5. Auslegungsgrundlagen zur nuklearen Sicherheit und Einordnung des Gefährdungspotenzials einer BEVA (NTB 24-02)

Damit eine Kernanlage in der Schweiz betrieben werden darf, wird gemäss Art. 4 KEG der Schutz von «Mensch und Umwelt vor Gefährdungen durch ionisierende Strahlen» gefordert. Diesem Anspruch folgend, dürfen somit radioaktive Stoffe «nur in nicht gefährdendem Umfang freige­setzt werden», und «es muss insbesondere Vorsorge getroffen werden gegen eine unzulässige Freisetzung radioaktiver Stoffe sowie gegen eine unzulässige Bestrahlung von Personen im Nor­malbetrieb und bei Störfällen».

Der Schutz von Mensch und Umwelt wird im Zuge des RBG anhand der Einhaltung der grund­legenden Schutzziele und dem der BEVA zugrunde liegenden gestaffelten Barrieren- und Schutz­konzepts dargelegt²³. Dabei wird das Gefährdungspotenzial einer BEVA aufgezeigt und im Vergleich zu anderen Kernanlagen eingeordnet. Die Einordnung stützt sich dabei auf bestehende quantitative Analysen dieser Anlagen.

Die Gewährleistung ausreichender nuklearer Sicherheit einer Kernanlage wird gemäss Art. 7 KEV und in Anlehnung an Art. 1 Bst. d der UVEK-Verordnung (UVEK 2009) durch die Einhal­tung der grundlegenden Schutzziele

• Kontrolle der Reaktivität

• Kühlung der Kernmaterialien und der radioaktiven Abfälle

• Einschluss radioaktiver Stoffe

• Begrenzung der Strahlenexposition

gewährleistet. Diese Schutzziele werden nach Art. 2 Abs. 3 UVEK-Verordnung in jedem Fall eingehalten, wenn für Kernanlagen, die keine Kernkraftwerke sind, die Anforderungen nach Art. 7 und Art. 8 UVEK-Verordnung²⁴ erfüllt sind.

In den folgenden Kapiteln wird die Einhaltung der Schutzziele anhand des gestaffelten Barrieren- und Schutzkonzepts und des Gefährdungspotenzials einer BEVA – auf Basis dessen die Einhal­tung der Dosiswerte gemäss Art. 7 der UVEK-Verordnung aufgezeigt wird – diskutiert. Zur Gewährleistung der nuklearen Sicherheit im Normalbetrieb und bei Störfällen wird zudem ent­sprechend Art. 7 KEV eine gestaffelte Sicherheitsvorsorge gefordert. Für die BEVA wird die gestaffelte Sicherheitsvorsorge, soweit diese für die Erfüllung der Anforderungen nach Art. 7 und 8 der UVEK-Verordnung erforderlich ist, entsprechend umgesetzt.

Um während der gesamten Betriebszeit der BEVA einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, d. h. den sicheren Einschluss der radioaktiven Stoffe und die Begrenzung der Strahlenexposition von Mensch und Umwelt jederzeit sicherzustellen, werden die radioaktiven Stoffe durch ein gestaf­feltes Barrierenkonzept aus folgenden, voneinander unabhängigen Barrieren (vgl. Fig. 5‑1) einge­schlossen:

1. Abfall- oder Brennstoffmatrix: Die Radionuklide sind in einer wasserunlöslichen Matrix (Glas- oder Keramikmatrix für WA-HAA bzw. BE) fest eingebunden.

2. Umschliessung: Die Matrix ist entweder in einem Hüllrohr (BE)²⁵ oder in einem Stahl- zylinder (WA-HAA) eingeschlossen. Das Hüllrohr bzw. der Stahlzylinder sind gasdicht ver­schweisst. Zudem zeigen sie ein duktiles²⁶ Materialverhalten und weisen damit eine ent­sprechende Robustheit gegenüber mechanischen Belastungen auf.

3. Behälter oder Umladezelle:

   • Die BE und die Stahlzylinder sind – ausserhalb der Umladezelle – immer in einem robust ausgelegten und ausreichend technisch dicht verschlossenen Behälter eingeschlossen. Als Behälter zählen die TLB sowie die ELB, die zusätzlich zum Schutz gegen äussere Ein­flüsse und zur Abschirmung in robusten Transportbehältern verpackt sind. Die Behälter dienen dem Schutz der Barrieren (Matrix und Umschliessung) und stellen sowohl den Einschluss bzw. die Rückhaltung von radioaktiven Stoffen im Ereignissfall als auch die erforderliche Abschirmung der Direktstrahlung sicher.

