Hanford Site
Die Hanford Site ist ein Teil des Manhattan-Projekts. Das Gelände belegt 1.517 km2 in Benton County, im Südosten des US-Bundesstaats Washington. Es wurde 1943 während des 2. Weltkrieges unter dem Namen Hanford Engineer Works, als Teil des Manhattan-Projekts errichtet, um Plutonium für die amerikanischen Kernwaffen zu produzieren. Dies ist um so bemerkenswerter als Enrico Fermi erst am 2. Dezember 1942 zeigen konnte, dass eine nukleare Kettenreaktion wirklich kontrolliert werden kann.
Für das Manhattan-Projekt hatte die Anlage den Codename "Site W". Zur Errichtung kaufte die Bundesregierung die Städte White Bluffs und Hanford, sowie das sie umgebende Farmland. Alle Einwohner wurden umgesiedelt.
Das in Hanford erzeugte Plutonium wurde benutzt, um die erste Atombombe zu bauen (sie explodierte im Testgebiet Trinity nahe Alamogordo (New Mexico)), ferner die Bombe Fat Man, die auf Nagasaki, Japan abgeworfen wurde. Die Bombe Little Boy die Hiroshima getroffen hat, war eine Uranbombe mit Uran aus dem Oak Ridge Reaktor.
Zurzeit läuft in Hanford die größte Reinigungsaktion der Welt, die die Hinterlassenschaften aus 50 Jahren Bombenproduktion beseitigen soll. Dabei sind technische, politische, gesetzliche und nicht zuletzt kulturelle Interessen auszugleichen. Die Aufräumaktion hat folgende Ziele:
- eine alternative Nutzung des Gebiets am Columbia River zu ermöglichen,
- das Zentral-Plateau zur Bearbeitung und Lagerung von langfristig strahlendem Atommüll vorzubereiten.
Auch wenn der größte Teil von Hanford in Benton County liegt, so sind doch ca. 20% auf der anderen Seite des Columbia River in Grant County und Franklin County. Dieses Land wurde bereits freigegeben und an Privat verkauft. Dort finden sich nun wieder bewässerte Felder und Obstgärten. Im Jahre 2000 wurden weite Teile des Geländes dem Hanford Reach National Monument übergeben.
Geschichte der Nuklearfabrik von Hanford
Im Juli 1942 starte das Uranium Committee des staatlichen Office of Scientific Research and Development (OSRD) ein Intensiv-Forschungsprogramm über Plutonium mit dem University of Chicago Metallurgical Laboratory (MetLab). Zu dieser Zeit war Plutonium noch ein seltenes Element, das erst neun Monate zuvor in den Laboren der University of California isoliert werden konnte.
Auswahl von Hanford
Im Juni 1942 gründetet das Army Corps of Engineers den 'Manhattan Engineer District (MED), besser bekannt als das Manhattan-Projekt, um Plutonium und Uran im industriellen Maßstab für die MetLabs herzustellen. Im November 1942 unterzeichnete DuPont einen Vertrag zum Bau einer solchen Anlage. DuPont empfahl, die Plutoniumproduktion weitab von der Uranproduktion in Oak Ridge National Laboratory, Tennessee anzusiedeln.
Der ideale Ort sollte folgende Voraussetzungen erfüllen:
- Ein großes, abseits gelegenes Stück Land
- Ein gesicherter Gefahrenbereich von mindestens 19x26 km
- Raum für Labore, mindestens 13km vom nächsten Reaktor oder Anreicherungsanlage entfernt
- Keine Städte mit mehr als 1000 Einwohnern im Umkreis von 32 km um den Gefahrenbereich
- Keine Hauptverbindungsstraßen, Eisenbahntrassen und Arbeitersiedlungen näher als 16 km am Gefahrenbereich
- Saubere und verlässliche Wasserversorgung
- Genügend Elektrizität
- Fester Untergrund für massive Bauten
General Leslie Groves (der Leiter des Manhattan Projekts) hatte zum Schluss die Wahl zwischen fünf Standorten. Er entschied sich im Dezember 1942 für Hanford als "ideal in allen Belangen" (Matthias 1987); mit Ausnahme der Dörfer White Bluffs und Hanford. General Groves gründete die Hanford Engineer Works Anfang Februar 1943. Die Bundesregierung enteignete das Land und siedelte die Bevölkerung der beiden Orte um. Auf Grund der Lebensmittelknappheit während des Krieges wurden Gefangene benutzt, um die noch von den früheren Bewohnern bestellten Felder und Obstgärten abzuernten.
