Als Corium – eine Kunstwortbildung aus englisch , für „(Reaktor-)Kern“, und der für chemische Elemente charakteristischen Wortendung -ium – wird das geschmolzene Material bezeichnet, das in einem Kernreaktor bei einer Kernschmelze entsteht. Es ist eine lavaartige Mischung aus Kernbrennstoff, Steuerstäben und den Werkstoffen der direkt betroffenen Teile des Reaktors. Es besteht im Wesentlichen aus den Elementen Uran, Zirconium, Eisen, Nickel und Chrom.
Oft werden auch erkaltete Mischungen von Corium und dessen chemischen Reaktionsprodukten mit Luft und Wasser, sowie, falls das Reaktorgefäß durchbrochen wird, geschmolzenem Beton vom Boden der Reaktorhalle als Corium bezeichnet. Diese Stoffe werden jedoch in Fachpublikationen als MCCI (molten core-concrete interaction; engl. geschmolzener Kern-Beton Interaktion) oder FCMs/LFCMs/LMNF ((lava-like) fuel containing materials bzw. -materials containing nuclear fuels; engl. (lava-ähnliche,) Brennstoff-enthaltende Materialen bzw. - Materialien, die Kernbrennstoff enthalten) bezeichnet.Aging of fuel-containing materials (fuel debris) in the Chornobyl (Chernobyl) Nuclear Power Plant and its implication for the decommissioning of the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station
Bei dem Reaktorunfall im Kernkraftwerk Three Mile Island, der Katastrophe von Tschernobyl und der Nuklearkatastrophe von Fukushima kam es zur Bildung von Corium.
Bei einigen Reaktortypen ist ein Core-Catcher zum Auffang des Coriums vorgesehen.
Zusammensetzung und Entstehung
Die Wärme, die zum Schmelzen des Reaktors führt, kann aus der nuklearen Kettenreaktion stammen, zumeist aber ist die Zerfallswärme der Spaltprodukte in den Brennstäben die hauptsächliche Wärmequelle. Die Wärmeentstehung durch Zerfall fällt erst schnell und dann immer langsamer ab, da die kurzlebigen Isotope den größten Anteil an der Aktivität haben. Eine weitere Wärmequelle ist die chemische Reaktion der heißen Metalle mit Luftsauerstoff oder Wasserdampf.
Die Kettenreaktion und damit verbundene erhöhte Wärmeproduktion kann in Teilen des Coriums weiter fortschreiten, wenn örtlich eine kritische Masse erreicht wird. Festgestellt werden kann dies dadurch, dass noch lange nach der Kernschmelze kurzlebige Spaltprodukte in zu großen Mengen vorhanden sind, als dass sie noch aus der kontrollierten Kettenreaktion vor der Kernschmelze stammen könnten. Da bei der Kettenreaktion große Wärmemengen und frische radioaktive Spaltprodukte entstehen, ist dieser Vorgang sehr kritisch in Bezug auf das Gefahrenpotential.
Die Temperatur des Coriums hängt erstens von der Dynamik seiner inneren Wärmeerzeugung – der Menge an Isotopen, die Zerfallswärme erzeugen und ihrer Verdünnung durch andere geschmolzene Materialien – ab, sowie zweitens von seinen Wärmeverlusten – der physischen Anordnung und der Wärmeabgabe an die Umgebung. Eine kompakte Masse wird weniger Wärme verlieren als eine dünn ausgebreitete Schicht. Corium von genügend hoher Temperatur kann Beton schmelzen. Eine festgewordene Coriummasse kann von selbst wieder schmelzen, wenn ihre Wärmeverluste abnehmen, zum Beispiel weil sie mit wärmedämmenden Trümmern bedeckt wird, oder wenn das Wasser, von dem sie gekühlt wurde, verdampft ist.
Auf der Coriummasse können sich Krusten bilden, die wärmedämmend wirken. Die Wärmeverteilung in der Coriummasse wird beeinflusst durch die unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit geschmolzener Oxide und Metalle. Durch Konvektion in der flüssigen Phase wird der Wärmetransport bedeutend erhöht.
Der geschmolzene Reaktorkern setzt flüchtige Verbindungen frei. Diese können gasförmig bleiben, wie etwa molekulares Iod oder Edelgase, oder zu Aerosolpartikeln kondensieren, wenn sie die Hochtemperaturregion verlassen. Ein hoher Anteil der Aerosolpartikel stammt aus dem Material der Steuerstäbe. Die gasförmigen Verbindungen können von der Oberfläche der Aerosolpartikel adsorbiert werden.