   • Die BE und Stahlzylinder werden nur in der ausgekleideten Umladezelle (z. B. Ausklei­dung aus Edelstahl), an der die Behälter dicht angedockt sind, gehandhabt. Die aus massiven Stahlbetonstrukturen bestehende Umladezelle dient dem Schutz der Barrieren (Matrix und Umschliessung) und stellt den Einschluss bzw. die Rückhaltung von radio­aktiven Stoffen im Ereignisfall als auch die Abschirmung der Direktstrahlung sicher.

Fig. 5‑1: Gestaffeltes Barrieren- und Schutzkonzept für den Einschluss und die Rückhaltung der Nuklide sowie den Schutz der Barrieren untereinander

Die radioaktiven Stoffe sind durch dieses gestaffelte Barrieren- und Schutzkonzept durch mehrere Barrieren von der Umwelt isoliert, eingeschlossen und abgeschirmt. Aus diesem Grund werden die BE und WA-HAA in entsprechend verschlossenen Behältern transportiert (TLB und ELB in TB), die selbst einen wirksamen Schutz darstellen. Der Zugang zum Inhalt dieser Behälter kann nur in den dafür vorgesehenen Einrichtungen, d. h. der Umladezelle, erfolgen (vgl. Kap. 3.1). Das Innere der Umladezelle ist der einzige Ort, an dem Direktstrahlung und Kontaminationen während der Umladevorgänge im Normalbetrieb bei geöffneten Behältern prozessbedingt auftreten.

Neben diesen Barrieren und Systemen (Behälter oder Umladezelle) sind weitere Systeme bzw. Massnahmen für die Rückhaltung von radioaktiven Stoffen vorhanden. Hierzu zählen die ent­sprechend dem Strahlenschutzkonzept (vgl. Kap. 6) erforderliche Einrichtung von kontrollierten Zonen²⁷ inkl. einer Unterdruckstaffelung und Abluftfilterung sowie eine radiologische Über­wachung der Abluft. Grundsätzlich ist davon auszugehen, dass nur in der Umladezelle Kontami­nation vorkommt. In den anderen Bereichen der BEVA sind die radioaktiven Stoffe in Behältern dicht eingeschlossen.

Das nukleare Gefährdungspotenzial einer BEVA ist im Vergleich zu anderen Kernanlagen klein bzw. sehr klein. Dies ist darin begründet, dass in der BEVA ausschliesslich abgebrannte BE²⁸ umgeladen werden, die bereits Jahrzehnte zwischengelagert wurden. Dies hat im Vergleich zu den anderen Kernanlagen der Schweiz zur Folge, dass

• das Radionuklidinventar in der BEVA klein ist:

  • Das Nuklidinventar in einem BE in der BEVA ist rund tausendmal kleiner als das in einem typischen BE eines in Betrieb befindlichen Kernkraftwerks, denn die in den BE im bestrahlten Kern eines Kernkraftwerks vorhandenen Nuklide mit kurzen und sehr kurzen Halbwertszeiten sind bis zu deren Verpackung in einer BEVA praktisch alle vollständig zerfallen²⁹.

  • Zudem ist zu berücksichtigen, dass im Vergleich zu Kernkraftwerken oder auch zur Zwilag stets deutlich weniger BE in der BEVA vorhanden sind³⁰.

• die Wärmeentwicklung der BE in der BEVA klein ist: Bereits zu Beginn der Zwischen­lagerung darf die Temperatur der BE-Hüllrohre ca. 400 °C nicht überschreiten. Aufgrund der jahrzehntelangen Zwischenlagerung der BE ist zum Zeitpunkt der BE-Handhabung in der BEVA die Wärmeentwicklung und die BE-Temperatur³¹ weiter gesunken.

Unter diesen Randbedingungen kann das Gefährdungspotenzial einer BEVA eingeordnet und be­wertet werden. Im Folgenden wird dies anhand der Einhaltung der Schutzziele dargelegt sowie der Schutz von Mensch und Umwelt gegen eine unzulässige Strahlenexposition aufgezeigt.

