Meldepflichtiges Ereignis am FRM II: Überschreitung des Jahresgenehmigungswertes für die Ableitung des Nuklids C-14

15.05.2020

Am 14.05.2020 wurde am FRM II eine geringfügige Überschreitung des in der Betriebsgenehmigung festgelegten Wertes für die Ableitung des Nuklids C-14 über den Kamin in die Atmosphäre festgestellt.

C-14 entsteht auf natürliche Weise durch kosmische Strahlung in der Erdatmosphäre. Am FRM II wird C-14 im Routinebetrieb durch eine Kernreaktion der Neutronen mit dem Sauerstoff im Wasser des Reaktorbeckens gebildet. Bei der kontinuierlichen Reinigung des Wassers wird u. a. auch das C-14 in Ionenaustauscherharzen gebunden. Zur Weiterbehandlung müssen diese getrocknet werden. Ein individueller Fehler bei der Montage der dafür eingesetzten mobilen Trocknungseinrichtung verursachte über einen kurzen Zeitraum die Ableitung des C-14. Nach Feststellung der Emissionswerte wurden alle Trocknungsvorgänge unverzüglich eingestellt. Aufgrund der COVID-19 bedingten Einschränkungen befindet sich der FRM II seit dem 17. März 2020 außer Betrieb.

Bezüglich der Abgabe von C-14 ist in der Betriebsgenehmigung der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) ein Grenzwert von 2 x 1010 Becquerel pro Jahr festgelegt. Dabei handelt es sich um einen Wert, der aus Minimierungsgründen festgelegt wurde. Aus radiologischer Sicht bedeutet die Ausschöpfung dieses Jahresgenehmigungswertes für C-14 eine theoretische Strahlenexposition für eine Referenzperson von max. 3 Mikrosievert. Dies entspricht 1 % der laut Strahlenschutzverordnung zulässigen jährlichen Strahlenexposition von 300 Mikrosievert für die Bevölkerung aus Ableitungen radioaktiver Stoffe mit der Luft. Der Jahresgenehmigungswert beträgt lediglich 20 % des in der Strahlenschutzverordnung vorgegebenen Wertes für den genehmigungsfreien Umgang mit C-14, das in Form von Kohlendioxid vorliegt.

Gemäß den Meldekriterien des FRM II erfolgte am 15.05.2020 die Mitteilung des meldepflichtigen Ereignisses an die zuständige Aufsichtsbehörde. Die Meldung wurde nach der atomrechtlichen Meldeverordnung in die „Kategorie E" eingestuft. Die Bewertung nach der siebenstufigen internationalen Bewertungsskala (INES) erfolgt nach der Stufe 0 (keine oder sehr geringe sicherheitstechnische Bedeutung).

Das Ereignis hat keine Auswirkungen auf Mensch, Umwelt und die Gesamtanlage FRM II.

 

Fragen und Antworten zur Grenzwertüberschreitung des radioaktiven Nuklids C-14

Was ist C-14 und wie entsteht es?

C-14 ist ein radioaktives Isotop des Kohlenstoffs. Es entsteht in der Atmosphäre kontinuierlich durch Höhenstrahlung.

Natürliche Entstehung von C-14: Das natürliche Stickstoff-Isotop (N-14) fängt ein Neutron ein und wandelt sich durch eine Kernreaktion zum radioaktiven C-14 um. Dieses wiederrum zerfällt, mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren, zu Stickstoff. Insbesondere in der Archäologie dient die C-14-Methode zur Altersbestimmung von organischen Materialien.

An Reaktoren entsteht C-14 im Routinebetrieb unter anderem durch eine Kernreaktion mit dem Sauerstoffisotop (O-17) im Wasser des Reaktorbeckens. O-17 ist nicht radioaktiv und kommt mit einer Häufigkeit von 0,038 Prozent natürlich vor. Bei der Kernreaktion fängt O-17 ein Neutron ein und es entsteht über die Emission eines Alpha-Teilchens C-14.

 

Wie hoch sind die Grenzwerte für die Ableitung für C-14 am FRM II?

Der genehmigte Jahresgrenzwert der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) für die Ableitung von C-14 über den Kamin in die Atmosphäre liegt bei 2,0 x 1010 Becquerel.