Der Baubeginn
Die Arbeiten an den Hanford Engineer Works (HEW) begannen im März 1943. Noch vor dem Ende des Krieges im August 1945 hatte das HEW 554 Gebäude errichtet:
- Drei Reaktoren (100-B, 100-D, and 100-F)
- Drei 250 Meter lange Plutoniumverarbeitungsanlagen (200-T, 200-B, und 200-U)
- 64 unterirdische Tanks für hochradioaktive Abfälle
- Urananreichungsanlagen
- 621 km Straße
- 254 km Eisenbahntrasse
- 4 Elektrische Verteilerstationen
- Dazu noch hunderte Kilometer Zäune
Dafür wurden 600.000 m3 Beton und 40.000 Tonnen Stahl verbaut, wofür $230 Millionen Dollar aufgewendet wurden.
In der Stadt Richland entstanden zudem Unterkünfte für Arbeiter.
Der Reaktorbau
Im Oktober 1943 begann DuPont mit dem Bau der ersten Reaktors in Hanford mit dem Codenamen B-Pile (Gebäude 100-B). (Die Spaltreaktoren wurde damals alle als Pile (Haufen) bezeichnet)
Der Bau war binnen eines Jahres fertig. Die ersten Tests begannen am 12. Juli 1944. Am 13. September 1944 wurde der Reaktor mit Hot-Dog-großen slugs beschickt. Slugs sind Zylinder aus einem Gemisch von U235 und U238.
Die Produktion von Plutonium begann am 26. September 1944. Nach einigen Schwierigkeiten wurde am 6. November 1944 das erste Plutonium produziert. Das Plutonium wurde in der Einheit 221-T raffiniert und am 5. Februar 1945 nach Los Alamos gebracht. Dort wurden daraus die Bomben assembliert für den Trinity-Test sowie Fat Man, die Bombe, die auf Nagasaki abgeworfen wurde.
Nach dem Begin des Baus am ersten Reaktor, baute DuPont zwei weitere identische Reaktoren:
- 100-D begann mit der Plutoniumproduktion im Dezember 1944
- 100-F im Februar 1945.
Jeder der drei Reaktoren hatte eine Leistung von 200 Megawatt thermisch. Sie hatten aber die ganze Zeit über einen rein militärischen Einsatzzweck, es wurde kein Strom produziert damit (dieser Verwendungszweck der Kernspaltung hielt weltweit erst in den 50er Jahren Einzug)
Produktion von Plutonium
Plutonium entsteht, wenn U238 ein Neutron absorbiert und zu U239 wird. Das U239 ist sehr instabil, macht einen Beta-Zerfall und wird Np239, auch instabil. Durch einen weiteren Beta-Zerfall entsteht nun Pu239.
Die bestrahlten Brennstäbe wurden zunächst in Wasserbecken gelagert und dann per ferngesteuerter Bahn zu einer der 16 km entfernt liegenden drei Separationsanlagen gebracht. Dort wurde das Plutonium vom Uran und von den restlichen Aktivierungs- und Spaltprodukten getrennt. Die erste Anlage hieß T-Plant und wurde im Dezember 1944 fertig.
In einem Schacht von 260m Länge, 20m Breite und 26m Tiefe wurde das Plutonium gelöst und über zahlreiche Reinigungsstufen angereichert. Zurück blieb ein Gemisch aus Uran, Aktivierungs- und Spaltprodukten.
Wegen der dort herrschenden Radioaktivität konnte vor Ort keiner arbeiten.
1956 wurde die Wiederaufbereitung in T-Plant eingestellt.
Der Kalte Krieg
Zu Beginn des Kalten Krieges 1949 baute das HEW den H-Reakor mit 400 MW Leitung. 1950 wurde der der 250 MW DR (D-Replacement) Reaktor in Betrieb genommen. Auch neben den B-Reaktor wurde gebaut, der C-Reaktor mit 600 MW thermisch wurde 1952 in Betrieb genommen. Er wurde bald der Hauptforschungsreaktor in Hanford. Der C-Reaktor wurde für Forschung und Entwicklung gebaut. Schon drei Monate nach seinem Start wurde er hauptsächlich zum Test für den Doppel-K-Reaktor (KE und KW) benutzt. Das sind Großreaktoren mit jeweils 1.800 MW thermisch Leistung.
