Dammbruch: Wie weiter mit KKW Saporischschja?

Auch nach dem Dammbruch des Kachowka-Stausees am 6. Juni 2023 sei die Kühlung des derzeit von Russland besetzten ukrainischen Kernkraftwerks Saporischschja gewährleistet, war aus den Medien zu erfahren. Doch wieso eigentlich? Wie funktioniert der Kühlteich des Kernkraftwerks? Welche weiteren Wasserressourcen können die Kühlung langfristig sichern? Wir liefern die technischen Hintergrundinformationen.

Die Dnipro-Kaskade

Der Dnipro fließt durch insgesamt sechs große Stauseen. Diese staffeln sich in folgender Reihenfolge mit den angegebenen Entfernungen zum Kernkraftwerk Saporischschja:

• Kyjiw-Stausee (Kyjiwer Meer), 592,5 Kilometer flussaufwärts
• Kaniew-Stausee, 469,5 Kilometer flussaufwärts
• Krementschuk-Stausee, 320,5 Kilometer flussaufwärts
• Dniprodserschinsk-Stausee, 206,5 Kilometer flussaufwärts
• Saporischschja-Stausee, 77,5 Kilometer flussaufwärts
• Kachowka-Stausee, 152,5 Kilometer flussabwärts

Das Kernkraftwerk Saporischschja befindet sich in der Dnipro-Kaskade an der letzten Staustufe, dem Kachowka-Stausee, bevor der Fluss in das Schwarze Meer fließt. Der Standort wurde bereits während der Planungen des Kernkraftwerks in den späten 1970ern für den hypothetischen Fall eines Bruchs aller Staudämme oberhalb des Standortes ausgelegt. Daraus ergibt sich die Standorthöhe von 22 Metern, auf denen die sechs Reaktoren gegründet sind.

Warum ist der Kachowka-Stausee wichtig für das Kernkraftwerk?

Da der Damm, der den Kachowka-Stausee bildet, unterhalb des Kernkraftwerks Saporischschja liegt, besteht durch ihn keine Überflutungsgefahr. Die Gefahr ist vielmehr umgekehrt: Durch einen Bruch der Staumauer kann der Wasserspiegel abfallen. Das kann problematisch sein, weil das Wasserreservoir, also der Stausee, den Kühlsee des Kernkraftwerks mit Wasser versorgt. Dieses Wasser wird für den Normalbetrieb der Anlage und für die Zusatzwasserversorgung benötigt. Unter dem Begriff »Zusatzwasser« versteht man die Wassermengen, die für das Auffüllen von Systemen und zur Bereitstellung für die Subsysteme entnommen und aufbereitet werden. Dadurch werden Verdunstungsverluste oder etwaige Prozessverluste ausgeglichen.

Der Kühlsee dient zwei Zwecken: Zum einen wird das warme Kühlwasser in einem geschlossenen Zirkulationssystem isoliert, um Wärmeemissionen in den Fluss zu verhindern. Zum anderen soll der Kühlsee noch nach sowjetischen Ideen als Absetzbecken für etwaige radioaktive Isotope dienen, die mit dem Wasser aus dem Kernkraftwerk in den See geleitet werden. Diese Isotope setzen sich im Schlamm am Boden ab und werden isoliert. Dies betrifft insbesondere Tritium.

Der Kühlsee selbst ist ein in sich geschlossenes ökologisches System und beherbergt Fisch- und Pflanzenarten, die im Dnipro nicht heimisch sind. Sie dienen vornehmlich dazu, die Reinheit des Wassers sicherzustellen und ein Kippen des Systems zu verhindern. Viele Kernkraftwerke in Russland und der Ukraine wenden dieses System an.

Funktionsweise des Kühlsees

Im Normalbetrieb strömt Wasser für den Kühlsee aus dem Kachowka-Stausee zunächst in die Vorlaufkanäle des benachbarten Wärmekraftwerks (blaue Pfeile in Abb. 3). Das Wärmekraftwerk nutzt das Wasser zunächst selbst zur Kühlung und leitet das erwärmte Wasser danach über seinen Rücklaufkanal weiter in Richtung Kühlsee (rote Pfeile in Abb. 3). Die rechte in Abb. 3 markierte Pumpstation kann Wasser auch direkt in den Rücklaufkanal des Wärmekraftwerks pumpen und somit in Richtung Kühlsee leiten. Außerdem kann die linke in Abb. 3 markierte Pumpstation direkt Wasser aus dem Stausee in den Kühlsee pumpen.

