1] ab 1989)

14     H. Völkle 1000

Bq/kg TS

100

Kernwaffenversuche

10

Arenenberg/TG Grangeneuve/FR Davos Gudo/TI Rodi/TI

1 1960

1965

1970

↑ 26.4.1986 Tschernobyl

1975

1980

1985

1990

1995

2000

2005

Abb. 1.6  137Cs-Messungen im Erdboden der Schicht von 0 bis 5 cm von verschiedenen Probenentnahmestellen der Schweiz, angegeben in Bq/kg Trockenmasse auf logarithmischer Skala. Die Probenentnahmestelle von Arenenberg/TG in der Ostschweiz zeigt deutlich den Einfluss der Reaktorkatastrophe von Tschernobyl, während dieser bei Grangeneuve/FR in der Westschweiz kaum erkennbar ist. (Nach [9] für die Jahre 1957–1988 und [1] ab 1989) 1200

Bq 137Cs pro Person

1000

800

600

400

Jungen

1990

1980

1970

0

1960

200

Mädchen

Abb. 1.7  137Cs-Ganzkörpermessungen an 18- bis 20-jährigen Gymnasiasten und Gymnasiastinnen aus Genf in den Jahren 1960 bis 1990, angegeben in Bq pro Person. Der Anstieg in den 60er-Jahren stammt vom Kernwaffenausfall, jener von 1986 bis 1988 vom Reaktorunfall in Tschernobyl. (Nach [9] für die Jahre 1957–1988 und [1] ab 1989)

1  Das Spiel mit dem Feuer     15

1.4 Die Genfer Konferenz «Atoms for Peace» Nach einer längeren Periode höchster Geheimhaltung beabsichtigte der amerikanische Präsident Dwight D. Eisenhower (1890–1969) im Jahr 1953, das Wissen über die Kernenergie zur friedlichen Nutzung öffentlich zugänglich machen. Die USA organisierten 1955 in Genf die internationale Konferenz Atoms for Peace. Während der Tagung wurde in einem Genfer UNOGebäude ein funktionierender Kernreaktor der Öffentlichkeit vorgestellt. Saphir, der erste Schweizer Reaktor Der von den USA auf der Genfer Konferenz ausgestellte Reaktor war der Prototyp eines sogenannten Swimmingpool-Forschungsreaktors. Auf Empfehlung des ETH-Professors Paul Scherrer (1890–1969) kaufte die Schweiz ihn für 180.000 US$. Unter dem Namen SAPHIR13 war dies der erste Kernreaktor der Schweiz. (Sicher waren die Amerikaner froh, ihn loszuwerden: Sie hatten den Reaktor per Flugzeug nach Genf gebracht, konnten ihn nun aber, da er nach einigen Wochen Betrieb radioaktiv geworden war, nicht mehr auf dieselbe Weise zurücktransportieren.) Die Schweiz installierte diesen Reaktor, der eine Leistung von 10 MW hatte, in der neu gegründeten Reaktor-AG in Würenlingen/AG. Diese Forschungseinrichtung war dazu unter der Führung von BBC von einem Konsortium aus 120 Schweizer Firmen gegründet worden. Bis 1993 wurde der Reaktor SAPHIR zur Forschung und zur Herstellung von Radionukliden für die Medizin genutzt. 1960 wurde am selben Standort ein zweiter Forschungsreaktor mit dem Namen DIORIT in Betrieb genommen. Aus der Reaktor-AG entwickelte sich 1960 das Eidgenössische Institut für Reaktorforschung EIR und 1999, nach Fusion mit dem Eidgenössischen Institut für Nuklearforschung SIN am gleichen Standort, das Paul Scherrer Institut PSI.

1.5 Die Nutzung der Kernenergie zur Stromerzeugung Nach der Konferenz begannen viele industrialisierte Länder mit der Entwicklung von Kernreaktoren für die Forschung und vor allem zur Energieerzeugung. Diese anfängliche Euphorie hat seither in einigen Ländern einer mehr und mehr kritischen oder ablehnenden Haltung gegenüber der Kernenergie Platz gemacht. Einige Länder verzichten auf die Kernenergie, sind bereits ausgestiegen ober haben dies für die kommenden Jahre angekündigt.

13Die Wahl des Namens SAPHIR ist auf das blaue Tscherenkow-Leuchten zurückzuführen, das durch geladene Teilchen des Reaktors im Wasser erzeugt wird und nach dessen Entdecker Pawel Alexejewitsch Tscherenkow (1904–1990) benannt wird.

16     H. Völkle

In Europa sind dies Italien, Österreich, Schweden, Deutschland, Spanien und die Schweiz. Schweden hatte bereits in den 80er-Jahren den Ausstieg beschlossen, den Termin aber mehrmals hinausgeschoben. Seit 2010 lässt Schweden den Neubau von Reaktoren an bestehenden Standorten wieder zu, allerdings nur als Ersatz für bestehende Anlagen. Andere Länder wie die USA, Großbritannien, Frankreich und vor allem die sogenannten ­BRICS-Staaten14, aber auch Länder im Nahen Osten, in Südost-Asien und möglicherweise auch in Afrika, nutzen die Kernenergie auch weiterhin oder beabsichtigen dies für die Zukunft. Nachdem anfänglich mit vielen verschiedenen Reaktortypen experimentiert wurde, rückte der klassische Leichtwasserreaktor mit schwach angereichertem 235U als Brennstoff in den Vordergrund. Er wird realisiert als Druckwasser- (PWR) oder Siedewasser-Typ (BWR). Beide benötigen auf drei bis vier Prozent angereichertes Uran.15 Wasser ist gleichzeitig Kühlmittel und Moderator. Schwerwasserreaktoren mit Natururan werden nur in wenigen Ländern betrieben, etwa der von Kanada entwickelte CANDU-Druckröhrenreaktor. Ende 2017 standen weltweit 447 Kernkraftwerke im Betrieb mit einer gesamten elektrischen Leistung von 391.700 MW; dies entspricht rund 11 % der Welt-Stromproduktion. In 16 Ländern waren insgesamt 58 Kernkraftwerke im Bau, in 18 Ländern sind weitere 134 Anlagen projektiert. Mindestens 155 Reaktorblöcke mit einer installierten Gesamtleistung von 37.794 MW wurden bis 2013 aus verschiedenen Gründen außer Betrieb genommen [15]. Detailliertere Informationen finden sich in Tab. 1.2. und den Abb. 1.8 und 1.9. In folgenden Ländern sind Kernkraftwerke im Bau (in Klammern geplant): Ägypten 0 (4), Argentinien 0 (2), Bangladesch 1 (1), Brasilien 1 (0), Bulgarien 0 (1), China 19 (39), Finnland 1 (1), Frankreich 1 (0), Großbritannien 0 (13), Indien 6 (21), Iran 0 (2), Japan 2 (9), Pakistan 2 (1), Rumänien 0 (2), Russland 7 (19), Slowakei 2 (0), Südkorea 4 (1), Taiwan 2 (0), Tschechische Republik 0 (2), Türkei 0 (8), Ukraine 2 (0), Ungarn 0 (2), USA 2 (6), Vereinigte Arabische Emirate 4 (0), Weißrussland 2 (0) [15]. Nach einer Meldung der IAEA wollen 45 Länder, die zurzeit noch nicht

14Als

BRICS-Staaten bezeichnet man Brasilien, Russland, Indien, China und Südafrika. Gründen der nuklearen Sicherheit und vor allem in Bezug auf die Menge an erzeugtem langlebigem radioaktivem Abfall und nicht zuletzt, weil die Erde mehr Thorium enthält als Uran, wäre es angezeigt, den Thorium-Reaktor weiterzuentwickeln. Ob dies heute (eher politisch als technisch) machbar ist, bleibt offen. Die damalige Entscheidung für Uran und gegen Thorium als Brennstoff erfolgte wohl aus militärisch-strategischen Gründen für die 239Pu-Produktion für Kernwaffen [12]. 15Aus

1  Das Spiel mit dem Feuer     17 Tab. 1.2  Die Kernenergienutzung [15] Status Aussteiger

Neueinsteiger

Festhalten

Länder vollzogen

Österreich, Italien, Venezuela (bei den letzteren beiden Wiedereinstieg nach Fukushima abgebrochen)

beschlossen

Mit unbefristeter Laufzeit: Schweiz, Spanien (bis 2030) Mit befristeter Laufzeit: Deutschland, Belgien, Taiwan

KKW geplant

Polen, Türkei, Ägypten, Jordanien, Saudi-Arabien, Indonesien

KKW im Bau

Bangladesch, Vereinigte Arabische Emirate, Weißrussland

KKW im Bau

EU, Frankreich, Japan, Russland, China, Finnland, Slowakei, Südkorea, Ukraine, Pakistan, USA, Brasilien, Indien

z. Z. keine KKW im Bau

Großbritannien, Tschechische Republik, Rumänien, Kanada, Armenien, Schweden, Ungarn, Bulgarien, Mexiko, Iran, Niederlande, Slowenien, Litauen, Argentinien, Südafrika

100 90 80 70 60 50 40 30 20 0

Argenna Armenia Belaurs Belgium Brazil Bulgaria Canada China Czech Republic Finland France Germany Hungary India Iran Japan Korea, Republic Mexico Netherlands Pakistan Romania Russian Federaon Slovakian Republic Slovenia South Africa Spain Sweden Switzerland Taiwan, China Ukraine United Arab Emirates United Kingdom USA

10

Abb. 1.8  Anzahl Kernkraftwerke weltweit im Jahr 2015: schwarz: in Betrieb; grau: geplant/im Bau [15]

18     H. Völkle 100000 90000 80000

70000 60000 50000 40000

30000 20000 0

Argenna Armenia Belaurs Belgium Brazil Bulgaria Canada China Czech Republic Finland France Germany Hungary India Iran Japan Korea, Republic Mexico Netherlands Pakistan Romania Russian Federaon Slovakian Republic Slovenia South Africa Spain Sweden Switzerland Taiwan, China Ukraine United Arab Emirates United Kingdom USA

10000

Abb. 1.9  Leistung der Kernkraftwerke weltweit 2016 in MW: schwarz in Betrieb; grau geplant/im Bau [15]

über eigene Kernkraftwerke verfügen, diese Option offenhalten und werden in den kommenden 15 bis 20 Jahren eine entsprechende Entscheidung treffen [8]. An erster Stelle werden genannt die Vereinigen Arabischen Emirate, Türkei, Weißrussland und Polen. Gründe dafür sind Wirtschaftswachstum, Versiegen der Erdölreserven und (beispielsweise bei Polen) eine Reduktion der Stromerzeugung durch Kohlekraftwerke mit dem Ziel, die CO2-Emissionen zu senken.

