Der Tsunami, der den Unfall in Fukushima verursachte, war nicht vorhersehbar

Geschichte des Baus des Kernkraftwerks

Nach den Atombombenabwürfen auf Hiroshima und Nagasaki (1945) und dem Ende der US‑Besatzung Japans (1952) begann Japan mit der zivilen Nutzung der Kernenergie im Rahmen des US‑Programms „Atoms for Peace“, das Präsident Eisenhower 1953 bei den Vereinten Nationen vorstellte.

Nach der Entwicklung von Forschungsreaktoren war der erste Kernreaktor, der in Japan Strom erzeugte, der britisch konzipierte Reaktor Tōkai‑I (Magnox‑Reaktor mit Natururan, Graphitmoderator und Kohlendioxidkühlung, 159 MWe), der 1966 in Betrieb ging. Mitte der 1960er Jahre wandten sich die Japaner den US-Modellen zu: Druckwasserreaktoren von Westinghouse in Mihama und Siedewasserreaktoren von General Electric in Tsuruga und Fukushima Daiichi.

1966 wurde der Standort Fukushima Daiichi ausgewählt. Er liegt am Pazifik, an der Ostküste der Hauptinsel Honshū, rund 250 Kilometer nördlich von Tokio. Die Bauarbeiten begannen 1967.

Die Meeresküste bestand dort aus einer mehr als 30 Meter hohen Steilküste. Um das Pumpen von Kühlwasser aus dem Meer zu erleichtern und den Wirkungsgrad des Projekts zu verbessern, beschloss der japanische Betreiber Tokyo Electric Power Company (TEPCO), die Klippe um 20 Meter abzutragen.

So wurde das Kraftwerk für die ersten vier Kernreaktoren in 10 Metern über dem Meeresspiegel errichtet, für die letzten beiden, die einige Jahre später gebaut wurden, in 13 Metern Höhe. Einige Gebäude und Anlagenteile waren noch tiefer angeordnet.

Studien und Bewertungen des seismischen Gefährdungspotenzials

Die Gefahr eines Erdbebens und eines Tsunamis wurde von japanischen Ingenieuren und Fachleuten bereits in der Entwurfsphase des Kraftwerks berücksichtigt. Für die Bewertung der seismischen Gefährdung wurde historischer Ansatz gewählt, für den Daten aus 500 Jahren herangezogen wurden. Das befürchtete Szenario war dabei ein Erdbeben der Stärke 7, das sich einige Dutzend Kilometer vom Standort entfernt ereignet.

Nach Auffassung japanischer Experten war es unwahrscheinlich, dass dieses Erdbeben einen nennenswerten Tsunami auslösen würde. 

Dennoch wurde bei der Planung ein Wasserstand von 3,122 m über dem Meeresspiegel als Referenzwert festgelegt, um das Kraftwerk (insbesondere durch einen Deich) zu schützen. Dieser sehr genaue Wert von 3,122 m entspricht dem höchsten Wasserstand, der in der Region am 24. Mai 1960 im Hafen von Onahama in der Nähe des Standorts gemessen wurde. Er bezieht sich auf einen Tsunami, der nach dem Erdbeben von Valdivia (Chile, Stärke 9,5) den Pazifik überquerte.

Dieser Wasserstand wird als Referenzwert für das Kernkraftwerk verwendet. Die Reaktoren, die sich auf der Plattform in einer Höhe von mehr als 10 m befinden, sind weitgehend geschützt, während auch die übrigen Gebäude und Anlagen mindestens über diesem Referenzniveau errichtet wurden.

Diese Zahl von 3,122 m basiert auf einer historischen Tatsache: In der „jüngeren“ Geschichte Japans (500 Jahre) hatte die Region Fukushima keine größeren Tsunamis erlebt! Diese sind in Japan zwar sehr häufig, jedoch in einem Gebiet, das weit nördlicher liegt.

Legende: Karte der historischen Tsunamis entlang der Tohoku-Küste von 800 n. Chr. bis 1965.

Es gibt jedoch Spuren (mündliche Überlieferungen, Steinstelen, Sedimente…) früherer Tsunamis. Später wird man erkennen, dass es in dieser Region bereits nach dem Jogan-Erdbeben im Jahr 869 zu einem schweren Tsunami gekommen war, allerdings ohne klare Angaben zu den Auswirkungen in Fukushima.

Nach dem verheerenden Erdbeben von Kobe im Jahr 1995 (Stärke 7, 6.437 Tote, 43.792 Verletzte) leiteten die japanischen Behörden eine Reform der Erdbebenvorsorge ein und gründeten das Earthquake Research Committee of the Headquarters for Earthquake Research Promotion.

Im Rahmen dieses Programms wurde eine neue Erdbebengefahrenkarte für Japan erstellt, bei der eine neue, auf dem neuesten Stand der Wissenschaft befindliche Methodik zum Einsatz kam.

Dank der sehr guten Kenntnisse und der Messinstrumente im Bereich der Verwerfungen sind japanische Experten in der Lage, die Energieladung der verschiedenen Verwerfungsabschnitte präzise zu messen bzw. zu berechnen und für jeden (kleineren) Abschnitt ein charakteristisches Erdbeben zu definieren.

Anhand dieser neuen Methodik konnte das Referenzbeben für die Region Fukushima unter Anwendung eines neuen Leitfadens, der 2006 von der japanischen Sicherheitsbehörde (Nuclear Safety Commission) veröffentlicht wurde, auf eine Stärke von 7,4 und für das Kernkraftwerk Fukushima auf 7,9 neu bewertet werden.

