Rückbau kerntechnischer Anlagen

Text: Felix Wilde, Jola Horschig

Für Stilllegung und Rückbau von kerntechnischen Anlagen gibt es die beiden Varianten »Sofortiger Abbau« oder »Sicherer Einschluss«. Letztere bedeutet, dass beispielsweise Brennelemente, Kühlmittel und Brandlasten ausgebaut und die technischen Einrichtungen mit Ausnahme von Sicherheitsmaßnahmen (Lüftung, Alarmanlage) außer Betrieb genommen werden. Der Reaktordruckbehälter wird in einen so genannten sicheren Zustand überführt und versiegelt. Ziel ist, die Radioaktivität in mehreren Jahrzehnten abklingen zu lassen und dann die Anlage abzubauen. Im sicheren Einschluss befinden sich der Versuchsreaktor Jülich und das Kernkraftwerk Lingen.

Zurückgebaut werden derzeit neun Kernkraftwerke, darunter der erste kommerzielle Siedewasserreaktor (SWR) Deutschlands in Würgassen (Bild 1), dessen Abschaltung 1994 erfolgte. Der Abbruch kerntechnisch genutzter Gebäude unterscheidet sich gravierend vom Abriss konventioneller Bauten, denn es geht darum, Mensch und Umwelt vor den radioaktiven Strahlen zu schützen. Aus diesem Grund unterliegen Stilllegung und Rückbau einem strengen und zeitintensiven Genehmigungsverfahren. So erfolgt der Abriss des Kernkraftwerkes Würgassen in sechs Phasen, von denen fünf aus atomrechtlichen Gründen beim Ministerium für Wirtschaft und Mittelstand, Energie und Verkehr (MWMEV) in Düsseldorf genehmigt werden müssen. Parallel zur Antragsbearbeitung laufen die Abbrucharbeiten. Die Genehmigung für die Stilllegung und die erste Phase des Rückbaus lag im April 1997 vor. Bis dahin befand sich der SWR an der Weser im so genannten Stillstandsbetrieb. Er ermöglichte es, auf der Grundlage der noch vorhandenen Betriebsgenehmigung vorbereitende Arbeiten, wie beispielsweise Ausbau und Abtransport der Brennelemente, durchzuführen sowie ein Stilllegungs- und Rückbaukonzept zu entwickeln. Auch der Abbruch der beiden Kühltürme erfolgte in diesem Zeitraum.

Die Demontage- und Zerlegetechniken, die beim Rückbau eines Kernkraftwerkes eingesetzt werden, unterscheiden sich nicht grundsätzlich von den Technologien, die für konventionelle Bauwerke eingesetzt werden. Zerstörungsintensive Verfahren, wie die Abrissbirne und das Sprengen sind nur unter Einhaltung jeglicher Richtlinien anwendbar. Zu den Entscheidungskriterien zählt die mögliche Kombination mit geeigneten Handhabungssystemen, denn für die Arbeit unter Strahlenschutzbedingungen ist eine Fernhantierung bzw. ein Unterwassereinsatz unumgänglich. Die Zerlegung der Bauteile unter Wasser, die in Würgassen im gefluteten Druckbehälter erfolgt, verbindet mehrere Vorteile. Wasser schirmt die Strahlung ab, bindet die Aerosole, die als Prozessnebenprodukte anfallen, und ermöglicht gleichzeitig eine relativ gute Sicht auf die Arbeiten.

Eine weitere Besonderheit sind die Technologien für die chemische und die mechanische Dekontamination. Chemische Verfahren mit organischen und anorganischen Säuren, Schäumen, Gelen und Komplexbildnern werden in der Regel im Innern von Rohrleitungen eingesetzt und reinigen diese durch einen permanenten Ionenaustausch. Zur mechanischen Dekontamination zählen das Absaugen oder Abbürsten der Oberfläche, die Hochdruckreinigung mit Wasser oder Dampf und die Technologien mit Oberflächenabtrag wie Abraspeln und Schaben sowie Strahlverfahren mit Sand oder Stahlkugeln.

Mit den Verfahren zur Dekontamination wird nicht nur der oberflächig abgelagerte Anteil der Radioaktivität entfernt, sondern auch eine dünne Materialschicht einschließlich eventueller Ablagerungen in kleinen Rissen und an unzugänglichen Stellen abgetragen. Ziel ist, die Radioaktivität der Bau- und Anlagenteile und die Menge der kontaminierten Abfälle soweit wie möglich zu senken.