Literatur 1. BAG (1989) Umweltradioaktivität und Strahlendosen in der Schweiz, Jahresberichte des Schweizer Bundesamt für Gesundheit (ab 1989), Bern 2. Bergkvist NO, Ferm R (2000) Nuclear explosions 1945–1998. Stockholm International Peace Research Institute SIPRI, Division of Systems and Underwater Technology, Stockholm 3. CTBTO: comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty Organisation https://www. ctbto.org/. Zugegriffen: 20. Juli 2019 4. CTBTO: estimated number of nuclear explosions 1945–2006. https://www.ctbto. org/fileadmin/user_upload/pdf/Sipri_table12b.pdf. Zugegriffen: 20. Juli 2019

1  Das Spiel mit dem Feuer     19

5. Chicago Pile-1. https://en.wikipedia.org/wiki/Chicago_Pile-1. Zugegriffen: 07. März 2017 6. Einstein letters. http://www.fdrlibrary.marist.edu/archives/pdfs/docsworldwar. pdf. Zugegriffen: 20. Feb. 2019 7. Holloway D (1994) Stalin and the bomb. Yale University Press, New Haven 8. IAEA releases: projections on global nuclear power capacity through 2050. https://www.iaea.org/newscenter/news/iaea-releases-projections-on-global-nuclear-power-capacity-through-2050. Zugegriffen: 21. Feb. 2019 9. KUER: Jahresberichte der Eidgenössischen Kommission zur Überwachung der Radioaktivität von 1957 bis 1988. Herausgeber Bundesamt für Gesundheit, Bern 10. Kernwaffenteststopp-Vertrag. https://de.wikipedia.org/wiki/Kernwaffenteststopp-Vertrag. Zugegriffen: 7. März 2017 11. Lederer CM, Hollander JM, Perlmann I (1967) Table of isotopes. John Wiley & Sons, New York 12. Martin R (2012) Super fuel: thorium, the green energy source for the future. New York, Palgrave Macmillan 13. Meitner L (2005) Erinnerungen an Otto Hahn. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 14. Meitner L, Frisch OR (1939) Disintegration of uranium by neutrons: a new type of nuclear reaction. Nature 143:239–240 15. Nuklearforum Schweiz: Kernkraftwerke der Welt. Ausgabe 2018, Nuklear forum Schweiz, Olten 16. Rhodes R (2011) The making of the atomic bomb. Simon & Schuster Paperback, New York 17. Schweizer Kernwaffenprogramm. https://de.wikipedia.org/wiki/Schweizer_Kernwaffenprogramm. Zugegriffen: 7. März 2017

2 Folgen nuklearer Tätigkeiten

Die Entwicklung, der Bau und der Test von Kernwaffen und Reaktoren, aber auch der Umgang mit Strahlenquellen und spaltbarem Material blie­ ben nicht ohne Probleme. Reaktorunfälle und die unsachgemäße Entsorgung von radioaktivem Abfall haben katastrophale Folgen für Mensch und Umwelt. Kontaminationen führten teilweise zu erheblichen gesundheitlichen Folgen für die Bevölkerung in den betroffenen Regionen, aber auch weit darüber hinaus. Leider ist die Datenlage bezüglich der Auswirkungen auf Mensch und Umwelt in den betroffenen Gebieten immer noch lückenhaft. Das schrecklichste Ereignis war die Bombardierung der zwei japani­ schen Städte Hiroshima und Nagasaki im August 1945, womit die USA die Kapitulation Japans erzwingen wollten. Die zwei schwersten Unfälle in Kernanlagen mit weitgehender Zerstörung der Reaktoren und massiven Auswirkungen auf Mensch und Umwelt waren jene von Tschernobyl in der Ukraine am 26. April 1986 und von Fukushima in Japan am 11. März 2011.

2.1 Hiroshima und Nagasaki Die Bombardierung der japanischen Städte Hiroshima und Nagasaki vom August 1945 war bisher die weltweit schwerste nukleare Katastrophe. Zwi­ schen 90.000 und 166.000 Personen starben in Hiroshima und zwischen 60.000 und 80.000 in Nagasaki unmittelbar nach oder in den ersten zwei Monaten nach den Bombenabwürfen. © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 H. Völkle, Kernenergie, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59301-1_2

21

22     H. Völkle

Ein internationales Forschungsprogramm unter der gemeinsamen Verantwortung von USA und Japan untersucht seither an den Überlebenden der lokalen Bevölkerung die Folgen dieser Bombardierung. Dieses Projekt, bekannt unter dem Namen Life Span Study, steht unter der wissenschaftlichen Leitung der Radiation Effects Research Foundation RERF. Bis 1977 überlebten 120.000 Personen («Survivors»), 9366 starben an soliden Tumo­ ren und 582 an Leukämie. Bei den Todesfällen durch Krebs konnten 440 Fälle und bei den Todesfällen durch Leukämie 100 Fälle direkt der Strahlenwirkung der Atombomben zugeordnet werden [17]. Aus diesen Daten wird der quantitative Zusammenhang zwischen Strahlung und Krebsinzidenz abgeleitet: « … The linear model provides the best fit over the full dose range [the excess relative risk is]: ERR/Gy = 0,42 (95% CI: 0,32 ‒ 0,53) for the gender averaged risk estimates at age 70 after radiation exposure at age 30, based on the model with effect modification by sex, age at exposure and attained age. The risk was statistically significant at the level of 0,20 Gy or higher…» [30]

Somit liegt das Risiko an Krebs zu sterben bei exponierten Personen um 42 % pro Gy1 höher als bei nichtexponierten. Die heutigen Risikofaktoren von ICRP-103 [22] basieren im Wesentlichen auf dieser Studie, ergänzt durch Ergebnisse weiterer Untersuchungen an andern strahlenexponierten Kollektiven. Die Kommission erläutert dies folgendermaßen: «… the Commission [i.e. the ICRP] proposes nominal probability coefficients for detriment-adjusted cancer risk as 5,5 % per Sv for the whole population and 4,1 % per Sv for adult workers. For heritable effects, the ­detrimentadjusted nominal risk in the whole population is estimated as 0,2 % per Sv and in adult workers as 0,1 % per Sv.» [22]

Dies bedeutet, dass von 1000 Erwachsenen, die mit 1 Sievert bestrahlt wer­ den, im Mittel 41 an einer strahleninduzierten Krebserkrankung sterben werden und ein Nachkomme an einer schweren strahlenbedingten Erbkrankheit.

1Bei höheren Dosen und wenn nur ein einzelnes Organ bestrahlt wurde, wird im Strahlenschutz meist die absorbierte (Organ-) Dosis in Gy (Gray) an Stelle der effektiven Dosis in Sv angewendet. Bei Ganzkörperbestrahlung kann näherungsweise 1 Gy ≈ 1 Sv agenommen werden.

2  Folgen nuklearer Tätigkeiten     23

Im Strahlenschutz verwendete Größen und Einheiten [22] Becquerel (Bq) ist die SI-Einheit für die Aktivität (A) einer Substanz, wobei 1 Bq = 1 Zerfall pro Sekunde. Die alte Einheit Curie*) (Ci) soll nicht mehr verwendet werden. Für die Umrechnung gilt: 1Ci = 3,7 · 1010 Bq oder 1 Bq = 27 pCi (10−12 Ci). Für die Strahlendosis werden zwei Maßeinheiten verwendet: Gray (Gy) ist die SI-Einheit für die absorbiere Dosis (D) oder Energie-Dosis durch ionisierende Strahlung, wobei 1 Gy = 1 Joule pro kg Organ oder Gewebe. Sievert (Sv) ist die SI-Einheit der Dosis bei ionisierender Strahlung. Sie wird für zwei Größen verwendet: sowohl für die (Organ-) Äquivalentdosis (HT) als auch für die effektive Dosis (E). Es gilt 1 Sv ≈ 1 J/kg Organ oder Gewebe mit der Umrechnung 1 J (Joule) = 1  Nm = 1 kg m2/s2. Namensgeber für die Einheiten sind die folgenden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler: • • • •

Henri Becquerel (1952–1908), Frankreich Maria Salomea Skłodowska-Curie (1867–1934), Polen und Frankreich Rolf Sievert (1869–1966), Schweden Louis Harold Gray (1905–1965), England

Die Äquivalentdosis ist die in einem Organ oder Gewebe T absorbierte Dosis, multipliziert mit dem Strahlenwichtungsfaktor wR. Dieser beträgt 1 für β-, γ- und Röntgenstrahlen sowie 20 für α-Strahlen; für Neutronen variiert er zwischen 5 bis 20, je nach Energie.2 Die effektive Dosis (E) ergibt sich aus der Summe der Äquivalent-Dosen (HT) der wichtigsten bestrahlten Organe und Gewebe, gewichtet mit einem G ­ ewebe-Wichtungsfaktor wT. Dieser berücksichtigt die Strahlenempfindlichkeit der einzelnen Körperteile oder Organe. Die Summe aller wT-Faktoren ergibt 1. Die effektive Dosis ist ein Maß für die biologische Wirkung der Strahlung. Eine gleiche Anzahl in Sv oder mSv bedeutet das gleiche Risiko für eine strahlenbedingte Erkrankung beim betroffenen Individuum oder eine genetische Missbildung bei dessen Nachkommen (und zwar unabhängig von Art und Quelle der Strahlung). Nach heutigem Wissensstand wir angenommen, dass das Krebsrisiko (stochastische Strahlenschäden) bei Dosis Null beginnt, also keine untere Dosisschwelle hat, und linear mit der Dosis ansteigt. Für schwere Organoder Gewebeschäden (deterministische Strahlenschäden) wird eine untere Dosisschwelle angenommen; sie treten somit erst bei hohen Dosen auf. Für weitere Erläuterungen siehe Kap. 4. Für die Maßeinheiten sind die folgenden Präfixe (Vorsätze) gebräuchlich: Milli (m), Mikro (μ), Nano (n), Pico (p), Femto (f ), Atto (a) für 10−3, 10−6, 10−9, 10−12, 10−15, 10−18; Kilo (k), Mega (M), Giga (G), Tera (T), Peta (P), Exa (E) für 103, 106, 109, 1012, 1015, 1018.