Bei Kernkraftwerken wird dieses Schutzziel passiv über eine entsprechende Auslegung und/oder mittels aktiver Sicherheitssysteme erfüllt. Hingegen ist die Kontrolle der Reaktivität bei der BEVA – wie auch bei der Zwischenlagerung von radioaktiven Abfällen im Zwilag – wegen der physikalischen Gegebenheiten (abgebrannter Brennstoff in nur unterkritischen Anordnungen) und mittels passiver Massnahmen selbst unter konservativsten Randbedingungen ausreichend gegeben. Die Sicherheit gegen eine unbeabsichtigte Kritikalität ist bereits mit der geometrischen Auslegung der TLB, der Beladungskonfiguration sowie durch das niedrige Gesamtspaltstoff­inventar der TLB implementiert und freigegeben. Die Sicherheit gegen eine unbeabsichtigte Kriti­kalität bei den zu beladenden ELB ist dementsprechend unter Einbezug des jeweiligen ELB-spezifischen Beladeplans, der Kleinheit der Anordnung und des fehlenden Moderators gegeben und wird mit der Betriebsbewilligung nachgewiesen. Eine unbeabsichtigte Kritikalität während des Umladeprozesses ist somit ausgeschlossen. Dies gilt sowohl für den Normalbetrieb als auch unter Störfallbedingungen in der BEVA. Eine spezifische Auslegung der BEVA oder aktive Massnahmen sind daher für die Einhaltung dieses Schutzziels nicht notwendig.

Bei der BEVA ist – im Gegensatz zu KKW – die Nachzerfallswärme grundsätzlich durch die bereits vorgängige, in der Regel seit Jahrzehnten erfolgte Zwischenlagerung auf ein unkritisches Mass abgeklungen. Bereits bei der Zwischenlagerung im Zwilag wird eine ausreichende Wärme­abfuhr ausschliesslich durch passive natürliche Konvektion nachweislich auch im konservativen Fall sichergestellt. Dies gilt umso mehr für die nachgelagerte BEVA-Prozessführung. Die BEVA benötigt somit auch im Störfall keine aktiven Auslegungsmassnahmen zur Wärmeabfuhr. Aus diesen Gründen wird die Einhaltung des Schutzziels durch die vorgesehene passive Auslegung gewährleistet.

Der permanente Einschluss der radioaktiven Stoffe wird bei der BEVA stets durch das gestaffelte Barrieren- und Schutzkonzept (vgl. Kap. 5.2) sichergestellt. Bei der Umverpackung von BE und WA-HAA in der Umladezelle werden der sichere Einschluss der radioaktiven Abfälle und die Abschirmung deren Strahlung in der Umladezelle durch die Barrieren Abfall- oder Brennstoffmatrix und Umschliessung (bspw. Hüllrohr) sowie die bauliche und technische Auslegung der Umladezelle übernommen. Der erfor­derliche Einschluss der radioaktiven Stoffe ist somit sowohl im Normalbetrieb als auch bei Stör­fällen gewährleistet.

Das in der Umladezelle gehandhabte Aktivitätsinventar ist infolge der langen Abklingzeiten und der begrenzten Anzahl gehandhabter HAA relativ klein. Beim Betrieb der BEVA liegen die trei­benden Kräfte «Reaktivität» und «Nachzerfallswärme» nicht mehr in system- und anlagegefähr­dendem Masse vor³². Die in der Umladezelle gehandhabten HAA können somit nur noch mecha­nisch infolge eines Handhabungsunfalls oder Einwirkungen von aussen beschädigt werden. Solch ein Auslegungsstörfall stellt der Absturz eines BE während der Handhabung in der Umladezelle dar, der zwar aufgrund der nationalen und internationalen Erfahrung bei der Handhabung von BE und bei entsprechender Auslegung der Handhabungssysteme als sehr unwahrscheinlich einzu­stufen ist, aber nicht grundsätzlich ausgeschlossen werden kann.

Generell wird auf die Erhaltung eines stabilen und sicheren Normalbetriebs der Anlage abgezielt, und es werden Voraussetzungen und Bedingungen geschaffen, um Betriebsstörungen und Stör­fälle nach Möglichkeit zu vermeiden bzw. zu begrenzen. So erfolgen Auslegung und Betrieb der BEVA unter Einbezug bewährter Betriebsverfahren, Werkstoffe, Techniken sowie Organisations­strukturen und ‑abläufe vergleichbarer Anlagen. Dabei ist eine adäquate Auslegung der Umlade­zelle gegen schwere seltene Ereignisse wie ein Erdbeben oder den Flugzeugabsturz vorgesehen (ENSI 2021b). Auch nach diesen Ereignissen verbleibt der Absturz eines BE in der Umladezelle als abdeckender Störfall. Die Umladezelle wird nach heutigem Stand ein Lüftungssystem zur Unterdruckhaltung besitzen. Für die Abluft aus der Umladezelle ist ein Filtersystem vorgesehen, welches eine störfallbedingte Freisetzung von Radionukliden ausserhalb der Anlage zusätzlich minimiert und begrenzt.