Zusammensetzung und Reaktionen des Coriums Die Zusammensetzung des Coriums hängt vom Reaktortyp ab, insbesondere von den Materialien, die für die Steuerstäbe und als Kühlmittel verwendet werden. Es gibt Unterschiede zwischen dem in Druckwasserreaktoren und Siedewasserreaktoren gebildeten Corium.
Bei Kontakt mit Wasser bildet das Borkarbid aus den Steuerstäben des Siedewasserreaktors zunächst Boroxid und Methan, dann Borsäure. Bor kann auch aus der Borsäure in einem Notfallkühlmittel zu diesen Reaktionen hinzukommen.
Zirconium aus Zirkalloy, zusammen mit einigen anderen Metallen, reagiert mit Wasser und erzeugt Zirconium(IV)-oxid und Wasserstoff. Die Produktion von Wasserstoff ist bei Reaktorunfällen eine große Gefahrenquelle.
Das Verhältnis zwischen oxidierenden und reduzierenden Atmosphären und das Verhältnis zwischen Wasser und Wasserstoff beeinflusst die Bildung chemischer Verbindungen. Unterschiede in der Flüchtigkeit der Reaktorkernmaterialien beeinflussen die Rate der freigesetzten Elemente. Zum Beispiel setzt die Silber-Indium-Cadmium-Legierung der Steuerstäbe in einer inerten Atmosphäre fast nur Cadmium frei. Im Beisein von Wasser dagegen bildet das Indium flüchtiges Indium(I)-oxid und Indium(I)-hydroxid, welches verdampft und ein Aerosol aus Indium(III)-oxid bildet. In einer wasserstoffreichen Atmosphäre wird die Oxidation des Indiums verhindert, wodurch weniger Indium freigesetzt wird.
Caesium und Iod aus den Spaltprodukten reagieren zu flüchtigem Caesiumiodid, das als Aerosol kondensiert.
Während einer Kernschmelze steigt die Temperatur der Brennstäbe an, und die Stäbe beginnen sich zu verformen, im Fall des Zirkalloys oberhalb 700–900 °C. Wenn der Druck im Reaktor niedrig ist, zerreißt der Druck im Inneren der Brennstäbe ihre Brennstabhüllen. Ist der Druck im Reaktor hoch, so presst er die Brennstabhüllen auf die Brennstoffpellets und ruft dadurch die Entstehung von Urandioxid-Zirconium-Eutektikum hervor, das eine Schmelztemperatur von 1200 bis 1400 °C hat. Zwischen Dampf und Zirconium läuft eine exotherme Reaktion ab, die so viel Wärme erzeugen kann, dass sie sich auch ohne den Beitrag der Zerfallswärme selbst erhält. Wasserstoff wird (bei Normaltemperatur und Normaldruck) in einem Verhältnis von etwa 0,5 m³ pro kg Zirkalloy freigesetzt. In den Reaktorwerkstoffen kann es zur Wasserstoffversprödung kommen. Aus den beschädigten Brennstäben werden flüchtige Spaltprodukte freigesetzt. Zwischen 1300 und 1500 °C schmilzt die Silber-Cadmium-Indium-Legierung der Steuerstäbe zusammen mit ihrer Umhüllung und flüchtige Metalle verdampfen. Bei 1800 °C beginnen die Oxide der Umhüllung zu schmelzen und zu fließen. Bei 2700–2800 °C schmilzt das Uranoxid selbst und die Geometrie des Reaktorkerns bricht zusammen. Das kann bei niedrigeren Temperaturen eintreten, wenn sich eine eutektische Uranoxid-Zirkonium-Verbindung bildet. Nun ist das Corium so gut wie frei von flüchtigen Bestandteilen, die nicht chemisch gebunden sind, wodurch die Wärmeproduktion um etwa 25 % sinkt, da die flüchtigen Isotope sich nun andernorts befinden.
Die Temperatur von Corium kann in den ersten Stunden nach der Kernschmelze 2400 °C betragen und über 2800 °C erreichen. Eine große Wärmemenge kann durch die Reaktion der Metalle im Corium (besonders Zirconium) mit Wasser entstehen. Wenn die Coriummasse mit Wasser überspült wird oder wenn geschmolzene Coriummasse in einen Wasserbehälter fällt, kann das zu einem weiteren Temperaturanstieg und zur Produktion großer Mengen an Wasserstoff führen, die wiederum einen Druckanstieg im Reaktorbehälter zur Folge haben. Die Dampfexplosion, die ein solcher plötzlicher Kontakt von Corium und Wasser hervorruft, kann die Materialien auseinandersprengen, wobei sich Projektile bilden können, die den Behälter durch ihren Aufschlag beschädigen. Weitere Druckausschläge können durch die Verbrennung des freigesetzten Wasserstoffs entstehen. Die Detonationsgefahr kann durch Anwendung katalytischer Rekombinatoren gemildert werden.