Mit Beginn der 60er Jahre hatten durch zahlreiche Verbesserungen die fünf Reaktoren aus den 40er Jahren eine Leistung zwischen 2.015 bis 2.210 MW, Der C-Reaktor von 2.500 MW und der K-Reaktor von 2*4.400 MW.
Der B-Reaktor arbeitete an der Produktion von Tritium u. a. für die Wasserstoffbomben. Am 12. Februar 1968 wurde er außer Dienst gestellt. Seitdem wurde der größte Teil der Anlage demontiert und vergraben. Die anderen Reaktoren wurden eingemottet, um ihre Radioaktivität abklingen zu lassen. Der Rest des B-Reaktor wurde zum Museum [1].
Die Reaktoren lagen am Columbia River, da sie dessen Wasser zur Kühlung benötigten. Gewaltige Pumpwerke schafften das Wasser zu den Reaktoren und wieder zurück. Zuvor ließ man es 6 Stunden in riesigen Becken abklingen. Das half aber nicht bei vielen längerlebigen Nukliden, und daher wurden jeden Tag grosse Mengen Radioaktivität Terabecquerel in den Fluss gepumpt. Es war eine Kühlung, die im Gegensatz zu heutigen AKW noch ohne Zwischenkühlkreis funktionierte und damit das Flusswasser massiv kontaminierte. Um 1960 protestierten sowohhl die Gesundheitministerien von Oregon und Washington als auch das U.S. Public Health Service dagegen.
Der N-Reaktor von Hanford wurde am 31. Dezember 1963 kritisch. Im Gegensatz zu den anderen Reaktoren war er graphitmoderiert, aber noch wassergekühlt. Seine Hauptaufgabe war die Plutoniumproduktion, er produzierte nebenbei aber noch Strom. Damit war er der einzige Reaktor in den USA, der sowohl militärisch als auch zivil genutzt wurde.
| Name | Baubegin | Prod.Start | Shutdown |
|---|---|---|---|
| B Reaktor | 7. Juni 1943 | 26. Sept. 1944 | 12. Feb. 1968 |
| D Reaktor | Nov. 1943 | 17. Dez. 1944 | 26. Juni 1967 |
| F Reaktor | Dez. 1943 | 25. Feb. 1945 | 25. Juni 1965 |
| DR Reaktor | Dez. 1947 | 3. Okt. 1950 | 31. Dez. 1964 |
| H Reaktor | März 1948 | 29. Okt. 1949 | 21. Apr. 1965 |
| C Reaktor | Juni 1951 | 18. Nov. 1952 | 25. Apr. 1969 |
| KW Reaktor | Nov. 1952 | Jan. 1955 | 1. Feb. 1970 |
| KE Reaktor | Jan. 1953 | Apr. 1955 | 28. Jan. 1971 |
| N Reaktor | Mai 1959 | 31. Dez. 1963 | Okt. 1989 |
Brennstab-Probleme und Unfälle
Auf Grund der steigenden Nachfrage nach Plutonium bekamen die Reaktoren immer mehr Probleme mit den Brennstäben. Die Hüllen der Brennstäbe waren aus Aluminium, und eindringendes Kühlwasser verursachte ein Aufquellen des Urans und blockierte den Kühlfluss. Dies führte in chronischem Verlauf zum Schmelzen einiger Teile im Brennstab.
Während des zweiten Weltkrieges kam es zu keinem Zwischenfall, aber im Dezember 1945 wurden bei einer visuellen Inspektion 125 Brennstäbe mit Beschädigungen gefunden.
1948 trat aus der Anlage eine radioaktive Wolke aus. Allein der Anteil Jod-131 betrug 5500 Curie, das sind 250 mal mehr als gemäss offiziellen Angaben 1979 beim Kernschmelz-Unfall in TMI-Harrisburg in die Umgebung gelangten. Die radiologische Gefährlichkeit von Jod-131 für die Schilddrüse war in den 1940er Jahren noch nicht erkannt, es konnte auch im bestimmungsgemässen Betrieb ungefiltert aus den Anlagen entweichen.
In den folgenden Jahren wurden beschädigte Brennstäbe unter Wasser geöffnet und untersucht. Dazu wurden sie in das Gebäude 111-B gebracht und in Stahltanks mit einem speziellen Gerät namens Lathe geöffnet. Auch nachdem die Radiometallurgie in Gebäude 327 beendet war, wurden dort weiter Brennstäbe untersucht.
