Rückhaltung von radioaktivem Jod bei einem schweren KKW-Unfall

Kernkraftwerke sind so ausgelegt, dass die radioaktiven Stoffe, die bei einer Schmelze des Reaktorkerns freigesetzt werden, von einem Containment (Schutzhülle aus Stahlbeton) zurückgehalten werden und nicht in die Umwelt gelangen. Im Havariefall wird der Druck innerhalb des Containments allerdings mitunter so gross, dass ein radioaktiv kontaminiertes Dampf-Gas-Gemisch mit einer gezielten Druckentlastung an die Umwelt abgegeben werden muss. Um bei diesem Vorgang – in der Fachsprache Venting genannt – die radioaktive Belastung von Mensch und Umwelt möglichst gering zu halten, setzt ein Teil der Kernkraftwerk-Betreiber seit längerer Zeit Filter ein, die die kontaminierte Abluft vor der Abgabe an die Umwelt reinigen. Schweizerische Kernkraftwerke haben seit rund 20 Jahren solche Venting-Filter eingebaut, die nach dem damaligen Stand des Wissens über 95 % des radioaktiven Jods zurückhalten könnten. Neuere Forschungsergebnisse zeigten jedoch, dass sich verschiedene Jod-Formen bilden können, die mit bisherigen Systemen ungenügend oder nicht dauerhaft herausgefiltert würden. Jod ist nämlich sehr flüchtig und die chemische Form ist mitentscheidend für die Rückhaltung. Zwar ist die Halbwertszeit des häufigsten radioaktiven Jods, das bei einem Reaktorunfall freigesetzt werden könnte, mit acht Tagen vergleichsweise kurz. Allerdings könnte der Stoff weit verfrachtet werden und ist auch deshalb besonders gefährlich für den Menschen. Bei Aufnahme durch die Atemluft oder die Nahrung lagert sich Jod hauptsächlich in der Schilddrüse ab und kann dort in seiner radioaktiven Form Krebs verursachen. Dieser Gefahr wird bisher begegnet, indem in der Umgebung von Kernkraftwerken Jodtabletten bereitgehalten werden, die im Fall eines schweren Unfalls die Aufnahme von radioaktivem Jod in der Schilddrüse und damit Erkrankungen der betroffenen Bevölkerung verhindern sollen.

Vollständig und langfristig filtriert

PSI-Forscher unter der Leitung von Salih Guentay haben ein Verfahren entwickelt, welches das radioaktive Isotop Jod-131 praktisch vollständig aus der Abluft filtriert. Filterverfahren existierten bereits in der Vergangenheit, allerdings waren sie nicht bei allen Jod-Formen wirksam, und überdies vermochten sie das Jod nicht langfristig zu binden. Beide Mängel werden durch die neue PSI-Methode beseitigt. „Das neue Verfahren erlaubt es, alle Formen von Jod – sei es elementar oder organisch gebunden – zurückzuhalten, dies mit langfristiger Wirkung, denn eine erneute Verflüchtigung wird verhindert“, sagt Martin Jermann, Vizedirektor des PSI. Ein weiterer Nutzen des neuen Filtersystems: Nicht nur das gasförmige Jod, sondern auch mit Jod kontaminierte Aerosole – also winzige Staubpartikel – werden besser zurückgehalten als in herkömmlichen Filtern. Dabei ist der neue Druckentlastungsfilter auf die ausserordentlichen Bedingungen bei einem Venting – hohe Temperaturen, hoher Druck, Anwesenheit vieler Spaltprodukte – ausgelegt. Das Filtersystem ist so konstruiert, dass trotz hohem Rückhaltefaktor keine Verstopfung auftritt, die die Druckentlastung beeinträchtigen könnte.

Umwandlung in wasserlösliches Jod

Wo Jod in flüchtiger Form in der Luft freigesetzt wird, geschieht dies als elementares Jod (I₂) oder als Teil einer organischen Verbindung (z. B. Methyliodid CH₃I). Um flüchtiges Jod wirksam aus der Abluft zu filtern, muss es in wasserlösliches Jod umgewandelt werden. Bei elementarem Jod gelingt das durch eine chemische Reaktion mit Thiosulfat (S₂O₃^2-). Im Fall von organischen Verbindungen braucht die Umwandlung einen Katalysator. Als Katalysator setzt das PSI-Verfahren langkettige quartäre Amine ein. Ist das flüchtige Jod erst in wasserlösliches Iodid umgewandelt, kann es zuverlässig aus der Abluft entfernt werden. Wird nach einem schweren Nuklearunfall mit Kernschmelze eine Druckentlastung des Containments nötig, wird das jodhaltige Gemisch aus Dampf und Gasen durch das Filtersystem geleitet. Dort wird das Jod gebunden und kann mit dem Filter fachgerecht entsorgt werden. Das von Aerosolen und Jod gereinigte Dampf-Gas-Gemisch wird in die Umwelt entlassen.

Gewachsene Nachfrage nach Fukushima

Die vom PSI entwickelte und patentierte Filtermethode steht nun für den Einsatz in Kernkraftwerken auf der ganzen Welt bereit. Die CCI AG in Balterswil (TG) setzt das PSI-Verfahren in einem auf Sulzer-Technologie beruhenden Filter ein. Die Suche nach einem Industriepartner zur Vermarktung seines Patents hatte das PSI schon lange vor Fukushima begonnen, jedoch: „Der Markt für Druckentlastungsfilter hat sich nach Fukushima rasant entwickelt. Der vom PSI entwickelte Jodfilter verschafft uns einen technischen Konkurrenzvorteil“, sagt Denis Grob, Leiter Nuclear Services bei CCI. Branchenkenner veranschlagen das Marktpotenzial für neue Filtersysteme auf über eine Milliarde Schweizer Franken. Weltweit sind rund 430 Reaktorblöcke in Betrieb. Viele von ihnen haben kein oder nur ein unzureichendes Filtersystem im Einsatz. „Wir müssen die KKW-Betreiber noch überzeugen, dass sie die bestmögliche Technologie einsetzen“, sagt Grob. In vielen Ländern sind die Aufsichtsbehörden nach dem Nuklearunfall von Fukushima zurzeit daran, die Auflagen an die Filteranlagen zu verschärfen. Das PSI partizipiert über Lizenzgebühren am kommerziellen Ertrag des von ihm entwickelten Filtersystems. „Das PSI kann mit dem neuen Verfahren seine langjährige Erfahrung in der Jod- und Aerosol-Forschung für die Sicherheit der Kernkraftwerke nutzbar machen“, sagt PSI-Vizedirektor Jermann.

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Mensch und Gesundheit, sowie Energie und Umwelt. Mit 1500 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 300 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.

ÜBER CCI

Die CCI AG in Balterswil (TG) entwickelt und produziert mit rund 200 Mitarbeitenden unter anderem Ventile für Dampfkreisläufe von Kraftwerken. Das Unternehmen ist eine Tochter des internationalen Ingenieursunternehmen IMI mit Sitz in Birmingham (GB).