Durchbrechen des Reaktordruckbehälters Ohne ausreichende Kühlung überhitzt sich das Reaktorinnere, es verformt sich infolge der thermischen Ausdehnung der Bestandteile, und es kommt zum Zusammenbruch, sobald die Temperatur den Schmelzpunkt der Werkstoffe erreicht. Die Schmelze sammelt sich nun am Boden des Reaktordruckbehälters. Wird sie hinreichend gekühlt, kann sie erstarren und die Ausbreitung des Schadens bleibt auf den Reaktor begrenzt. Das Corium kann sich jedoch auch durch den Reaktordruckbehälter hindurchschmelzen und ausfließen oder durch den Druck im Reaktorinneren als geschmolzener Strom ausgestoßen werden. Das Versagen des Reaktors kann durch die Überhitzung seines Bodens durch die Coriumschmelze verursacht werden, die zunächst zum Kriechbruch und dann zum Durchbrechen des Behälters führt. Ein hoher Kühlwasserstand über der Coriumschicht kann es ermöglichen, dass sich ein thermisches Gleichgewicht unterhalb der Kriechtemperatur des Metalls einstellt, ohne dass der Reaktordruckbehälter bricht.
Wird der Behälter genügend gekühlt, kann sich zwischen der Schmelze und der Reaktorwand eine Kruste bilden. Die Schicht aus geschmolzenem Stahl oben auf dem Oxid erzeugt eine Zone mit erhöhter Wärmeleitung zur Reaktorwand. Dieser Zustand, der als „Hitzemesser“ (engl. heat knife) bezeichnet wird, erhöht die Wahrscheinlichkeit dafür, dass an der Seitenwand des Reaktordruckbehälters eine lokale Erweichung stattfindet und daraufhin Corium austritt.
Herrscht im Reaktordruckbehälter hoher Druck, dann kann die Coriummasse beim Durchbrechen des Behälterbodens hinausgedrückt werden. In der ersten Phase wird nur die Schmelze selbst ausgestoßen. Danach bildet sich eine Kuhle in der Mitte der Öffnung, und zusammen mit der Schmelze wird Gas ausgestoßen, wodurch der Druck im Reaktor rasch abnimmt. Die hohe Temperatur der Schmelze bewirkt auch eine rasche Erosion und Vergrößerung der Öffnung. Wenn ein Loch im Boden des Behälters ist, kann nahezu alles Corium ausgestoßen werden. Ein Loch in der Seitenwand des Behälters kann dazu führen, dass das Corium nur teilweise austritt und ein Teil im Reaktorinneren zurückbleibt. Das Durchschmelzen des Reaktorgefäßes kann zwischen einigen Minuten bis zu mehreren Stunden dauern.
Nach dem Durchbrechen des Reaktordruckgefäßes bestimmen die Bedingungen im Reaktorraum unterhalb des Kerns, was für Gase erzeugt werden. Wenn Wasser vorhanden ist, werden Dampf und Wasserstoff erzeugt. Trockener Beton führt zur Entstehung von Kohlendioxid und kleineren Mengen von Dampf.
Wechselwirkungen zwischen Corium und Beton (MCCI) Die thermische Zersetzung von Beton ergibt u. a. Wasserdampf und Kohlendioxid. Diese können weiter mit den Metallen in der Schmelze reagieren, indem sie sie oxidieren und dabei zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid reduziert werden. Die Zersetzung des Betons und die Verflüchtigung seiner alkalischen Bestandteile sind endotherme Vorgänge, nehmen also Wärme auf. Die während dieser Phase freigesetzten Aerosole basieren hauptsächlich auf Siliciumverbindungen, die aus dem Beton stammen. Sonstige flüchtige Elemente wie z. B. Caesium können in nichtflüchtigen unlöslichen Silicaten gebunden werden.
Zwischen dem Beton und der Coriumschmelze können mehrere Reaktionen stattfinden. Freies und chemisch gebundenes Wasser wird aus dem Beton als Dampf freigesetzt. Calciumcarbonat zersetzt sich und erzeugt dabei Kohlendioxid und Calciumoxid. Wasser und Kohlendioxid durchdringen die Coriummasse, oxidieren dabei exotherm die darin enthaltenen nichtoxidierten Metalle und erzeugen Wasserstoffgas und Kohlenmonoxid. Es können große Mengen an Wasserstoff entstehen. Calciumoxid, Siliciumdioxid und Silicate schmelzen und werden mit dem Corium vermischt.