Wasserstoffentwicklung in Atomkraftwerken – Updated

Update am 17.3.: Offenbar scheint großes Interesse an den Hintergründen zu bestehen. Deshalb habe ich den Artikel erweitert und Quellen ergänzt. Die Ergänzungen sind jeweils unterstrichen.

Bereits gestern habe ich einen Link zur Dissertation von M. Bendiab gepostet. In dieser werden verschiedene Mechanismen diskutiert, wie in Kernkraftwerken Wasserstoff entstehen kann. Dieser Wasserstoff war vermutlich der Grund, warum es verschiedene Explosionen in mehreren Blöcken des KKW Fukushima gegeben hat. Außerdem scheint es, dass es ähnliche Störfälle (die glimpflich abliefen) auch in deutschen Kernkraftwerken bereits gegeben. Wie also kommt Wasserstoff in ein Kernkraftwerk?

Zunächst: Das eigentliche Spaltmaterial der Kernkraftwerke ist in Pellets gepresstes Urandioxid ([latex size="1"]UO_{2}[/latex]), in einigen Fällen zusätzlich auch ein Plutoniumoxid (Sogenannte Mischoxid-Elemente, kurz MOX-Brennelemente). Diese Pellets werden durch eine Hülle aus Zirkalloy, einer Legierung mit hohem Zirkoniumanteil, umschlossen. Die Pellets mit der Hülle bilden den sogenannten Brennstab, der einige Millimeter dick ist. Viele dieser Brennstäbe werden dann gebündelt und bilden die Brennelemente, von denen mehrere wiederum den Kern eines KKW bilden (siehe Bild).

Brennelement eines KKW. Foto: Wilfried Wittkowsky, 2005, Gefunden bei Wikimedia Commons.

Entsteht nun - zum Beispiel auf Grund geringer Kühlung - eine bestimmte Menge Wasserdampf und ist die Temperatur erhöht, so kann eine Redox-Reaktion zwischen Wasser und Zirkonium (Zr) einsetzen. Diese verläuft exotherm, liefert also zusätzlich weitere Wärme, wodurch noch mehr Wasser verdampfen kann. Die Reaktionsgleichung hierfür ist:

[latex size="1"]Zr + 2 H_{2}O \longrightarrow ZrO_{2} + 2 H_{2}[/latex]

Eine Druckerhöhung ist hierdurch per se erstmal in meinen Augen kaum zu erwarten, da ja pro Wassermolekül auch ein Molekül Wasserstoff entsteht. Die Hauptkomponente der Druckerhöhung im Reaktor dürfte - soweit ich als Laie auf diesem Gebiet das überblicken kann - eher die erhöhte Temperatur sein.

Die ganze Reaktion ist - soweit ich das nachvollziehen kann - temperaturabhängig. Ob eine Reaktion spontan abläuft, hängt von der freien Enthalpie [latex size="1"]\Delta G[/latex] ab. Diese ist selbst nach der Gibbs-Helmholtz-Gleichung aber (in diesem Falle leicht) temperaturabhängig.

Ebenfalls kann durch Reaktion von Wasserdampf mit verschiedenen anderen, im Reaktor vorhandenen Stoffen, Wasserstoff entstehen. Einzelheiten in der oben verlinkten Dissertation. Zusätzlich kann durch Einwirkung ionisierender Strahlung Wasser direkt zu Wasserstoff und Sauerstoff umgesetzt werden (Radiolyse). Das ist dann natürlich eine ganz unangenehme Mischung...

Solange Wasserstoff nicht mit Sauerstoff in Kontakt kommt, ist die Welt noch in Ordnung. Ist dieser jedoch verfügbar - durch die Luft oder andere chemische Reaktionen - kann es einen ordentlichen Knall geben: Die Knallgasreaktion, die schon in kleinen Mengen sehr eindrucksvoll sein kann:
Ob es zu einer Explosion kommt, hängt stark vom Mischungsverhältnis Wasserstoff-Luft-Wasserdampf ab. Eine schöne Übersicht findet sich in der Dissertation von P. Drinovac (S.8).

Neben der oben bereits erwähnten Reaktion von Wasser mit Zirkonium und der direkten Radiolyse von Wasser durch Strahlung spielen bei gewissen Temperaturen auch die folgenden Reaktionen eine Rolle (siehe Diss Bendiab, S. 38):

[latex size="1"]3 UO_{2} + 2 H_{2}O \longrightarrow U_{3}O_{8} + 2 H_{2}[/latex]

Diese Reaktion spielt bei Temperaturen ab 1100 °C eine Rolle. Ebenso kann bei Temperaturen ab 1000 °C das im Stahl des Druckbehälters vorhandene Eisen zu verschiedenen Eisenoxiden oxidiert werden:

[latex size="1"]Fe + H_{2}O \longrightarrow FeO + H_{2}[/latex]

[latex size="1"]2 Fe + 3 H_{2}O \longrightarrow Fe_{2}O_{3} + 3 H_{2}[/latex]

Weitere Möglichkeiten finden sich ebenfalls bei Bendiab. Die Theorie einer direkten Thermolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff, wie sie im H2Blog vorgeschlagen wird, halte ich persönlich für eher unwahrscheinlich, da diese erst bei wesentlich höheren Temperaturen (ab 2500 °C . Laut Riedel (2. Aufl. 1990, S. 272) liegt das Gleichgewicht der thermischen Dissoziation von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff erst weit jenseits von 2000°C merklich auf Seite der Elemente) einsetzt. Bei diesen Temperaturen wäre aber wohl alles andere innerhalb des Reaktors geschmolzen, was so zumindest nicht in der Presse zu lesen war.