In den 25 Jahren des Betriebs wurden viele technische Probleme gelöst und zahlreiche neue Maschinen und Methoden entwickelt, um die Effizienz der Anlage zu steigern. Das Abfallproblem konnte aber nicht gelöst werden und der Abfall landete weiter im Columbia River.
Die meisten Reaktoren in Hanford wurden in den 1960er Jahren abgeschaltet, aber ihr Müll ist noch vor Ort. Etwa 11.000 Arbeiter sind zurzeit (2006) damit beschäftigt, kontaminierte Gebäude und Böden zu sanieren. Es wird nach Schätzungen bis zum Jahre 2030 dauern, bis das Gelände wieder ein akzeptables Level hat.
Der jetzige Plan sieht vor, dass wenig-verstrahlter Müll in großen Gruben vergraben und anschließend viele Jahre sorgfältig beobachtet wird.
Der hoch verstrahlte Abfall, wie auch Tanks voller hochgiftiger Chemikalien sind ein größeres Problem. So hat zum Beispiel Plutonium eine Halbwertszeit von 24.100 Jahren, und das bedeutet, dass es mindestens 241.000 Jahre (mal 3 als Sicherheitsmarge) sicher gelagert werden muss. Wie man das Problem in den Griff bekommt, ist Teil einer andauernden Debatte. Zurzeit untersucht das Department of Energy Verglasung als mögliche Lösung, aber eine endgültige Entscheidung steht noch aus.
Hanford heute
Da die Zeit der Urananreicherung und Plutoniumproduktion in Hanford zu Ende geht, wird versucht, für die vielen hochqualifizierten Wissenschaftler und Techniker eine neue Beschäftigung zu finden. So wurde nördlich von Richland das Pacific Northwest National Laboratory errichtet, betrieben von der Bundesregierung und dem Battelle Memorial Institute.
Andere Einrichtungen in Hanford sind:
- Die Fast Flux Test Facility (FFTF), seit 2005 abgeschaltet.
- Das LIGO des Hanford Observatoriums und des Observatoriums in Livingston, Louisiana, ein Interferometer zur Suche nach Gravitationswellen.
- Columbia Generating Station, ein kommerzielles Atomkraftwerk zur Stromproduktion mit 1250 MW elektrisch. Der Siedewasser-Reaktor wurde von General Electric erstellt.
Wo ist das Plutonium ?
Es ist relativ genau bekannt, was mit dem Plutonium in den USA geschehen ist. Die ersten ca. 6 kg wurden 1945 für den Trinity-Test benutzt. Die nächsten 6 kg wurden über Nagasaki abgeworfen.
Seitdem sind weitere 1200 Tonnen Plutonium produziert worden, ungefähr 260 Tonnen davon sind waffenfähiges Plutonium.
Am 1. März 1995 verkündete Präsident Clinton, dass 200 Tonnen aus dem Vorrat entfernt werden. Davon waren ca. 38 Tonnen waffenfähiges Material, und 20 Tonnen "Müll". Das US-Militär soll etwa 85 Tonnen besitzen, davon sind 64 Tonnen in Atomwaffen verbaut. Die restlichen 21 Tonnen sind in Form von Lösungen und Atommüll in Rocky Flats und anderen Einrichtungen gelagert.
Waffenfähig ist eine Qualitätsangabe, denn man kann durchaus mit stärker verunreinigtem Material eine Bombe bauen.
Qualitätstufen:
- Waffenfähig enthält weniger als 7% Pu240
- Industriequalität enthält zwischen 7 und 19% Pu240
- Reaktorfähig enthält mehr als 19% Pu240
Die Hanford Tank Farm
Von Anfang an war der radioaktive Müll ein Problem. Da man ihn nicht einfach in die Landschaft kippen konnte, wurde er in riesige unterirdische Tanks gefüllt. War einer voll, so nahm man den Nächsten. In der Zeit von 1943 bis 1998 wurden so 177 Tanks mit einem Fassungsvermögen von 250.000 bis 4.546.000 Litern mit allerlei radioaktivem Müll gefüllt. So haben sich bis zuletzt 241.000.000 Liter angesammelt. Was genau in den Tanks ist, und welche Chemie sich darin abspielt, ist oft unbekannt.