Bei den Zerlegetechniken, von denen einige speziell für den Abbruch von kerntechnischen Anlagen entwickelt wurden, unterscheidet man zwischen den thermischen und den mechanischen Verfahren. Thermische Technologien schmelzen den Werkstoff auf und werden daher hauptsächlich für Metalle eingesetzt. Zu ihnen zählt das Lichtbogen-Wasserstrahl-Schneiden, bei dem das Metall mit Hilfe eines Lichtbogens aufgeschmolzen wird und ein gezielter Wasserstrahl das flüssige Material aus der Schnittfuge spült. Unter Wasser können bei diesem Verfahren Materialstärken bis zu 100 mm getrennt werden. Ein anderes Verfahren ist die Funkenerosion, bei der durch immer wiederkehrende Berührungen zwischen Elektrode und Werkstück Lichtbögen bzw. Funken gezündet werden. Der Vorteil dieser Technologie besteht in dem kleinen Werkzeugkopf, der bei beengten Platzverhältnissen wie beispielsweise im Reaktordruckbehälter einzusetzen ist.

Das Plasmaschmelzschneiden kann nur bei Werkstücken mit elektrischer Leitfähigkeit verwendet werden. Hierbei wird durch die elektrisch angeregte Ionisation des Schneidgases zwischen dem Werkstück und der Brennelektrode ein Plasmastrahl mit hoher Dichte erzeugt. Das Verfahren erlaubt eine schnelle Schnittführung und schmale Schnittfugen. Hinzu kommen geringer Verschleiß von Düse und Elektrode sowie die Einsetzbarkeit an Luft und unter Wasser, wo Blechdicken bis zu 150 mm getrennt werden können.

Beim autogenen Brennschneiden wird das Werkstück exotherm (Wärme abgebend) mit einem Schneidsauerstoffstrahl zertrennt. Bearbeitbare Materialien sind legierte und niedriglegierte Stähle sowie Molybdän und Titan. Die zu bearbeitenden Blechdicken liegen zwischen 100 mm an der Luft und 3–200 mm unter Wasser, wo allerdings zusätzlich eine Gaskaverne zum Schutz der Heizflamme nötig ist.

Das Kontakt-Lichtbogen-Metall-Schneiden ist ein elektrothermisches Unterwasser-Schneidverfahren, bei dem zwischen der Schneidelektrode und dem Werkstück eine Spannung erzeugt wird. Die Elektrode wird mit Hilfe eines Manipulators, einer Vorrichtung zum Versetzen und zur Verlängerung, bis zum Kontakt mit dem Werkstück verfahren. An der Kontaktstelle entsteht ein Kurzschlussstrom von mehreren tausend Ampere. Durch die entstandene Energie verflüssigt sich das Material. Gleichzeitig zugeführtes Gas entzündet sich und treibt durch die eigene Volumenvergrößerung das aufgeschmolzene Material aus. Wie beim normalen Schweißen sorgen weitere Zündungen dafür, dass dieser Vorgang unendlich fortgeführt werden kann. Mit dem Verfahren können alle plattierten elektrisch leitenden Werkstoffe aufgeschnitten werden. Die schneidbare Werkstoffdicke steht in Abhängigkeit zur Elektrodenlänge und deren Kühlung.

Das Laserstrahlschneiden ermöglicht drei verschiedene Prozessarten: das Laserstrahlschmelzschneiden, das Laserstrahlbrennschneiden und das Laserstrahlsublimierungsschneiden. Beim Laserstrahlschmelzschneiden wird der Werkstoff aufgeschmolzen und mit einem Inertgasstrahl aus der Schnittfuge ausgetrieben. Der Unterschied zum Laserstrahlbrennschneiden besteht darin, dass anstelle des Inertgasstrahls Sauerstoff verwendet wird. Dadurch entsteht bei Erreichen der Zündtemperatur eine exotherme Reaktion mit dem Werkstoff. Das Verfahren eignet sich für große Materialdicken und ermöglicht schnelle Schneidgeschwindigkeiten. Das Laserstrahlsublimierungsschneiden, bei dem ein Laserstrahl den Werkstoff verdampft und ein Inertgas das verdampfte Material aus der Schnittfuge treibt, befindet sich für den Einsatz in kerntechnischen Bereichen noch in der Entwicklung.