Radiologische Konsequenzen eines BE-Absturzes

Die Gefährdung, d. h. die potenziell radiologische Konsequenz für Mensch und Umwelt für einen BE-Absturz, wird bereits heute in den KKW und in den Zwischenlagern quantitativ unter z. T. konservativen Annahmen abgeschätzt. Die von der Zwilag für einen solchen Störfall über alle Expositionspfade und bei einer Expositionszeit von einem Jahr abgeschätzte Individualdosis beträgt in 200 m Abstand zum Emissionsort ca. 0.09 mSv und nimmt mit zunehmendem Abstand rasch ab³³ (Zwilag 1999). Für die BEVA sind diese Abschätzungen aufgrund der noch späteren Handhabung derselben BE³⁴ im Fall eines BE-Absturzes abdeckend. Die Einhaltung der maximal zulässigen Betriebs- sowie Störfalldosiswerte gemäss Art. 123 StSV (2017) für Personen aus der Bevölkerung sind somit in jedem Fall auch bei einer BEVA eingehalten.

Der Vergleich mit den geltenden Dosisschwellen im Dosis-Massnahmenkonzept (BevSV 2020) für die Einleitung von Notfallmassnahmen zeigt zudem, dass die abgeschätzte Individualdosis um Grössenordnungen kleiner ist als diese Dosisschwellen³⁵. Nach heutigem Stand sind somit für eine BEVA keine Notfallschutzmassnahmen erforderlich. Gleichwohl ist in der Region um den Standort der BEVA wegen der bestehenden Kernanlagen (PSI, Zwilag, KKB und KKL) die Infrastruk­tur im Hinblick auf einen Notfall bereits gut ausgebaut. Für die Betriebsbewilligung der Zwilag wurde festgehalten (Der Schweizerische Bundesrat 1996), dass weitergehende Massnah­men für den Notfallschutz im Fall der Zwilag nicht nötig sind. Dies ist bei entsprechender Aus­legung und Betrieb auch auf eine BEVA zutreffend und bestätigt prinzipiell, dass Notfallschutz­massnahmen nicht notwendig sind.

Grundwasserschutz

Das in Kap. 5.2 beschriebene Barrierensystem stellt den Einschluss der unlöslichen, festen, radio­aktiven Stoffe in den Abfällen in der Umladezelle sicher. Da nur in der Umladezelle radioaktive Stoffe in fester und trockener Form gehandhabt werden und auch unter Störfallbedingungen keine flüssigen radioaktiven Stoffe in der BEVA vorkommen, kann eine Verschmutzung des Grund­wassers mit radioaktiven Stoffen ausgeschlossen werden. Trotzdem sieht der heutige Planungs­stand die Umsetzung eines adäquaten Grundwasserschutzkonzepts nach etablierten Stand der Technik vor (z. B. Nagra 2022).

Die Schutzziele Kontrolle der Reaktivität und Kühlung der Kernmaterialien und der radioaktiven Abfälle stellen keine aktiv oder passiv zu begrenzenden Grössen bei den vorgesehenen und bereits vorgängig zwischengelagerten hochaktiven Abfällen dar. Es ist im Gegensatz zu den Bedingun­gen eines KKW als deutlicher sicherheitstechnischer Vorteil festzustellen, dass es durch die ver­gleichsweise kleine Restenergie im Abfall zu keiner bedeutenden Erwärmung und folglich zu keiner Zerstörung von Barrieren kommen kann. Der geeignete Standort (vgl. Kap. 4), das zugrun­deliegende gestaffelte Barrierenkonzept zum Einschluss radioaktiver Stoffe und die internationa­len sowie nationalen Erfahrungen im Umgang mit hochaktiven Abfällen zeigen, dass sich mithilfe entsprechender Auslegung eventuelle Betriebsstörungen und Störfälle vermeiden oder beherr­schen lassen und eine unzulässige Strahlenexposition der Bevölkerung ausgeschlossen werden kann.

Künftiges Vorgehen

Da der effektive Betrieb der BEVA nach heutiger Planung noch Jahrzehnte in der Zukunft liegt (vgl. Fussnote 34), ist es wahrscheinlich, dass sich der Stand von Wissenschaft und Technik bis dahin weiterentwickelt. Deshalb werden zukünftige Entwicklungen bei der Planung, Auslegung und dem Betrieb einer BEVA (oder ähnlicher Anlagen) in der Art berücksichtigt, dass die BEVA dannzumal dem aktuellen etablierten Stand von Wissenschaft und Technik genügt. Weiterhin werden auch gewonnene Erfahrungswerte ähnlicher Anlagen in die Planung einbezogen.