2Die

ICRP empfiehlt in einem z. Z. erst als Entwurf vorliegenden Dokument (Draft) von April 2018 (The Use of effective Dose as Radiological Protection Quantity) inskünftig statt der Organ-Äquivalentdosis (Sv) die absorbierte (Organ-) Dosis (Gy) zu verwenden. Die effektive Dosis (Sv) sollte dann nur noch bei Ganzkörperbestrahlung verwendet werden, oder wenn mehrere Organe betroffen sind und es sich um stochastische Effekte im mittleren oder tiefen Dosisbereich handelt.

24     H. Völkle Das US-Testgebiet für Kernwaffen im Staate Nevada Auf einem 3500 km2 großen Wüsten- und Berggebiet, 105 km nordöstlich der Stadt Las Vegas, wurden im Zeitraum von 1951 bis 1992 insgesamt 928 Kernwaffentest durchgeführt, hiervon 828 unterirdisch. Die im benachbarten Staat Utah gelegene Stadt St. George wurde zeitweise durch radioaktiven Fallout betroffen; im Zeitraum von 1950 bis 1980 wurde bei der dortigen Bevölkerung eine Zunahme von verschiedenen Krebserkrankungen festgestellt. Die US Atomic Energy Commission (AEC) warnte 1951 mit folgendem Plakat vor dem unerlaubten Aufenthalt im abgesperrten Las Vegas Bombing and Gunnery Range:3 Warning January 11, 1951 From this day forward the U.S. Atomic Energy Commission has been authorized to use part of the Las Vegas Bombing and Gunnery Range for test work necessary to the atomic weapon development program. Test activities will include experimental nuclear detonations for the development of atomic bombs – so-called „A-Bombs“ – carried out under controlled conditions. Test will be conducted on a routine basis for an indefinite period. No public announcement of the time of any test will be made. Unauthorized persons who pass inside the limits of the Las Vegas Bombing and Gunnery Range may be subject to injury from or as a result of the AEC test activities. Health and safety authorities have determined that no danger from or as a result of AEC test activities may be expected outside the limits of the Las Vegas Bombing and Gunnery Range. All necessary precautions, including radiological surveys and patrolling of the surrounding territory, will be undertaken to insure that safety conditions are maintained. Full security restrictions of the Atomic Energy Act will apply to the work in this area. Ralf P. Johnson Project Manager Las Vegas Project Office U.S. Atomic Energy Commission

2.2 Kernwaffen-Testgelände und Folgen der Kernwaffenversuche Die in der Nähe der Kernwaffen-Testgelände lebende Bevölkerung war teilweise erheblichen Strahlendosen durch die Kernwaffenversuche ausgesetzt. Einige dieser Gegenden sind auch heute noch kontaminiert. Beispiele für durch Kernwaffen-Aktivitäten betroffene Gebiete sind [37]: • Inseln im Pazifik, wo US-amerikanische Tests durchgeführt wurden, z. B. auf dem Eniwetok-Atoll, dem Bikini-Atoll und den M ­ arshall-Inseln.

3https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ed/NTS_-_Warning_handbill.jpg 20.02.2019).

(Zugegriffen

2  Folgen nuklearer Tätigkeiten     25

Die Zahl der US-amerikanischen Kernwaffenversuche wird mit 1054 angegeben, wovon 216 im der Atmosphäre stattfanden. Von diesen Versuchen fanden rund 100 auf Pazifik-Inseln und über 900 auf dem Nevada-Test-Gelände (Nye County, Nevada) statt. • Die Weihnachtsinseln (AUS) im Nordpazifik und die Orte Maralinga, Emu und Monte Bello in Südaustralien, wo britische Tests stattfanden. Von den insgesamt 45 britischen Kernwaffenversuchen wurden 21 in der Atmosphäre durchgeführt. In Australien fanden 21 der britischen Tests statt, die 24 weiteren auf amerikanischem Testgelände. • Das Hoggar-Gebirge (bei Hammaguir, Reggane und Ekker) in der südlichen Sahara in Algerien. Dort führte Frankreich im Rahmen der Entwicklung der «Force de Frappe», wie sie Charles De Gaulle (1890–1970) nannte, 17 seiner insgesamt 210 Kernwaffenversuche durch, davon 50 in der Atmosphäre. Der erste französische Kernwaffenversuch in der Sahara im Februar 1960 wurden auch vom Schweizer Überwachungsnetz registriert. • Auf Inseln in Französisch-Polynesien, den zum Tuamotu-Archipel im Südpazifik gehörenden Atollen Mururoa und Fangataufa fanden 193 weitere französische Tests statt. • Beim ausgetrockneten Salzsee Lop Nor, im östlichen Teil des Tarimbeckens im Uigurischen Autonomen Gebiet Xinjiang, rund 600 km südlich der Grenze zur Mongolei und zu Kasachstan, führte China seine 45 Kernwaffenversuche, hiervon 23 in der Atmosphäre durch. • Im Untergrund bei Pokhran im Nordwesten von Indien, im Distrikt Jaisalmer des indischen Teilstaates Rajasthan beziehungsweise bei Chagai Hills und Ras Koh Hills in der Provinz Bolochistan im Westen von Pakistan fanden die je 5 Versuche von Indien und Pakistan statt. • Auf dem Punggye-ri Nuclear Test Site (Kilju County) in Nordkorea fanden nach offiziellen Angaben bis 2016 sechs unterirdische Tests statt. Bisher nicht bestätigt wurde ein Test am 11.05.2010 [7]. • Von den insgesamt 715 sowjetischen Kernwaffenversuchen fanden 219 in der Atmosphäre statt, der größte Teil davon bei Semipalatinsk im Nordosten des heutigen Kasachstan und auf der Insel Nowaya Zemlya im nördlichen Eismeer, einige weitere in der Ukraine, in Usbekistan und Turkmenistan.

26     H. Völkle

Einige weitere Testgelände sowie durch Kernwaffenfabrikation kontaminierte Gelände in der ehemaligen Sowjetunion und den USA sind die folgenden: • Kyshtym bei der russischen kerntechnischen Anlage Majak, einer Stadt im Chelyabinsk-Oblast im südlichen Ural • Entlang des Techa-Flusses in der Ostflanke des südlichen Urals • Beim ausgetrockneten Karachay-See, ebenfalls im südlichen Ural; er gilt als die am stärksten kontaminierte Stelle der Erde • In der Region von Semipalatinsk. Das Semipalatinsk-Testgebiet, auch The Polygon genannt, ist ein Gebiet, auf dem die frühere Sowjetunion einen großen Teil ihrer Versuche durchführte und das heute zu Kasachstan gehört. Von 1949 bis 1989 fanden hier 456 Kernwaffenversuche statt. Dabei wurde wenig Rücksicht auf die lokale Bevölkerung und die Umwelt genommen. • Die Doppel-Insel Nowaya Zemlya, ein Archipel im Oblast Archangelsk im Arktischen Ozean im Norden Russland, also im extremen Nordosten von Europa. Dort wurden 224 Versuche durchgeführt mit einer gesamten Sprengkraft von 265 Mt TNT-Äquivalent. • Bei Hanford im US-Staat Washington wurde im Rahmen des Manhattan-Projects in den 40er-Jahren ein 1520 km2 großer Nuklear­ komplex errichtet. Hier wurde unter anderem das Plutonium für die ersten Kernwaffen produziert. Etwa zwei Drittel des gesamten radioaktiven Abfalls aus dem amerikanischen Kernwaffenprogram befindet sich hier: rund 200.000 m3 radioaktiver Abfall, teilweise als radioaktive Lösungen sowie mehr als 100.000 abgebrannte Brennelemente. Für die mehrere Jahrzehnte in Anspruch nehmende Sanierung der gesamten Anlage, etwa durch den Bau einer Verglasungsanlage, wird mit Gesamtkosten von über 10 Mrd. US$ gerechnet, also wesentlich mehr als das ­Manhattan-Projekt damals gekostet hatte. Hanford gilt als am stärksten radioaktiv kontami­ nierter Ort der westlichen Welt [37].