Ein weiteres Verfahren ist die Mikrowellentechnologie, mit deren Hilfe die Oberflächen von Betonstrukturen zerstört und abgetragen werden können. Der Einsatz der Technologie hängt vom Feuchtegehalt des Betons ab (Tabelle 2).

Mechanische Zerlegeverfahren können für alle Werkstoffe, auch Verbundwerkstoffe aus Beton und Metall, eingesetzt werden. Sie setzen im Gegensatz zu den thermischen Verfahren grobe Partikel wie Späne und Staub frei, die aufgefangen und gefiltert werden müssen. Zu den ›

› mechanischen Zerlegeverfahren zählen der Einsatz von Diamant-Ketten- und –Seilsägen, die zum Trennen von Stahlbetonkonstruktionen verwendet werden. Die Technologie wurde im konventionellen Bereich sehr weit entwickelt und daher auch in den bereits rückgebauten Kernkraftwerken Greifswald und Großwelzheim eingesetzt. Vorgesehen ist sie auch bei der Zerlegung des Biologischen Schildes im Kernkraftwerk Grundremmingen.

Sägeverfahren (Kreis-, Band-, Stich- und Bügelsäge) sind sehr flexibel verwendbar und werden bei vielen Stilllegungsprojekten eingesetzt. Sie haben den Nachteil, dass sie viel Platz benötigen und dass im Bereich des Reaktordruckbehälters nur spezielle Sägeeinrichtungen verwendbar sind. Die Schnitttiefe der Verfahren wird durch Länge des Schnittblattes bestimmt und ist in der Praxis wegen des hohen Verschleißes auf etwa 100 mm begrenzt (Tabelle 3).

Trennschleif- bzw. Trennschneidmaschinen werden elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch angetrieben, sind mobil einzusetzen und ermöglichen Schnittdicken bis zu 30 mm. Sie können ohne Einschränkungen unter Wasser und an der Luft und für alle Materialien (Beton, Metall, Verbund-stoffe) verwendet werden.

Beim Wasserabrasivverfahren wird ein Hochgeschwindigkeitsstrahl (doppelte Schallgeschwindigkeit, 3000 bis 6000 bar), in dem kleine mineralische Partikel enthalten sind, auf das Material gelenkt. Die Vorteile des Verfahrens liegen in der geringen Konstruktionsgröße und der einfachen Handhabung. Bei einer Schnittfugenbreite von 0,8 bis 1,2 mm entstehen nur wenig Abfälle, zu berücksichtigen ist allerdings der Sekundärabfall durch verbrauchtes Strahlmittel. Die Technologie ist auch unter Wasser einsetzbar. Hier sind allerdings spezielle Filteranlagen notwendig, damit das Wasser nicht mit dem Strahlmittel verschmutzt wird. Das Verfahren wurde beim Rückbau des Versuchskraftwerkes Kahl mit einer Schnitttiefe von 130 mm erfolgreich verwendet.

Rohr- und Trennscheren können universell eingesetzt werden, beispielsweise auch unter Wasser bei der Zerlegung von Brennelementkästen. Hydraulikscheren verfügen über eine hohe Leistung und können mit Hilfe eines Manipulators angewandt werden (Bild 4).

Das Kernbohren eignet sich für Arbeiten am Biologischen Schild, das aus einer armierten, bis 125 cm dicken Betonwand besteht. Bewährt hat sich das Verfahren beim Rückbau der Kernkraftwerke Großwelzheim und Grundremmingen.

Presslufthammer, die auch mit Manipulatoren kombiniert werden können, eignen sich ausschließlich für das Zerlegen von nicht kontaminierten Betonstrukturen. Beim Kernkraftwerk Niederaichbach, das bereits vollständig rückgebaut ist, wurde ein an einen Bagger montierter Presslufthammer für die Zerlegung des Biologischen Schildes verwendet.