Von den 177 Tank sind 149 Ein-Hüllen-Tanks aus der Zeit von 1943 bis 1964. Danach wurden noch 28 Doppel-Hüllen-Tanks gebaut. Die beim Abklingen der radioaktiven Stoffe entstehende Wärme bedeutet, dass die Tanks permanent gekühlt werden müssen. Dazu kommt die Radiolyse, das Entstehen von Wasserstoffgas, das nicht nur erheblichen Druck aufbauen kann, sondern auch als Tritium (H3) zum Teil radioaktiv ist. Mit der Zeit trennen sich zudem die festen, flüssigen und gasförmigen Bestandteile in den Tanks.
Die Tanks lassen sich in 4 Kategorien teilen
- Exotherme Tanks - sie müssen gekühlt oder Wasser hinzugefügt werden.
- Eisenzyanid-Tanks - der Inhalt wird explosiv ab einer kritischen Temperatur
- Organische-Chemikalien-Tanks - leicht entflammbar
- Wasserstoffproduzierende Tanks - Radioaktives Tritium
Sie werden langsam undicht, da sie für 30 Jahre (Ein-Hüllen-Tanks) bzw. 50 Jahre (Doppel-Hüllen-Tanks) Lebensdauer konzipiert sind. Ca. 67 Tanks sollen inzwischen undicht sein. Seit 2003 ist man dabei, die Ein-Hüllen-Tanks zu leeren und in Doppel-Hüllen-Tanks umzufüllen.
Zwischenlager in Hanford
In Hanfort wird der Müll nicht nur in der Tank Farm sondern auch an anderen Orten zwischengelagert.
T-Plant wird seit seiner Schließung 1956 zu Dekontaminationsarbeiten benutzt, nebenbei auch als Lager für verschiedenste hochradioaktive Materialien.
U-Plant (Anlage U-221) wurde ursprünglich dafür benutzt, das Uran aus den Schlacken der Tank Farm rückzugewinnen. Jetzt wird dort kontaminiertes Gerät gelagert.
Die K-Becken: Nach der Abschaltung des K-Reaktor (1970) standen zwei gewaltige Becken (125 Fuß lang, 67 Fuß breit, 21 Fuß tief) zur Zwischenlagerung von abgebrannten Brennstäben zur Verfügung. Seit 1975 werden sie benutzt. Daher lagern zurzeit ca. 2100 Tonnen Brennstäbe dort. Das sind ca. 80% aller abgebrannten Brennstäbe in den USA.
Ein Problem ist das KE Becken. Dort lagern rund 1000 Tonnen Brennelemente, die nicht unbedingt zur Lagerung unter Wasser gebaut wurden. Als Folge davon sind viele beschädigt und am Grund des Becken konnte sich Sediment ansammeln. Zudem wird die Beckenabdichtung angegriffen, das führte in Februar 1993 zu einem Leck. Mehrere Monate konnte kontaminiertes Wasser auslaufen.
PUREX (S222), der Name leitet sich aus dem Begriff Plutonium-Uran-Extranction her. Seit dem 12. Januar 1956 wird das Plutonium, Uran etc. von den Hanford-Reaktoren hier aufbereitet. Hier wurde auch U233 aus dem Thorium des N-Reaktors gewonnen. 1993 wurde die Anlage geschlossen. Seit 1995 werden dort erhebliche Mengen der 200 Tonnen Plutonium gelagert, die Präsident Clinton aus den Vorratslagern entfernen ließ.
Die Z Plant (Plutonium Finishing Plant) wurde von 1951 bis 1989 betrieben. Dort wurde das Plutonium aus den PUREX-Prozessen gereinigt, so dass metallisches Plutonium vorlag. Nach dem Ende der Produktion verblieben noch ca. 4 Tonnen Plutonium in Form von Müll zurück. Daneben finden sich auch noch zahllose andere radioaktive Reste aus der Produktion.
Siehe auch
- Majak (sowjet. Bombenproduktion)
Quellen
- D'Antonio, Michael, Atomic Harvest:Hanford and the Lethal Toll of America's Nuclear Arsenal (New York: Crown, 1993). ISBN 0-517-58981-8
- Weisskopf,Gene, "Historic American Engineering Record B Reactor (105-B Building)," HAER No. WA-164 (December 2000)This Report has been scanned but is not yet online.
- Gerber, Michele et al., National Register of Historic Places Multiple Property Documentation Form - Historic,Archaeological and Traditional Cultural Propertiesof the Hanford Site, Washington, DOE/RL-97-02,
Chapter5: The Manhattan Project and Cold War Eras, PlutoniumProduction at the Hanford Site, Washington, December1942-1990" (February 1997)