2  Folgen nuklearer Tätigkeiten     27

Die kumulierte mittlere Dosis der gesamten Weltbevölkerung durch die Kernwaffenversuche beträgt 3,5 mSv, nämlich etwa 3,6 mSv in der Nordhemisphäre sowie 2,7 mSv auf der Südhalbkugel [37, 38]. Für die Schweiz wurde die integrale Dosis für den Zeitraum 1946 bis 2000 aus den langjährigen Messungen in der Umwelt berechnet (Tab. 2.1). Gemäß den in den UNSCEAR-Berichten zitierten Veröffentlichungen haben die meistbetroffenen Personen in der Nähe der Kernwaffentestgelände zusätzliche Dosen bis einige hundert mSv erhalten. Leider sind die bis heute publizierten Daten über die Auswirkungen der Kernwaffentests auf die lokale Bevölkerung und die Umwelt noch lückenhaft [37, 38]. Auch bezüglich einer Entschädigung der Betroffenen geschah bisher wenig. Erst im Jahr 2009 beschloss die französische Regierung, die durch französische Tests betroffene Bevölkerung der Inseln im Südpazifik finanziell zu entschädigen. Auch die US-Regierung entschädigte 1990 betroffene Bewohner von Pazifik-Inseln mit insgesamt 759 Mio. US$. Diese Dosiswerte in Tab. 2.1 sind zur mittleren jährlichen Strahlexposition der Schweizer Bevölkerung aus natürlichen und künstlichen Strahlenquellen in Bezug zu setzen. Deren Zahlen sind in Tab. 2.2 zusammengestellt. Tab. 2.1  Strahlenexposition der Schweizer Bevölkerung durch die Kernwaffenversuche [41] Exposition

Radionuklide

Dosis-Integral 1946 bis 2000 [mSv]

Extern davon

137Cs

0,28 0,22

übrige Inhalation Nahrung davon

3H

14C

90Sr

137Cs übrige

Summe

0,50

0,08 0,57 0,02 0,22 0,14 0,14 0,05 1,2

28     H. Völkle Tab. 2.2  Die aktuelle Strahlenexposition der Schweizer Bevölkerung [2] Strahlenquelle

mSv pro Jahr

Natürliches Radon im Wohnbereich Natürliche kosmische Strahlung Natürliche terrestrische Radioaktivität Natürliche Radionuklide im menschlichen Körper Medizinische Röntgendiagnostik Alle übrigen Quellen. (Insbesondere Emissionen aus Kernanlagen, Industrien und Krankenhäusern; Kernwaffenfallout; Tschernobyl sowie Konsumgüter, die Radionuklide enthalten) Gesamt

3,2 0,40 0,35 0,35 1,2 < 0,1 ≈ 5,6

2.3 Andere Unfälle und Zwischenfälle mit Radioaktivität Weitere Ereignisse mit Auswirkungen auf Mensch und Umwelt waren: • Der Absturz eines amerikanischen Satelliten mit einer ­RadioisotopenBatterie (SNAP 9a),4 die 238Pu (HWZ 87,7 Jahre) enthielt. Der Satellit verfehlte 1964 seine Umlaufbahn und verglühte beim Absturz in der Atmosphäre. Dabei wurde rund 1 kg Plutonium freigesetzt, was noch Jahre später in der Atmosphäre messbar war. Es handelt sich hier allerdings nicht um das langlebige Plutonium-Isotop 239Pu mit einer Halbwertszeit von 24.400 Jahren, das in Kernwaffen verwendet wird. • Der Absturz eines russischen Satelliten über Kanada (Kosmos 954) im Jahre 1978, dessen Energieversorgung durch einen kleinen Kernreaktor erfolgte. Seine Trümmer wurden weit über Nordkanada verstreut und mussten unter großem Aufwand eingesammelt werden. • Der Absturz von zwei Militärtransportflugzeugen (B-52) mit Kernwaffen an Bord: eines bei Palomares in Spanien (1966), das andere bei Thule auf Grönland (1968). In beiden Fällen explodierten die Bomben zwar nicht, verursachten dennoch eine starke lokale Kontamination, die mit großem Aufwand beseitigt werden musste. • Ein auf einem Schrottplatz bei der Stadt Goiânia im brasilianischen Bundesstaat Goiás 1987 deponiertes medizinisches Gerät zur Strahlentherapie. Die darin enthaltenen 137Cs-Strahlenquelle von rund 51 TBq

4SNAP =  System for Nuclear Auxiliary Power: Stromversorgungssystem, basierend auf einer α-Strahlenquelle, etwa 238Pu, verbunden mit einem Thermoelement. Solche Systeme werden bei Satel­ liten eingesetzt, die sehr weit von der Sonne wegfliegen und daher keine Solarpanels zur Stromversorgung benutzen können, so auch bei der Cassini-Mission (Saturn) von 1997.

2  Folgen nuklearer Tätigkeiten     29 Tab. 2.3  Die Internationale Bewertungsskala für nukleare Ereignisse («International Nuclear Event Scale») der IAEA mit Beispielen [23, 24] Level 7 Major accident

6 Serious accident 5 Accident with wider cons­e­ quences

4 Accident with local conse­ quences

3 Serious incident

Impact on man, environment and installations Examples • Impact on people and environment: Major release of radioactive material with wide­ spread health and environmental effects requiring implementation of planned and extended countermeasures • Impact on people and environment: Signifi­ cant release of radioactive material likely to require implementation of planned counter­ measures • Impact on people and environment: Limi­ ted release of radioactive material likely to require implementation of some planned countermeasures. Several deaths from radia­ tion. • Impact on radiological barriers and control: Severe damage to reactor core. Release of large quantities of radioactive material wit­ hin an installation with a high probability of significant public exposure • Impact on people and environment: Minor release of radioactive material unlikely to result in implementation of planned coun­ termeasures other than local food controls. At least one death from radiation • Impact on radiological barriers and control: Fuel melt or damage to fuel resulting in more than 0.1% release of core inventory. Release of significant quantities of radioactive material within an installation with a high probability of significant public exposure • Impact on people and environment: Exposure in excess of ten times the statutory annual limit for workers. Non-lethal determi­nistic health effect (e.g., burns) from radiation • Impact on radiological barriers and control: Exposure rates of more than 1 Sv/h in an operating area. Severe contamination in an area not expected by design, with a low probability of significant public exposure • Impact on defense in depth: Near accident at a nuclear power plant with no safety provisions remaining. Lost or stolen highly radioactive sealed source. Misdelivered highly radioactive sealed source without adequate procedures in place to handle it

• Chernobyl (ex-SU) 26.04.85 • Fukushima (J) 11.03.2011 • Kyshtym/Mayak (ex-SU) 29.09.57

• Windscale (GB) 10.10.57 • TMI (USA) 28.03.79 • Chalk River (CDN) 12.12.52 • Lucens (CH) 21.1.69 • Goiânia (BRA) 13.9.87 • Sellafield (GB) 1955 to 1979 • SL-1, EPS, Idaho (USA) 1961 • Saint-Laurent (F) 1969 • Buenos Aires (ARG) 1983 • Jaslovské Bohunice (CS) 1977 • Tokaimura (J) 1999 • Sellafield (GB) 2005 • Paks (H) 2003 • Vandellos (E) 1989 • Davis-Besse (USA) 2002

(Fortsetzung)

30     H. Völkle Tab. 2.3  (Fortsetzung) Level 2 Incident

1 Anomaly

0 Deviation

Impact on man, environment and installations Examples • Impact on people and environment: Exposure of a member of the public in excess of 10 mSv. Exposure of a worker in excess of the statutory annual limits Impact on radiological barriers and control: Radiation levels in an operating area of more than 50 mSv/h. Significant contami­ nation within the facility into an area not expected by design • Impact on defense-in-depth: Significant fai­ lures in safety provisions but with no actual consequences. Found highly radioactive sealed orphan source, device or transport package with safety provisions intact. Inade­ quate packaging of a highly radioactive sealed source • Impact on defense-in-depth: Overexpo­ sure of members of the pulic in excess of statutory annual limits. Minor problems with safety components, significant defen­ se-in-depth remaining. Low activity lost or stolen radioactive source, device or transport package • No safety significance or consequences

• Blayais (F) 1999 • Ascó (E) 2008 • Forsmark (S) 2006 • Gundremmingen (D) 1977 • Shika (J) 1999

• Various anomalies

• Various deviations

wurde vor der Deponierung nicht entfernt und sachgerecht entsorgt. Die­ ser Zwischenfall verursachte eine starke lokale Kontamination mit vier Todesfällen und rund 50 Verletzten. 112.000 Personen mussten untersucht werden; davon hatten 249 radioaktives Caesium inkorporiert oder waren extern am Körper kontaminiert (IAEA 1988). 3500 m3 radioaktiver Abfall mussten entsorgt werden. Die Gesamtkosten wurden auf 20 Mio. US$ geschätzt [16]. • Zum Glück keine radiologischen Auswirkungen hatte die ­ CaesiumFreisetzung am 30.05.1998 im südspanischen Stahlwerk Acerinox bei Algeciras. Dort wurde unbeabsichtigt eine medizinische Strahlentherapiequelle mit vermutlich 4 TBq 137Cs mit Metallschrott eingeschmolzen. Das Caesium verdampfte dabei und wurde über die Abluft freigesetzt. Die Wolke breitete sich Richtung Nordosten über ganz Europa hinweg aus und wurde von Laboratorien in vielen europäischen Ländern registriert. In der Schweiz wurde im Tessin in der Luft eine 137 ­ Cs-Konzentration 3 von 0,15 mBq/m registriert, rund 10.000-mal geringer als nach dem Tschernobyl-Unfall. Die Ausbreitung dieser radioaktiven Wolke