Beim Betrieb des Kernkraftwerks zirkuliert das Wasser zwischen den Reaktorblöcken und dem Kühlsee hin und her (Abb. 4). Um Verdunstungsverluste aufzufüllen, wird Wasser aus dem Kachowka-Stausee wie oben beschrieben nachgefüllt. Zum Ausgleich leichter Niveauunterschiede befindet sich an der Südwestseite des Kühlsees ein Überfallwehr, eine Art Überlaufrinne, das Kühlsee und Stausee verbindet. Es begrenzt den Wasserstand im Kühlsee nach oben, hält aber auch einen Mindestwasserstand im Kühlsee, wenn das Wasser im Stausee niedriger steht. Der Wasserdurchsatz des Überfallwehrs liegt bei 40 Kubikmetern pro Stunde.

Für die Kühlung selbst sind im Kühlsee Sprühanlagen installiert, außerdem gibt es zwei Kühltürme und Sprühteiche im Norden (Abb. 4). Im Sommerbetrieb sorgen sie nicht nur für zusätzliche Kühleffekte, sondern sie vermischen auch das aus dem Dnipro entnommene wärmere Wasser zusätzlich mit kühlerem Wasser und Sauerstoff. Hierdurch wird eine zu hohe Temperatur im Kühlsee verhindert und das ökologische Gleichgewicht gehalten.

Die Auslegung des Stausees und des Kühlsees sieht einen Wasserstand von 16 Metern über dem Schwarzmeerspiegel vor. Der Grund des Kühlsees und des Flusses liegen in der Umgebung des Kernkraftwerks 8 Meter oberhalb des Schwarzmeerspiegels. Die Wassertiefe des Kühlsees beträgt damit normalerweise 8 Meter.

Wasserstände in Ausnahmesituationen

Der Stausee und der Kühlsee haben in ihrer jeweils eigenen Auslegung unterschiedliche Wasserhöchst- und -tiefststände. Durch diesen Unterschied entwickeln sich Ereignisse im Staudamm und im Kühlsee unterschiedlich. Im Folgenden beziehen sich alle Höhenangaben auf das Schwarzmeerniveau.

Der Kachowka-Stausee hat normalerweise einen Wasserspiegel von 15,6 bis 16 Metern. Der höchste je gemessene Wert wurde in den 1960ern mit einer Füllhöhe von 19,36 Metern erreicht. Der tiefstmögliche Wasserstand beträgt 12,7 Meter. Innerhalb dieser Auslegungsparameter kann die Pumpstation des Kühlsees Wasser aus dem Stausee in den Kühlsee des Kernkraftwerks pumpen. Am 8. Juni 2023 berichtete die IAEA, dass die Mindestförderhöhe des Pumpenhauses, die zuvor wie erwähnt mit 12,7 Metern angegeben worden war, nicht korrekt sei. Nach neuen Erkenntnissen kann offenbar auch bei einem Niedrigstand von bis zu 11 Metern gefördert werden. Diese Angaben hat der Kernkraftwerksbetreiber Energoatom bestätigt.

Der Kühlsee des Kernkraftwerks hat normalerweise einen Wasserspiegel von 16 Metern und passt diesen in der Regel dem Stand des Stausees bis zu einem Höchststand von 16,5 Metern und einem Tiefststand von 13 Metern an. Der Tiefststand von 13 Metern wird vorgegeben durch die bauliche Höhe des Überfallwehrs, dessen unterstes Maß auf dieser Höhe liegt. Das bedeutet, selbst wenn der Wasserstand im Stausee absinkt, behält der Kühlsee eine Wassertiefe von 5 Metern bei.