Das am FRM II abgeleitete C-14 liegt in Form von Kohlendioxid (CO2) vor. Der in der Strahlenschutzverordnung festgelegte Wert für den genehmigungsfreien Umgang mit C-14, in Form von Kohlendioxid (CO2), liegt bei 1,0 x 1011 Becquerel. Und ist damit 5 Mal höher als der genehmigte Jahresgrenzwert des FRM II.

Das macht deutlich, dass der Jahresgenehmigungswert für C-14 für den FRM II extrem niedrig festgelegt ist.

 

Welche Auswirkungen hat dies auf Mensch und Natur?

Das Ereignis hat keine Auswirkungen auf Mensch, Umwelt und die Gesamtanlage.

Mittels einer Modellrechnung wurde eine theoretische Obergrenze für die Strahlenexposition einer Einzelperson der Bevölkerung berechnet. Diese ergab eine maximale Dosis von 3 Mikrosievert (zum Vergleich, weniger als 1x Röntgen der Zähne – ca. 5 Mikrosievert). Die berechnete Strahlenexposition entspricht 1 Prozent der laut Strahlenschutzverordnung zulässigen jährlichen Strahlenexposition von 300 Mikrosievert für eine Einzelperson der Bevölkerung aus Ableitungen radioaktiver Stoffe mit der Luft.

Die radiologische Auswirkung der Ableitung von 2,3 x 1010 Becquerel ist unbedenklich.

 

Was wurde genau gemessen in Bezug auf die C-14 Emissionen?

Da es sich bei C-14 um einen schwachen Beta-Strahler handelt kann die abgeleitete Aktivität nicht direkt im Abgasstrom gemessen werden. Stattdessen wird über ein Quartal regelmäßig (ca. alle 3 Minuten) eine Probe aus dem Abgasstrom entnommen und gesammelt. Die Auswertung erfolgt durch das eigene betriebschemische Labor des FRM II, sowie im Rahmen der Kontrolle der Eigenüberwachung, durch das Bundesamt für Strahlenschutz (BfS).

Die Gesamtableitung wird aus der im Labor ermittelten Aktivitätskonzentration und mit der über den Kamin abgegebenen Fortluftmenge berechnet.

Die Auswertung der Probe für das 1. Quartal 2020 ergab im April eine Emission, unter Berücksichtigung möglicher Fehlerquellen, von 1,85 x 1010 Becquerel. Aufgrund der Ergebnisse des 1. Quartals wurde der Probensammlungszeitraum auf eine monatliche Auswertung umgestellt. Die Auswertung der Probe für den Monat April ergab am 14. Mai 2020, unter Berücksichtigung möglicher Fehlerquellen, eine Emission von 4,5 x 109 Becquerel.

Aufgrund des Messverfahrens liegen Ergebnisse mit einem Verzug von ca. zwei Wochen vor

Die Summe der Werte ergab somit 2,3 x 1010 Becquerel. Dies entspricht einer geringfügigen Überschreitung des in der Betriebsgenehmigung festgelegten Wertes für die Ableitung des C-14 über den Kamin in die Atmosphäre.

 

In welchem Zeitraum fand die Emission statt?

Der erste fünftägige Trocknungszyklus wurde mit einer planmäßigen eintägigen Unterbrechung vom 20.03.2020 bis zum 26.03.2020 durchgeführt. Abweichend von den betrieblichen Vorschriften war hierbei die CO2-Abscheideeinheit nicht angeschlossen und die Pumpenabluft wurde direkt in die Lüftung eingeleitet.
Nach planmäßiger Wartezeit wurde vom 02.04.2020 bis zum 07.04.2020 der zweite Trocknungszyklus von 5 Tagen unter Einhaltung der betrieblichen Regularien mit angeschlossener CO2-Abscheideeinheit durchgeführt.

 

Wieso gibt die Kernreaktorfernüberwachung (KfÜ) keine Meldung bei akuter Erhöhung der C-14 Emissionswerte?

Eine Online-Überwachung, wie z. B. KfÜ, ist aufgrund der geringen Strahlungsenergie des C-14 nicht messtechnisch möglich. Deshalb kann die Bestimmung der C-14 Emission nur mittels einer Sammlung über einen längeren Zeitraum erfolgen.