2  Folgen nuklearer Tätigkeiten     31

von Südspanien bis nach Polen im Nordosten Europas wurde durch den Deutschen Wetterdienst (DWD) und das Lawrence Livermore National Laboratory (USA) nachträglich mittels mathematischen Modellen simuliert [40]. Beide Rechnungen zeigten eine gute Übereinstimmung mit den Messwerten, und dies, obwohl sich die Ausbreitung über rund 3000  km erstreckte. Das seit Tschernobyl eingerichtet webbasierte Informationsnetzwerk Ro5 [33], an dem Laboratorien aus 22 europäischen Ländern beteiligt sind, hat sich bei diesem Ereignis als äußerst hilfreich erwiesen [42]. • Weiter sind eine Reihe von (auch tödlichen) Zwischenfällen mit radioaktiven Strahlenquellen bei industriellen und medizinischen Anwendungen zu erwähnen sowie Zwischenfälle mit verlorenen oder gestohlenen Quellen, mit Spaltstoffen sowie Planungsfehler bei medizinischen Strahlentherapien. Kritikalitätsunfälle treten auf, wenn bei der Arbeit mit spaltbarem Material wie 235U und 239Pu die kritische Masse überschritten wird und es zu einer unkontrollierten nuklearen Kettenreaktion kommt. Stellvertretend hierfür sei der Kritikalitätsunfall von Tokaimura (Japan) vom 30.09.1999 erwähnt. Bei der Bearbeitung von Uran als Brennstoff für ein Brüterexperiment wurde infolge ungenügender Ausbildung und Überwachung sowie in grober Missachtung von Arbeitsvorschriften zu viel Uran mit einer Anreicherung auf 18,8 % 235U in einem einzigen Batch verarbeitet. Es kam zur Kritikalität und einer unkontrollierten Kettenreaktion mit Neutronenemissionen, bei der drei Mitarbeiter Strahlendosen von 17, 10 und 3 Sv erhielten. Zwei starben wenige Monate später trotz äußerst intensiver medizinischer Betreuung [43, 44]. Wurden Alexander Litwinenko und Yasser Arafat durch 210Po vergiftet? Die Vergiftung des Dissidenten und ehemaligen russischen Geheimdienstmitarbeiters Alexander Walterowitsch Litwinenko (1962–2006) mit radioaktivem 210Po im November 2006 in London ist ein tragisches Beispiel für die Tötung eines Menschen mithilfe radioaktiver Substanzen. Die dazu nötige Menge ist extrem klein: weniger als 1 Mikrogramm 210Po wirken bereits letal, sofern dieses in löslicher (resorbierbarer) Form oral aufgenommen wird. Vermutlich geschah dies bei Litwinenko mit einer Tasse Tee. Dass auch der Palästinenserführer Yasser Arafat (1929–2004) mit dem gleichen Isotop getötet wurde, kann nicht ausgeschlossen werden. Professor François Bochud, Direktors des Institut de Radiophysique (IRA) am CHUV in Lausanne, das diese Untersuchungen durchführte, meint dazu: « …such high levels of polonium, by definition … indicates third party involvement … Our results offer moderate backing for the theory of poisoning.» [12]

32     H. Völkle

2.3.1 Wiederaufarbeitungsanlagen für Kernbrennstoff Auch in der Umgebung von Wiederaufbereitungsanlagen für abgebrannten Kernbrennstoff entstanden kontaminierte Gebiete oder gefährdete Regionen. In diesen werden die in abgebrannten Brennelementen vorhanden wiederverwertbaren Stoffe wie 235U und 239Pu in einem aufwendigen technischen Verfahren abgetrennt, um sie für neue Brennelemente zu verwerten. Solche Anlagen sind bei Kernenergiegegnern sehr umstritten, sie bezweifeln deren Wirtschaftlichkeit, kritisieren deren Emissionen an langlebigen Radionukliden und weisen auf die Risiken der Transporte von Brennelementen und Rückständen hin. Ganz unbegründet sind solche Befürchtungen nicht, denn früher wurde (vor allem im militärischen Bereich) recht sorglos mit radioaktivem Material umgegangen. In Westeuropa gibt es noch zwei Standorte mit solchen Einrichtungen in Sellafield (UK) und La Hague (F). Weitere Anlagen befinden sich in Russland (Majak und Tomsk), in Indien (Trombay), in Japan (Tōkai), in den USA (Savannah River) und in Nordkorea (Nyŏngbyŏn). Einige Anlagen in Frankreich, Belgien und den USA sind mittlerweile stillgelegt worden. Sellafield (UK) Der Standort hieß früher Windscale und ist ein britischer Nuklearkomplex an der Irischen See im Nordwesten von England. Dort befinden sich eine Verglasungsanlage, Wiederaufarbeitungsanlagen, eine Anlage zur Herstellung von MOX-Brennelementen sowie ein Kernkraftwerk. Die Anlage wurde durch einen Brand im Jahre 1957 mit erheblicher Freisetzung von Radioaktivität (auf INES 5 klassiert [23]) sowie häufige nukleare Störfälle bekannt. Vor allem aus den Wiederaufarbeitungsanlagen wurden größere Mengen radioaktiver Stoffe in die Irische See abgegeben; in den Jahren 1965 bis 1985 waren das mehrere Tausend TBq. Dies führte zu bedeutenden Kontaminationen der Umgebung, weil infolge des großen Tidenhubs die radioaktiven Stoffe über Flüsse und Bächen zeitweise landeinwärts gespült werden. Erst auf Druck von Umweltorganisationen legten die Behörden tiefere Grenzwerte für die Ableitungen fest. «Marine discharges at Sellafield have led to significant concentrations of radionuclides in foodstuffs, sediments and biota. Discharges lead to current concentrations in some foodstuffs, which exceed European Community Food Intervention Levels (CFILs). The transfer of technetium to the biosphere is of

2  Folgen nuklearer Tätigkeiten     33

particular concern, because of its long half-life (214.000 years), its mobility in seawater and the high concentration factors in plants. Large uncertainties remain as to the transfer mechanisms and environmental fates of many radionuclides.» [11]

La Hague (F) Auf dem 2,5 km2 großen französischen Nuklearkomplex La Hague (F) befindet sich die Usine de Retraitement de La Hague. Er liegt auf der Halbinsel Cotentin in der Nähe von Cherbourg und umfasst zwei Wiederaufarbeitungsanlagen, die von der Cogema-Gruppe betrieben werden. Auch hier gab es mehrere Zwischenfälle. «Releases of radioactivity from La Hague to the environment are several orders of magnitude larger than releases from a nuclear reactor. Releases of some radionuclides have decreased in the past while liquid and gaseous discharges of other key radionuclides have increased significantly. A further group of radionuclides is not being measured in effluents. Increases of radioactive releases from La Hague in the 1990s and expected future discharges are in violation of obligations under the OSPAR Convention. …Past accidents at La Hague include at least one accident that led to population doses significantly exceeding EU limits.» [11]

2.3.2 Unfälle in Kernanlagen Die Ereignisse mit den bisher größten Auswirkungen auf Mensch und Umwelt waren die schweren Reaktorunfälle von Tschernobyl und Fukushima, bei denen die Reaktoren teilweise zerstört und große Mengen an Radioaktivität freigesetzt wurden. Die IAEA klassierte sie als Level 7, die höchste Stufe der INES-Skala für nukleare Ereignisse [23] (Kap. 6.7.1). Schließlich sind aber noch drei weitere Reaktorstörfälle zu nennen: • Der Störfall im Versuchsatomkraftwerk im schweizerischen Lucens/VD vom 21. Januar 1969.5 Dieser hatte glücklicherweise nur auf die Anlage schwerwiegende Auswirkungen, dagegen fast keine auf die Umwelt (Abb 2.1). 5Die

Centrale nucléaire expérimentale de Lucens (CNL) war ein von der Schweizer Industrie unter der Federführung von Brown, Boveri & Cie., Sulzer AG und Escher Wyss AG entwickelter DruckröhrenReaktor in einer Kavernenbauweise. Er befand sind in der nordöstlichen Talflanke des Tals der Broye südwestlich des Dorfes Lucens in Schweizer Waadtland. Er wurde mit schwach angereichertem Uran (0,96 %) betrieben, mit Schwerwasser als Moderator und CO2 als Kühlmittel bei eine elektrischen Leistung von 8,5 MW (INES-Klassierung des Unfalles Lucens: 4-5).

34     H. Völkle Das Schweizerische Versuchskernkrawerk Lucens in Kavernenbauweise

Kamin

Obere Ablustaon

FrischluAuereitung

 Fluss Broye

MaschinenKaverne Zugangsstollen

Reaktor

Betriebsgebäude

ReaktorKaverne

Nordwestliche Flanke des Broye-Tales südwestlich des Dorfes Lucens/VD

Abb. 2.1  Versuchsreaktor Lucens in Kavernenbauweise

«The accident was caused by water condensation forming on some of the magnesium alloy fuel element components during shutdown and corroding them. The corrosion products from this accumulated in some of the fuel channels. One of the vertical fuel channels was sufficiently blocked by it to impede the flow of carbon dioxide coolant so that the magnesium alloy cladding melted and further blocked the channel. The increase in temperature and exposure of the uranium metal fuel to the coolant eventually caused the fuel to catch fire in the carbon dioxide coolant atmosphere. The pressure tube surrounding the fuel channel split because of overheating and bowing of the burning fuel assembly, and the carbon dioxide coolant leaked out of the reactor. … No irradiation of workers or the population occurred, though the cavern containing the reactor was seriously contaminated. The cavern was decontaminated and the reactor dismantled over the next few years. The plant was totally decommissioned in 1988 and the last radioactive waste was removed in 2003.» [27]

• Beim Windscale Nuclear Reactor in Cumberland/UK (diese Anlage heißt heute Sellafield) kam es am 8. Oktober Jahre 1957 infolge eines Kontrollverlusts über den Reaktor zu einem Brand mit Freisetzung von Radioaktivität [47]. • Im Kernkraftwerk TMI6 bei Harrisburg (Pennsylvania, USA) kam es im Jahre 1979 zur teilweisen Kernschmelze mit Radioaktivitätsfreisetzung (Abb. 2.1). 6Three

Mile Island II Nuclear Reactor südlich der Stadt Harrisburg in Pennsylvania, USA.