Der tiefste Stand, der im Stausee erreicht werden kann, wurde im EU-Stresstest für Kernkraftwerke der Ukraine ermittelt. Dort wurde von einem Versagen der Staumauer des Kachowka-Stausees infolge eines Erdbebens ausgegangen. Im Fall einer vollständigen Zerstörung der Staumauer über die gesamte Höhe würde laut Stresstestbericht der Wasserspiegel am Standort Saporischschja auf 10 Meter absinken. Dieser Wert liegt unterhalb der nötigen Förderhöhe für das Pumpenhaus des Kühlsees. Ein Fördern von Wasser ist dann nicht mehr möglich und kommt einem vollständigen Verlust der Hauptwärmesenke gleich.

Risiko Kühlseedammbruch nur gering

Ein weiteres Szenario brachte die ukrainische Atomaufsichtsbehörde SNRIU am 9. Juni 2023 laut The Kyiv Independent ins Spiel. Danach bestehe die Möglichkeit, dass der Damm zwischen dem Kachowka-Stausee und dem Kühlsee brechen könnte. Der EU-Stresstestreport für Kernkraftwerke der Ukraine stellt auf Seite 50 allerdings klar, dass dies nur bei hoher Wasserströmung im Dnipro der Fall sein kann. Dies könne dann passieren, wenn die Staumauern der Dnipro-Kaskade flussaufwärts brechen sollten. Eine Strömung von 0,5 Metern pro Sekunde würde den Damm binnen fünf Tagen durch Erosion langsam abtragen und brechen lassen. Sofern die Wasserstandshöhen innerhalb der Auslegung des Kühlsees gehalten werden, könne der Damm nicht brechen. Am 9. Juni 2023 lag der Wasserstand des Kühlsees mit 16,66 Metern rund 16 Zentimeter über der Auslegung von 16,5 Metern.

Gegenmaßnahmen bei niedrigem Wasserstand

Als Lehre aus den Reaktorunfällen im Kernkraftwerk Fukushima-Daiichi 2011 und infolge des EU-Stresstests für Kernkraftwerke 2012 hat der Betreiber Energoatom diverse Maßnahmen vorgesehen, um bei einem Bruch der Staumauer des Kachowka-Stausees besser mit der Situation klarzukommen. Dies betrifft besonders die Beschaffung von Wasser auf alternativen Wegen, wenn der Dnipro als primäre Wasserquelle wegfällt. Diese Maßnahmen sind im EU-Stresstestreport für Kernkraftwerke der Ukraine beschrieben.

Um das Wasser im Kühlsee zu halten, ist nach einem Bruch der Staumauer regulär vorgesehen, das Überfallwehr des Kühlsees mit Erde zu verfüllen, sodass der Wasserstand im Kühlsee hoch bleibt und nicht absinkt (Stresstestreport Seite 50). Hierzu soll lose Erde aus der Umgebung mit Lastkraftwagen herangefahren und Schicht für Schicht verdichtet werden. Es ist nichts darüber bekannt, dass dies in der aktuellen Lage tatsächlich geschieht. Diese Option fällt daher möglicherweise weg, sodass der Wasserstand auf 13 Meter über Schwarzmeerniveau zurückgehen wird.

Eine Aufnahme des Sentinel-Satelliten des sich leerenden Stausees vom 8. Juni 2023 zeigt allerdings, dass sich auf der Seite des Staudamms hinter dem Überfallwehr eine Erhöhung des Flussbettes befindet, die ein Absinken des Wasserspiegels verhindert. Diese Erhöhung ist ein Überrest eines Damms, der während des Baus der Anlage genutzt wurde. Energoatom gab am selben Tag bekannt, dass der Wasserspiegel unverändert bei 16,6 Metern im Kühlsee liege, während der Stausee nur noch ein Niveau von 12,9 Metern aufweise. Der hohe Wasserstand im Kühlsee über das Auslegungsniveau von 16,5 Metern hinaus ist bedingt durch ein Hochwasser, das vor dem Bruch der Staumauer im Staudamm herrschte.