Im Zuge der Reform der Erdbebenprävention wird auch das Tsunamirisiko für ganz Japan anhand neuer standardisierter Methoden der Japan Society of Civil Engineers (JSCE) aus dem Jahr 2002 neu bewertet, was zu neuen Studien führte.

Die erste Schätzung bezifferte den maximalen Wasserstand auf 5,7 m, die zweite aus dem Jahr 2009 auf 6,1 m. Dieser Wert wurde daraufhin von TEPCO übernommen, und es wurden Erhöhungsarbeiten (insbesondere an der Pumpstation) durchgeführt.

Die Methode der JSCE galt zu diesem Zeitpunkt als Standard. Sie wurde bis zum Zeitpunkt des Unfalls für alle japanischen Kernkraftwerke angewendet, beispielsweise für die Kraftwerke in der Nähe von Fukushima Daiichi: Fukushima Dani, Tokai oder Onagawa.

Gleichzeitig wurden 3 explorative Methoden getestet, die deutlich höhere Werte lieferten: Eine Studie ergab Wasserstände von bis zu 15,7 Metern an bestimmten Stellen des Standorts!

Um einen solchen Wasserstand zu erreichen, ging diese Studie konservativ davon aus, dass ein Erdbeben der Magnitude 8,2 an jedem beliebigen Punkt der Subduktionszone vor der Küste der Insel Honshū auftreten könnte, unabhängig von historischen Daten und charakteristischen Erdbeben.

Eine weitere probabilistische Studie von TEPCO zeigte, dass ein 10 m hoher Tsunami möglich, aber sehr unwahrscheinlich sei eine Wahrscheinlichkeit von eins zu 100.000 bis zu einer Million Jahren. Schließlich ergab die Einbeziehung des Jōgan-Tsunamis (869) in eine Berechnung einen Wert von 9,2 Metern.

Gemessen an den früheren Berechnungen (3,122 Meter, später 6,1 Meter) erschienen diese neuen Werte unglaublich. Angesichts dieser neuen, noch nicht ausgereiften Methoden richtete TEPCO im August 2010 eine Arbeitsgruppe ein, die sich mit der Neubewertung des Tsunami-Risikos befassen sollte … zu spät!

Am 11. März 2011 überfluteten nach einem Erdbeben der Stärke 9,1 Wellen mit einer Höhe von 11,5 bis 15 Metern die Deiche des Kernkraftwerks Fukushima Daiichi. Da die Kühlung ausfiel, kam es in den Reaktoren 1, 2 und 3 zur Kernschmelze, was zu einem schweren nuklearen Unfall führte.

Zur Bewältigung des nuklearen Unfalls kam somit die ohnehin schreckliche Bilanz von Erdbeben und Tsunami hinzu: 15.897 Tote, 2.534 Vermisste und 6.152 Verletzte. Wir werden hier nicht auf den Ablauf und die Folgen des Unfalls zurückkommen, die bereits viel diskutiert wurden.

Fazit

Obwohl der Wasserstand auf dem Gelände in der Größenordnung der neuesten explorativen Berechnungen lag, war das Gesamtszenario vom 11. März 2011 von keinem japanischen Experten vorhergesehen worden, wie der Direktor des Kernkraftwerks Fukushima in einer Anhörung erläuterte.

Tatsächlich brachen an jenem Tag nicht, wie in den Erdbebenszenarien für einzelne Verwerfungsabschnitte von einigen Dutzend Kilometern angenommen, sondern 500 km der Verwerfung. Im Nachhinein stellen wissenschaftliche Untersuchungen und die IAEO mehrere Mängel in der Risikobewertung der Japaner fest:

• Ein erheblicher Teil (80 %) der Energie, die sich im Laufe des letzten Jahrhunderts auf bestimmten Verwerfungsabschnitten aufgebaut hatte, war nicht durch Erdbeben freigesetzt worden. Die japanischen Experten waren der Ansicht, dass sie sich durch Rutschbewegungen ohne Erdbeben aufgelöst haben musste.
• Bis vor kurzem wurden frühere Ereignisse, die zwar bekannt waren, zu denen jedoch teilweise Daten fehlten (zum Beispiel das Jogan-Erdbeben von 869), nicht ausreichend berücksichtigt.
• Ein übermäßiges Vertrauen in ein wissenschaftliches Paradigma, nämlich das der seismischen Rhythmen oder charakteristischen Erdbeben. Dieses Paradigma war damals international vorherrschend, doch es gab auch andere Modelle, und unvorhergesehene Szenarien hatten sich bereits ereignet: So ist beispielsweise das Erdbeben von Sumatra im Jahr 2004 (Video), das einen Tsunami auslöste (mindestens 250.000 Tote), ein typisches Beispiel für ein Mega-Erdbeben, das in dieser Region aus ähnlichen Gründen wie im japanischen Fall nicht vorhergesehen wurde.

Natürlich geht es hier nicht darum, eine im Nachhinein „einfache“ Kritik an den japanischen Experten und Wissenschaftlern zu üben. Diese Geschichte lehrt uns jedoch, dass die methodischen Grundlagen der Risikobewertung niemals als endgültig gesichert betrachtet werden dürfen.

Genau hierin liegt die Schwierigkeit, bei gefährdeten Bauwerken auf der Basis sich weiterentwickelnder wissenschaftlicher Erkenntnisse höchster Qualität zu planen und diese Risiken dauerhaft zu managen. Fukushima hat Fehler in der Bewertung sichtbar gemacht, die jedoch ohne diesen Unfall wohl unbemerkt geblieben wären.