2  Folgen nuklearer Tätigkeiten     35

Der Reaktorunfall in Lucens am 21. Januar 1969 «… Es geht gegen Abend zu im kleinen Waadtländer Städtchen Lucens, als es im Inneren einer bewaldeten Anhöhe südlich der Gemeinde zu einer Explosion kommt, von der zunächst niemand etwas vernimmt. Bei Lucens befindet sich, tief in den Fels gebaut, der erste und einzige rein schweizerische Reaktor, errichtet, um die Entwicklung eines eigenen Kernreaktors zur Energiegewinnung zu befördern. Keine drei Kilometer ist die Anlage vom Ortskern entfernt.» [13] «An diesem Tag im Januar 1969 soll sie nach monatelanger Revisionsphase wieder hochgefahren werden. Beunruhigt ist man in Lucens deswegen nicht. Man vertraut der Technik und den Versprechungen. Es herrscht winterliche Ruhe und Feierabendstimmung. Auch in der Felskaverne auf dem Gelände der Centrale nucléaire expérimentale deutet nichts auf Unregelmässigkeiten hin, als der Reaktor um 4 Uhr 23 in der Früh wieder angefahren wird. Die Grenzwerte werden eingehalten, alle Vorschriften beachtet. Kurz nach 17 Uhr abends erreicht der Reaktor eine Leistung von 12 Megawatt. Doch dann wird die Equipe von einer automatischen Schnellabschaltung überrascht, wie das Eidgenössische Nuklearsicherheitsinspektorat (ENSI) später rekonstruiert. Bei der soeben abgeschlossenen Revision hat sich in einigen Brennelementen Wasser angesammelt und zu Korrosion geführt, die jetzt die Kühlung des Reaktors beeinträchtigt. Das Brennelement 59 erhitzt sich so stark, dass es schmilzt und schliesslich das Druckrohr zum Explodieren bringt. Schweres Wasser und radioaktives Material werden durch die Reaktor-Kaverne geschleudert. Personal hält sich dort zum Glück nicht auf. Doch die Radioaktivität steigt rasch auch in den übrigen Teilen der Kaverne an. Die Equipe muss die Anlage fluchtartig verlassen.» [13]

2.4 Die Reaktorunfälle von Tschernobyl und Fukushima Die bis heute schwersten Reaktorunfälle waren jene vom 26. April 1986 in Tschernobyl, in der damals noch zur Sowjetunion gehörenden Ukraine, und jener vom 11. März 2011 im japanischen Fukushima. Beide Unfälle wurden mit Stufe 7 bewertet, der höchsten Stufe des INES-Klassierungsystems der IAEA für radiologische Ereignisse [23]. Auslöser bei Tschernobyl waren in erster Linie ein nicht auf Sicherheit ausgerichtetes Design mit im Vergleich zu westlichen Reaktoren wesentlichen Sicherheitslücken. Hinzu kamen eine Reihe gravierender menschlicher Fehlleistungen beim Betreiber und einer Gruppe von externen Technikern, die einen Test mit der auslaufenden Turbine durchzuführen hatten. So kam es bei der Simulation eines Stromausfalls infolge Verletzung der geltenden Sicherheitsvorschriften sowie mangelnder Sicherheitskultur und ungenügender betriebsinterner Kommunikation zu einer Leistungsexkursion mit Explosion und der Freisetzung von mehreren Tausend PBq (1015 Bq). Mitverantwortlich für das

36     H. Völkle Tab. 2.4  Freisetzung von Radionukliden durch die Reaktorkatastrophe von Tscherno­ byl [38] Isotop

Halbwertszeit

Aktivität [1015 Bq]

Masse [g]

Isotop

Halbwertszeit

Aktivität [1015 Bq]

Masse [g]

85Kr

10,8 a 5,25 d 33,6 d 3,2 d 8,02 d 20,8 h 2,06 a 13,2 d 30,2 a 50,5 d 28,8 a 39,3 d

33 6500 240 ≈ 1150 ≈ 1760 910 ≈ 47 36 ≈ 85 ≈ 115 ≈ 10 > 168

2290 939 215 100 382 21 980 13 26.587 106 1959 140

140Ba

12,8 d 64,0 d 2,74 d 32,5 d 285 d 2,36 d 87,7 a 24.100 a 6560 a 14,4 a 375.000 a 163 d

240 84 > 72 84 ≈ 50 400 0,015 0,013 0,018 ≈ 2.6 0,000.04 ≈ 0,4

89 105 4 79 713 46 23 5.661 2.142 682 274 3

133Xe

129mTe 132Te 131I 133I

134Cs 136Cs 137Cs 89Sr 90Sr

103Ru

95Zr

99Mo

141Ce 144Ce

239Np 238Pu 239Pu 240Pu 241Pu 242Pu

242Cm

Ausmaß der Katastrophe war auch die Bauart dieses mit Grafit moderierten Reaktors vom Typ RBMK-1000. Die radiologisch relevanten freigesetzten Radionuklide waren 131I, 134Cs und 137Cs. Bei weiteren potenziell gefährlichen Nukliden wie 90Sr und 239Pu war die Freisetzungsrate geringer, zudem war deren Volatilität kleiner; sie wurden mit dem Wind nicht so weit transportiert und in der näheren Umgebung abgelagert [37–39]. Die Reaktorkatastrophe von Fukushima, wurde durch einen gewaltigen Tsunami ausgelöst mit einer bis 40 m hoher Wellenfront. Dieser war die Folge eines Seebebens von der Magnitude 9 im Pazifischen Ozean, 70 km vor der Ostküste der japanischen Hauptinsel Honshū. Offiziell werden als Folge dieses Tōhuku-Seebebens 18.537 Tote und, im Jahr 2013, noch 2654 Vermisste angegeben. 470.000 Menschen mussten in Notunterkünfte evakuiert werden, 375.000 Häuser wurden vollständig oder teilweise zerstört. Das Beben war so stark, dass die Insel Honshū (das japanische Kernland) um 2,4 m nach Osten verschoben wurde. Die Katastrophe im Kernkraftwerk Fukushima-Daiichi7 wurde zwar durch den Tsunami ausgelöst, aber infolge schwerwiegender Sicherheitsmängel bei

7Glücklicherweise wurde die andere Anlage von Fukushima, die 12 km südlich von Daiichi gelegene Anlage Fukushima-Daini, bestehend aus vier Reaktorblöcken mit insgesamt 4,4 GWth, durch die Tsunami-Welle nicht überflutet und somit auch nicht beschädigt. Das ist allein darauf zurückzuführen, dass dieses Werk rund 2 m höher liegt als jenes von Fukushima-Daiichi, das aus sechs Reaktorblöcken mit einer Gesamtleistung von 4,5 GWe besteht, wovon zur Zeit des Unfalles nur drei in Betrieb waren.

2  Folgen nuklearer Tätigkeiten     37

der Betreiberfirma TEPCO8 ganz wesentlich verschlimmert.9 Hinzu kam, dass die betroffenen Anlagen weder über Vorrichtungen zur gefilterten Druckentlastung noch solche zur katalytischen Rekombination von Knallgas verfügten, Einrichtungen, die längst Stand der Technik waren. Diese 1966 bis 1971 gebauten Anlagen wurden nie sicherheitstechnisch überprüft und entsprechend nachgerüstet. Solche Inspektionen, sogenannte ­OSART-Missionen durch Experten der IAEA, können von den Mitgliederländern angefordert werden. In Japan wurden bis 2011 nur bei den neueren Werken OSARTMissionen durchgeführt. bei Fukushima-Daiichi jedoch nicht. Dann wären nämlich Betreiber und Behörden auf die vielen Sicherheitsmängel aufmerksam gemacht worden. Wären diese Mängel beseitigt worden hätte die nukleare Katastrophe wahrscheinlich vermieden werden können. Beim Tōhuku-Seebeben wurden zwar alle in Betrieb stehenden Reaktorblöcke sofort automatisch abgeschaltet, es gab danach jedoch Probleme bei der Kühlung, also der Ableitung der Nachzerfallswärme. Die Anlagen waren durch den Tsunami vom Netz getrennt worden und die ­Diesel-Notstromgeneratoren durch die Flutwelle überflutet, also nicht mehr betriebsfähig. Es fehlte somit der Strom zum Betrieb der Kühlmittelpumpen. Da die Grundsätze der mehrfachen Redundanz, also einer räumlichen Trennung und Diversifikation aller sicherheitsrelevanten Einrichtungen, hier nicht umgesetzt waren, standen keine anderen Stromquellen oder Notstromgeneratoren zur Versorgung, um die Pumpen mit Strom versorgt. In den nicht mehr gekühlten Reaktoren kam es in der Folge zur teilweisen Kernschmelze in den Blöcken 1 bis 3. Die Reaktorblöcke 4 bis 6 waren zur Zeit des Unfalls nicht in Betrieb. Als Folge der Überhitzung kam es in den Blöcken 1 bis 3 zusätzlich zur Bildung von Wasserstoff und damit zu Knallgasexplosionen mit großen Schäden an Reaktoren und Gebäuden. Der Reaktor von Block 4 war zu dieser Zeit für eine Reparatur der Kernmantelverankerung10 vollständig ausgeräumt. Es befanden sich deshalb mehrere komplette Kernladungen von Brennelementen im Brennelementlagerbecken dieses Reaktors, möglicherweise ein zusätzliches Risiko. Hier kam es ebenfalls zu einer Wasserstoffexplosion, da Wasserstoff über Lüftungskanäle aus dem Nachbarblock hereinströmte. 8Die

Tokyo Electric Power Company (TEPCO) betreibt verschiedene Kraftwerke, darunter drei Kernkraftwerke mit insgesamt 17 Reaktoren und einer Gesamtleistung von 17,3 GW und 25 fossilthermische Kraftwerke mit einer Leistung von 38,2 GW. 92002 wurde bekannt, dass Firmenvertreter über 16 Jahre lang Reparaturberichte über Kernkraftwerke von TEPCO gefälscht und den Aufsichtsbehörden in hunderten Fällen sicherheitsrelevante Vorfälle verschwiegen hatten. https://de.wikipedia.org/wiki/Kernkraftwerk_Fukushima_Daiichi (Zugegriffen 07.03.2017). 10Der Kernmantel ist ein Bestandteil eines Siedewasserreaktors; er befindet sich im Reaktordruckbehälter und umhüllt den Reaktorkern. Der Kernmantel sorgt dafür, dass die Brennelemente von unten nach oben vom Kühlwasser zur Zirkulation durchströmt werden.