Mobile Pumpen und Brunnen

Als weitere Maßnahme hat Energoatom mobile Pumpen beschafft, darunter Feuerwehrfahrzeuge, die für eine Auffüllung der Zusatzwasseranlagen und der Dampferzeuger der Reaktoren bereitstehen (Stresstestreport Seite 82). Das Wasser kann dann auch aus tieferen Wasserständen des Kühlsees und des Dnipro entnommen werden. Die mobilen Pumpen können innerhalb einer Stunde nach Alarmierung Wasser bereitstellen.

Infolge des Angriffskriegs Russlands auf die Ukraine hat Energoatom im September 2022 nach eigener Aussage eine weitere Möglichkeit ausgearbeitet, Wasser am Standort zu beschaffen. Diese umfasst bei vollständigem Verlust des Dnipro als Wasserquelle die Nutzung von Grundwasser aus Brunnen am Standort.

Kühlsee reicht für die nächsten Monate

Der ukrainische Betreiber des Kachowka-Stausees, Ukrhydroenergo, war davon ausgegangen, dass der Stausee binnen vier Tagen nach der Zerstörung der Staumauer entleert sein wird. Für das Kernkraftwerk Saporischschja stellt das Absinken des Wasserspiegels im Kühlsee kurzfristig keine Gefahr dar. Mittelfristig wird der Kühlsee weiter Wasser verlieren durch Entnahme seitens des Kernkraftwerks und durch Verdunstungsverluste. Der Sekretär des Nationalen Sicherheits- und Verteidigungsrates der Ukraine, Oleksij Danilow, erklärte in einem Interview, dass die Abnahme des Wasserspiegels langsam erfolge und die Wasserversorgung für die nächsten vier Monate stabil sei.

Vor dem Ablauf dieser vier Monate müssen entsprechende Maßnahmen zur Wasserversorgung des abgeschalteten Kernkraftwerks Saporischschja vorbereitet werden, um die langfristige Versorgung der einzelnen Nebensysteme sicherzustellen. Der träge Verlauf der Gesamtsituation gibt dabei wertvolle Zeit für Handlungsspielraum. Die russische Rosenergoatom als gegenwärtige Herrin der Anlage hat mobile Pumpen aus dem Kernkraftwerk Smolensk herangefahren.

Leistungsbetrieb vorerst ausgeschlossen

Für einen Leistungsbetrieb der Anlage fehlt derzeit allerdings jede Möglichkeit, genügend Kühlwasser bereitzustellen. Vor einer Wiederinbetriebnahme der Reaktoren müssen weitergehende Maßnahmen ergriffen werden. Eine Option ist der Wiederaufbau der Staumauer des Kachowka-Stausees. Eine vermutlich schnellere Lösung wäre, das Kühlwasserpumpenhaus so umzubauen, dass es auch aus dem tieferliegenden Fluss Wasser in den Kühlsees pumpen kann. Bis dahin kann das Kernkraftwerk Saporischschja aber keinen Strom erzeugen.

Block 5 des Kernkraftwerks befand sich bislang in der sogenannten Heißabschaltung. Der Reaktor war unterkritisch, also ohne nukleare Kettenreaktion, erzeugte aber mit Hilfe seiner Hauptumwälzpumpen Fernwärme für die Stadt Enerhodar – quasi eine Wärmepumpe der anderen Art. Das Kernkraftwerk und das Wärmekraftwerk Saporischschja sind die einzigen Wärmequellen von Enerhodar. Einen Hilfskessel für einen Ersatz der Wärmelieferungen gibt es nicht. Am 8. Juni ordnete die Atomaufsichtsbehörde SNRIU an, auch Block 5 in die Kaltabschaltung zu überführen.

Aktuelle Informationen über den Wasserstand im Kachowka-Stausee, in den Kanälen des Wärmekraftwerks Saporischschja und im Kühlsee veröffentlicht Energoatom täglich auf seinem Telegram-Kanal.

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Titelbild: Kühlsee des Kernkraftwerks Saporischschja. Quelle: IAEA Imagebank, CC-BY-3.0.

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Dirk Egelkraut ist Mechatroniker in der Automatisierungsbranche und als Mitglied in der Nuklearia aktiv. Er betreibt die Deutsche Nucleopedia und befasst sich technisch und historisch mit der russischen Atomwirtschaft.