 

Wie war die Wetterlage? Und kann man den betroffenen Radius bestimmen?

Da die Emission sich jeweils über einen 5-tägigen Zeitraum erstreckte, ist die Wetterlage nicht eindeutig zu benennen. Aufgrund der vorherrschenden Windrichtung (NW bis O) und Stärke liegt der berechnete Hauptaufschlagspunkt auf dem FRM II-Betriebsgelände und in unmittelbarer Umgebung.

 

Wer ist für die Messung und Kontrolle der C-14 Emissionen an der Forschungs-Neutronenquelle zuständig?

Für die Überwachung der C-14 Emission ist der FRM II zuständig. Die Kontrolle der Eigenüberwachung obliegt dem Bundesamt für Strahlenschutz, das zu diesem Zweck eigene Messungen durchführt.

 

Was war die Ursache der Überschreitung des Grenzwertes von C-14?

Bei der kontinuierlichen Reinigung des Wassers aus dem Reaktorbecken wird u. a. auch das C-14 in Ionenaustauscherharzen gebunden. Zur Weiterbehandlung müssen diese getrocknet werden, dies ist ein mehrstufiger Prozess.

Eine der dafür verwendeten Trocknungseinrichtungen ist mobil und findet am FRM II Einsatzmöglichkeiten für diverse betriebliche Zwecke.

Zur Reduzierung der C-14 Emissionen bei der Trocknung der Ionenaustauscherharze aus dem Schwerwassersystem wird seit 2013 eine spezielle CO2- Abscheideeinheit eingesetzt. Das chemisch ausgewaschene CO2 und damit das darin gebundene C-14 wird nach einer weiteren Behandlung als radioaktiver Abfall entsorgt.

Durch einen Bedienfehler wurde der erste Trocknungsvorgang abweichend von den betrieblichen Vorschriften ohne nachgeschaltete CO2-Abscheideeinrichtung durchgeführt.

 

Wer hat die Abweichung festgestellt?

Bei einer Routinekontrolle wurde die Abweichung durch das Fachpersonal festgestellt.

 

Was wird aktuell zur Ursachenbekämpfung und zur weiteren Vorsorge getan?

Nach Feststellung der Emissionswerte wurden alle Trocknungsvorgänge unverzüglich eingestellt.

Des Weiteren hat der FRM II, für zeitnähere Ergebnisse, die bislang quartalsmäßige Sammlung für die Bilanzierung der C14-Emission auf einen monatlichen Rhythmus umgestellt.

Um die C-14-Emission noch engmaschiger zu überwachen wurde ab dem 20. April ein zusätzliches internes Monitoring mit wöchentlicher Auswertung in Betrieb genommen. Es handelt sich hierbei um mit Natronlauge (NaOH) gefüllte Waschflaschen, durch die eine kleine Teilmenge der Kaminluft geführt wird. Das in der Kaminluft enthaltene CO2 reagiert mit der Natronlauge (über mehrere Schritte zu Natriumcarbonat). Die Natronlage wird wöchentlich gewechselt. Im betriebschemischen Labor des FRM II wird die NaOH nach einer nasschemischer Aufarbeitung auf C-14 untersucht.

Die aktuelle Auswertung der Waschflaschen zeigt, dass die vom FRM II getroffenen Maßnahmen Wirkung zeigen.

Für eine detaillierte Ursachenklärung hat der FRM II den Behörden bereits vollumfängliche Informationen zum Geschehen bereitgestellt.

 

Welche Behörden entscheiden über das weitere Vorgehen?

Die atomrechtliche Aufsichtsbehörde StMUV prüft in Zusammenarbeit mit dem LfU und zugezogenen Sachverständigen die aktuelle Sachlage und entscheidet über die weitere Vorgehensweise.

 

Läuft der Reaktor wegen der Überschreitung des Grenzwertes aktuell nicht?

Aufgrund der COVID-19 bedingten Einschränkungen befindet sich der FRM II seit dem 17. März 2020 außer Betrieb.

 

Darf der Reaktor wieder anfahren?

Die Zustimmung zum Wiederanfahren obliegt der atomrechtlichen Aufsichtsbehörde StMUV.