38     H. Völkle

Bei dem Unfall in Fukushima wurden folgende Aktivitätsmengen in die Luft freigesetzt [19, 39, 45, 46]: 131I: 124 PBq, 137Cs: 8,8 PBq und 133Xe: 7300 PBq [19].11 Die Abgaben ins Meer betrugen nach derselben Quelle bei 131I zwischen 9 und 18 PBq und bei 137Cs zwischen 3 und 6 PBq. Aus der Luft auf das Meer abgelagert wurden bei 131I zwischen 60 und 100 PBq und bei 137Cs 5 bis 8 PBq. Insgesamt kommt der IAEA-Bericht zu Fukushima zu folgenden Schlüssen [19]: Die Freisetzung von aerosolgebundener Aktivität war eine Größenordnung kleiner als jene in Tschernobyl. Auf der Basis sehr konservativer Abschätzungen betrug die Freisetzung von 131I und 137Cs 25 % beziehungsweise 45 % von jener in Tschernobyl. Der Anteil an Stoffen mittlerer Flüchtigkeit wie 90Sr, 103Ru und 140Ba war deutlich geringer als in Tschernobyl. Die Emissionen enthielten in Fukushima praktisch keine hochschmelzenden Metalle wie etwa 95Zr oder Plutonium. Die Freisetzung von weniger flüchtigen oder von nichtflüchtigen Stoffen wird zu 0,01 bis 0,1 % im Vergleich zu jener von Tschernobyl angegeben. Beim Plutonium beispielsweise betrug nach dem UNSCEAR-Bericht (2008) die Freisetzung etwa 1 PBq, war also vier Grössenordnungen geringer als in Tschernobyl [39]. Ganz grob geschätzt betrug die Freisetzung in Fukushima somit etwa 10 % von jener beim Unfall in Tschernobyl. Die radiologisch relevanten Radionuklide waren hingegen dieselben wie in Tschernobyl, nämlich 131I und 137Cs [6, 19]. Beide Reaktorkatastrophen wurden mit Stufe 7 bewertet, dem höchsten Level der International Nuclear Event Scale (INES) der IAEA. In beiden Fällen wurde die Bevölkerung aus der Nahumgebung der Reaktoren evakuiert: in Tschernobyl aus einem Gebiet mit einem Radius bis zu 30 km und aus einem vergleichbar großen Gebiet um die Reaktoren von Fukushima-Daiichi. Eine temporäre oder permanente Rückkehr wird, zumindest für die am stärksten kontaminierten Bereiche, wohl noch längere Zeit nicht möglich sein. Bei beiden Unfällen verloren mehr als 100.000 Menschen ihre Häuser und Wohnungen, Bauernhöfe, Arbeitsplätze, ihr soziales Netzwerk, aber auch Sicherheit, Selbstbestimmung und die Hoffnung auf eine wirtschaftlich und menschlich gesicherte Zukunft. Bemerkenswert ist auch, dass im Fall von Tschernobyl die nachträglichen Subventionszahlungen durch die sowjetische Regierung die Situation der Betroffenen nicht wesentlich verbessert hat. Im Gegenteil, sie hat bei diesen zu einer passiven (lethargischen) Opferhaltung geführt und damit zum Verlust der Fähigkeit und auch der Motivation, über ihr Leben selbst zu bestimmen. Was fehlte war Hilfe zur Selbsthilfe, also eine Form 11Nach

dem IAEA-Bericht lag einzig beim Edelgas 133Xe die Freisetzung in Fukushima um etwa das 1,5- bis 2-Fache höher als in Tschernobyl, was auf das deutlich größere Spaltstoffinventar bei den drei betroffenen Reaktoreinheiten in Fukushima zurückzuführen ist [19].

2  Folgen nuklearer Tätigkeiten     39

von Hilfe und Unterstützung mit dem Ziel, die Resilienz der Betroffenen zu stärken und zu befähigen, möglichst rasch wieder auf eigenen Beinen stehen, um ihr Schicksal und ihre Zukunft selbst in die Hand zu nehmen [19]. Viele Kernenergieexperten – im Fall von Fukushima auch eine durch die japanische Regierung eingesetzte Fachkommission – kamen zum Schluss, dass beide Katastrophen hätten vermieden werden können oder zumindest nicht dieses Ausmaß hätten erreichen dürfen. In beiden Fällen waren sowohl die technische Sicherheit als auch die Sicherheitskultur ungenügend. Sie waren nicht auf einem Niveau, wie es in vielen, aber leider noch nicht allen Ländern sowie in andern Bereichen mit hohen Sicherheitsanforderungen heute der Fall ist, etwa der Zivilluftfahrt.12

2.5 Die Auswirkungen der Katastrophe von Tschernobyl 2.5.1 Die Strahlenexposition der Mitarbeitenden Die Strahlendosen der Aufräumarbeiter bei Tschernobyl, der am stärksten betroffenen Personengruppe, fasst der UNSCEAR-Bericht von 2008 folgendermaßen zusammen: Die mittlere effektive Dosis der sogenannten Liquidatoren (in englischsprachigen Texten werde sie Recovery Operations Worker genannt) für den Zeitraum von 1986 bis 1990 liegt bei 120 mSv und kam überwiegend aus externer Bestrahlung. Die einzelnen Dosiswerte variieren zwischen weniger als 10 mSv und über 1000 mSv; etwa 80 % der Dosen lagen in einem Bereich zwischen 20 und 500 mSv. Die Unsicherheiten bei den einzelnen Zahlenwerten variieren zwischen weniger als 50 % und 500 %. Bei den Angehörigen der Armee wird eine Überschätzung der Dosiswerte vermutet. Die effektive Kollektivdosis der rund 530.000 Liquidatoren wird auf etwa 60.000 Personen-Sv geschätzt [38]. Leider ist, wie UNSCEAR schreibt, die Datenlage unvollständig, was Angaben zu den Schilddrüsendosen dieser Arbeiter verhindert. Die an den Liquidatoren durchgeführten epidemiologischen Studien zeigen eine Zunahme bei den Leukämien (auch CLL), beim Non-Hodgkin-Lymphom und beim Schilddrüsenkrebs. Für andere Krebserkrankungen sind die Daten weniger klar. Auch bei Nicht-KrebsErkrankungen wurde eine Zunahme festgestellt, etwa bei koronaren Herzerkrankungen, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Katarakten [25]. 12Nach einem Bericht des Guardian vom 15.10.2015 kam sogar die Betreiberfirma TEPCO im Nachhinein zum Schluss, dass diese Katastrophe hätte verhindert werden können.

40     H. Völkle

2.5.2 Die Folgen für die betroffene Bevölkerung Eine umfassende Bewertung der radiologischen Auswirkungen dieser Reaktorkatastrophe ist keine leichte Aufgabe, wenn man sich mit der großen Zahl von Berichten und Publikationen (nicht immer von wissenschaftlich einwandfreier Qualität) auseinandersetzen will. Es können keine genauen Zahlen angeben werden und es ist praktisch unmöglich, Schätzungen über die Auswirkungen epidemiologisch zu belegen oder zu verifizieren. Insbesondere variieren die Berechnungen der zu erwartenden Krebstodesfälle in der Bevölkerung der drei meistbetroffenen Länder Ukraine, Weißruss­ land und Russische Föderation um Größenordnungen und sind immer noch Gegenstand kontroverser Diskussionen. Es mag daher wenig objektiv erscheinen, nur einige dieser Studien zu zitieren. Eine aus der Sicht des Schreibenden kompetente Veröffentlichung über die Auswirkungen von Tschernobyl ist das Buch von Jim Smith und Nicholas A. Beresford [34]. Aus diesen und weiteren Publikationen und Berichten [4, 5, 20, 39, 45, 46] werden im Folgenden Ergebnisse zusammengefasst. Tab. 2.5 präsentiert. Tab. 2.5  Strahlendosen Bevölkerung durch den Reaktorunfall Tschernobyl [8, 20, 38] Anzahl in SchildDurch den Reaktorunfall von Tschernobyl betroffene Tausend drüsen-Dosen (Mittelwerte) Bevölkerungsgruppen [mGy] (1986)

Effektive Dosen (Mittelwerte) [mSv] (1986)

Effektive Kollektivdosis [Perso­nenSv]h

Liquidatoren Evakuierte Gebiete Bewohner kontaminierter Gebiete Weißrussland, Ukraine, Russische Föde­ rationd Bewohner von Belarus, Russische Föderation Übriges Europaf aFür

530 115 6400

–a 490 102

117b 31c 9c, e

61.200 3600 58.900

98.000

16

1,3c, e

125.000e

500.000

1,3

0,3c, e

130.000e

die Schilddrüsendosen der Arbeiter sind keine Daten vorhanden durch externe Bestrahlung von 1986 bis 1990; hier gilt mGy ≈ mSv cSumme aus externer und interner Bestrahlung, jedoch ohne Schilddrüsendosen dGebiete der ehemaligen SU (UdSSR) mit 137Cs-Kontaminationen > 37  kBq/m2 = 1  Ci/ km2 eGeschätzte Zunahme während der verbleibenden Lebenserwartung: ca. 25 % fAlle übrigen Länder Europas, außer BY, UA, RUS, Türkei, Kaukasus, Andorra & San Marino hIntegraldosis bis zum Jahr 2005 bHauptsächlich

2  Folgen nuklearer Tätigkeiten     41 Tab. 2.6  Berechnete radiologische Auswirkungen des Reaktorunfalles Tschernobyl (Krebsinzidenz und -sterblichkeit) [14] Anzahl Schildder Per­ drüsensonen krebs [ × 106]

Betroffene Bevölkerung

Kontami­na­ tion [kBq/m2]

Liquidatoren Evakuierte Stärker konta­ minierte Gebiete Kontaminierte Gebiete in BY, UA und RUS Übrige Regio­ nen in BY, UA und RUS Übriges Europa Summe inkl. Europa

– 0,53 – 0,115 > 555 0,025 (≈ 15 Ci/km2)

Effektive Kollektivdosis [Pers.-Sv]

KrebsKrebsinzidenz todesfälle (ohne Schilddr.)