Intensive Planung und Schutzmaßnahmen erfordert das Sprengen, mit dem Stahlkonstruktionen, Rohre und Plattenmaterial bis zu einer Dicke von 150 mm zertrennt werden können. Das Verfahren ist sehr kostengünstig, da mit mehreren Kilo Sprengstoff mehrere Tonnen Beton inkl. der Armierung gelöst werden können. Vorteilhaft ist weiterhin, dass keine weiteren Großmaschinen für die Zerkleinerung der Bruchstücke eingesetzt werden müssen. Das Verfahren wird jedoch – wegen der anfallenden Sekundärarbeiten und der Druckwelle – nur bei größeren Vorhaben realisiert.

Der Dampferzeuger des Kernkraftwerkes Grundremmingen bestand aus einer Vielzahl von Rohrschleifen, die aus Platzgründen nicht konventionell zerlegt werden konnten. Aus diesem Grund entwickelte man das Eissägen, bei dem der Dampferzeuger mit einer Isolierung versehen, mit Wasser geflutet und durch Abkühlung auf –15 °C bis –20 °C eingefroren wurde. Die Eiskristalle fixierten die Einbauten im Innern und ermöglichten, das Innere mit einer horizontal geführten Bandsäge zu zerlegen.

Die Abbruchmengen, die beim Rückbau eines Kernkraftwerkes anfallen, sind enorm. Beim Siedewasserreaktor Würgassen handelt es sich voraussichtlich um 255 000 t, die zu 80 % aus Stahlbetonstrukturen bestehen, der Rest sind Bauteile aus Stahl, Kupfer, Messing und Kunststoff. 2 % der Gesamtmasse sind radioaktiver Abfall. Diese Teile werden in »handliche« Stücke zerlegt, in Blechfässer gefüllt und mit einer Hochdruckpresse verdichtet. Von diesen Presslingen passen 3–5 in spezielle Behälter, die bis zum Transport in ein Endlager in Würgassen zwischengelagert werden.

97 % der Abfallmaterialien können sofort, 1 % kann nach erfolgter Dekontamination wiederverwertet werden. Diese Abbruchstücke werden nach mehrfachen Messungen sowie einer Überprüfung durch einen Gutachter gemäß der Strahlenschutzkommissions-Empfehlung von 1998 freigegeben und bis zum Abtransport zur Recyclinganlage zwischengelagert (Bild 5).

Der Siedewasserreaktor Würgassen wurde Ende der 1960er Jahre errichtet und ging im Dezember 1971 in Betrieb. Er hatte eine Nettoleistung von 640 MW und erzeugte bis zu seiner Abschaltung im Jahr 1994 rund 72,9 Mrd. kWh Strom. Derzeit erfolgen im Rahmen der Phasen IV und V die Demontage des Reaktordruckgefäßes, des Biologischen Schildes und des Sicherheitsbehälters sowie das Entfernen der letzten technischen Einrichtungen. Geplant ist, dass bis Mitte 2014 die leeren Gebäude freigemessen und aus dem Kontrollbereich entlassen werden. Danach werden die Bauten selbst abgebrochen und das Gelände rekultiviert.

Zu den Kosten für Rückbau, Entsorgung und Endlagerung von kerntechnischen Anlagen gibt es keine genauen Zahlen. Sie werden beispielsweise bei Forschungs- und Kleinreaktoren, die nicht der Stromerzeugung dienen und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstehen, auf 3 Mrd. Euro geschätzt und vom Bund bezahlt. Darin sind die Aufwendungen für Nachbetrieb, Entsorgung der Brennelemente, Rückbau und Endlagerung enthalten. Bei Anlagen, die zum Geschäftsbereich des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (im Vertrag zur deutschen Wiedervereinigung aufgeführte Anlagen in Greifswald, Rheinsberg und Wismut) gehören, wurde der Gesamtaufwand auf ca. 10 Mrd. Euro beziffert. Diese Aufwendungen, für die ebenfalls der Bund zuständig ist, verteilen sich über einen Zeitraum von zwanzig Jahren.

Bei den Energieversorgungsunternehmen (EVU) werden die Abbruchkosten auf die Energiepreise aufgeschlagen und entsprechende Rücklagen gebildet. 1999 belief sich dieser Aufschlag nach Angaben des BMBF auf 1,3 Pf/kWh. Die Rückbaukosten für das Kernkraftwerk Würgassen schätzt die E.ON Kernkraft GmbH auf 700 Mio. Euro, die sich jeweils zu einem Drittel auf den Restbetrieb, den Rückbau und die Entsorgung verteilen. Hinzu kommen 300 Mio. Euro für die Endlagerung. •