– 77.000 – 5000 6000 16.000 (bis 2008)

9000 600 2000

4000 300 1000

> 37 (≈ 1 Ci/km2)

6,4

57.000

6000

3000

< 37

92

83.000

9000

5000

– –

500 –

163.000 –

19.000 45.600

9000 22.300

Die International Agency for Research in Cancer (IARC) kam in Zusammenarbeit mit der WHO unter Verwendung von mathematischen Modellen zu den folgenden Zahlen [20]: Für die Bevölkerung von ganz Europa, also rund 570 Mio. Menschen, rechnet sie bis zum Jahr 2065, also über einen Zeitraum von 80 Jahren, mit etwa 16.000 zusätzlichen Schilddrüsenkrebs-Erkrankungen (bei einem 95-Prozent-Vertrauens­ intervall von 3400 bis 72.000), bei den übrigen Krebserkrankungen mit 25.000 zusätzlichen Fällen (bei einem 95-Prozent-Vertrauensintervall von 11.000 bis 59.000). Bei den strahlenbedingten Todesfällen prognos­ tiziert das IARC 16.000 Fälle (bei einem 95-Prozent-Vertrauensintervall zwischen 6700 bis 38.000). Bezogen auf ganz Europa bedeutet dies eine Erhöhung der Krebstodesfälle um 0,01 %. Andere Quellen ergeben für die gesundheitlichen Auswirkungen von Tschernobyl leicht höhere Berechnungen (Tab. 2.6). Bislang durchgeführte epidemiologische Studien bezüglich ­ NichtSchilddrüsen-Krebserkrankungen bei der Bevölkerung ergeben keine klaren Resultate: « … showed a lack of evidence for the growth of solid cancer incidence among the population.» [34]

42     H. Völkle

Dies könnte mit den verhältnismäßig geringen Dosen, den langen Latenzzeiten, der mangelhaften Datenqualität, der ungenügenden statistischer Signifikanz und dem Fehlen von Vergleichsdaten zusammenhängen: « … There are some doubts whether such an increase can be determined since predictive models estimate that the increase of incidence (mortality) will not exceed a few percent for the lifetime of the exposed population.» [34]

Da die meisten der betroffenen Länder nicht über ein Krebsregister verfügen oder verfügten, die weitere Beobachtung der betroffenen Personen zum Teil lückenhaft ist und zudem die Daten über den allgemeinen Gesundheitszustand der Bevölkerung mangelhaft sind, wird es praktisch unmöglich sein, solche Prognosen zu verifizieren. Bei den Kindern der betroffenen Regionen kam es zu einem massi­ ven Anstieg von Schilddrüsenerkrankungen und Schilddrüsenkrebs, verursacht durch die Aufnahme von radioaktivem Jod. Diese ist eine Folge der ungenügenden Information der Bevölkerung und den Mangel an KI-Tabletten. Die Situation wurde möglicherweise durch den Umstand ­ verschlimmert, dass diese Gebiete als Jodmangelgebiete gelten. Da hier zu wenig inaktives Jod (127I) in der Nahrung ist, wird in der Schilddrüse das radioaktive Jod stärker aufkonzentriert (Abb. 2.2). In den am stärksten betroffenen Ländern Weißrussland, Russische Föde­ ration und der Ukraine kam es zwischen 1986 und 2002 zu 2010, 483 bzw. 2344 Fällen von Schilddrüsenkrebs. Betroffen sind vor allem Kinder, die zur Zeit des Reaktorunfalles jünger als 17 Jahre alt waren [4, 5]. «Since the accident, the number of patients having thyroid cancer (exposed as children and adolescents in 1986) in Belarus, Russia and the Ukraine has rea­ ched 4000.» [34].

Keine Zunahme wurde dagegen bei den Leukämien festgestellt. Einzige Ausnahme sind die Liquidatoren: «… did not find evidence of increased leukemia incidence among children and adults subjected to exposure due the Chernobyl accident.» [34].

Die durch den Unfall Tschernobyl weitaus am stärksten Betroffenen waren die 192.000 russischen Liquidatoren:

2  Folgen nuklearer Tätigkeiten     43 15

Inzidenz Schilddrüsenkrebs pro 100000 Personen in Weißrussland

10

5

0 1984

1986

1988

1990

Erwachsene

1992

1994

1996

1998

Jugendliche

2000

2002

2004

Kinder

Abb. 2.2  Schilddrüsenkrebserkrankungen bei Kindern, Jugendlichen und jungen Erwachsenen in Weißrussland nach Tschernobyl. Zum Vergleich: Die Basisinzidenz in den USA liegt bei 0,2 Fällen pro 100.000 Personen (nach [32])

«The mean dose (of these «Liquidators») was approximately 0,1 Gy (roughly equivalent to 0,1 Sv) from external irradiation, and internal radiation doses are assumed not to contribute much to the total dose. … The latest estimate of WHO in 2006 suggested that 4,6 % of all fatalities that occurred during 1 year after the accident can be attributed, either directly or indirectly, to radia­ tion exposure associated diseases, among them 2,3 % to ­ radiation-induced cancer, 2 % cardiovascular diseases and 0,3 % to radiation-induced leukemia. The liquidator studies are certain to provide much important information in the future on radiation risks from low dose rate radiation exposure.» [17]

2.5.3 Die Auswirkungen auf die Schweiz Die radiologischen Auswirkungen auf die Schweiz und die Reaktion auf das Ereignis ist in einer Übersichtsarbeit zusammengefasst [15]. Die ausführlichen

44     H. Völkle Tab. 2.7  Mittlere Strahlenexposition in mSv der Schweizer Bevölkerung durch den Reaktorunfall Tschernobyl [15, 26] Exposition extern Inhalation Nahrung davon

Radionuklide

131I

134Cs, 137Cs

andere Summe

1985 [mSv]

Dosis-Integral 1986 bis 2000 [mSv] 0,17 0,01 0,36

0,05 0,01 0,16 0,065 0,09 0,01

0,065 0,28 0,01 0,23

0,53

Ergebnisse aller damals in der Schweiz durchgeführten Untersuchungen wurden an der Tagung „Radioaktivitätsmessungen in der Schweiz nach Tschernobyl und ihre wissenschaftliche Interpretation“ am 20. Bis 22. Oktober 1986 Bern vorgestellt. Die einzelnen Beiträge wurden vom Bundesamt für Gesundheit (Bern), zusammen mit der Universität Bern und weiteren Organisationen, in zwei Tagungsbänden veröffentlicht.13 Die durchschnittlichen Strahlendosen der schweizerischen Bevölkerung durch den Reaktorunfall Tschernobyl sind in Tab. 2.7 zusammengefasst. Die Variationen nach Regionen und Personengruppen sind recht groß. Für das erste Jahr nach dem Unfall ergeben sich die folgenden Dosiswerte in mSv: Tessin 0,96; Ostschweiz 0,35; Zentral- und Nordschweiz 0,18; Westschweiz 0,11. Der Landesdurchschnitt betrug 0,23 mSv (Abb. 2.3, 2.4, 2.5 und 2.6). Das Dosisintegral bis 2000 liegt im Durchschnitt bei 0,53 mSv. Bei Selbstversorgern im Tessin und in den Bündner Südtälern waren die Dosiswerte bis etwa 10-mal höher als die Durchschnittswerte der betreffenden Region. In anderen Ländern betrugen die Integraldosen: Österreich 0,98 mSv; Deutschland 0,17 mSv; Italien 0,33 mSv; Frankreich 0,07 mSv [8, 38]. Durch den Reaktorunfall in Tschernobyl wird, bezogen auf eine Gene­ ration, die gesamte übliche Strahlenexposition der schweizerischen Bevölkerung um nur 0,4 % erhöht. Auf Basis der ICRP-Risikofakten [21, 22] lässt sich ableiten, dass die spontane Krebsinzidenz der Schweizer von rund 66.000 Fällen im selben Zeitraum um ein halbes Promille zunimmt. Statistisch ist dies nicht nachweisbar (Abb. 2.4 und 2.5).

13Weiterführende Informationen finden sich im 29. und 30. KUER-Berichten für die Jahre 1985/86 und 1987/88 sowie ab 1989/90 in den regelmäßigen Jahresberichten des Bundesamtes für Gesundheit zur Umweltradioaktivität (BAG) [2, 26].

2  Folgen nuklearer Tätigkeiten     45

3

3

14

4

10 6

5