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Fukushima und kein Ende
Ursachen, Ablauf und Konsequenzen des Reaktorunfalls
Dr. Christoph Pistner
Energie für die Zukunft

Centralstation Darmstadt
07.10.2013
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Übersicht

1
2
3
4
5

Grundlagen Reaktortechnik
Die Anlage Fukushima Daiichi
Das Ereignis
Die Auswirkungen
Heutiger Zustand und Nächste Schritte

Fukushima und kein Ende│C. Pistner│Darmstadt│07.10.2013

2
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1
Grundlagen Reaktortechnik

3
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Siedewasserreaktoren

Fukushima und kein Ende│C. Pistner│Darmstadt│07.10.2013

4
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Nachzerfallsleistung in Fukushima: 6 Monate

Fukushima und kein Ende│C. Pistner│Darmstadt│07.10.2013

Quelle: TEPCO

5
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Was bedeutet das?
Block 1, Fukushima Daiichi, thermische Leistung 1.380 MW,
Kühlung durch Verdampfung:
●

Nach einer Stunde ca. 22 MW
→ 31 Tonnen Wasser pro Stunde

●

Nach einem Tag ca. 11 MW
→ 15 Tonnen Wasser pro Stunde

●

1. Juli 2011 ca. 1 MW = 1000 kW
→ 1,4 Tonnen Wasser pro Stunde

●

Aktuell (4.10.2013), Kühlung ohne Verdampfung
→ 4,4 Tonnen Wasser pro Stunde

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6
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Kernschmelze
●

Etwa 1200°C: Bersten von Brennstabhüllrohren, Beginn
Spaltproduktfreisetzung

●

1300°C-1800°C: Zry-Oxidation, Wasserstoffbildung

●

1700°C: Schmelzpunkt Edelstahl

●

2030°C: Schmelzpunkt Zry

●

3120°C: Schmelzpunkt UO2

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7
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2
Die Anlage Fukushima Daiichi

8
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Kernkraftwerke in Japan

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Quelle: Glaser, MIT

9
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Fukushima Daiichi

Fukushima und kein Ende│C. Pistner│Darmstadt│07.10.2013

Quelle: Tepco

10
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Querschnitt Reaktorgebäude

Fukushima und kein Ende│C. Pistner│Darmstadt│07.10.2013

Quelle: GRS

11
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Reaktorgebäude/Sicherheitsbehälter

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Quelle: NRC/Wikipedia

12
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3
Das Ereignis

13
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Erdbeben I
●

11.03.2011, Vor 14:46 Uhr (japanische Ortszeiten)
‒
‒

Block 4 in Revision, alle Brennelemente ins BE-Becken entladen

‒

●

Block 1-3 im Leistungsbetrieb

Block 5-6 in Revision, Kern im RDB, BE-Becken mit alten BE beladen

14:46 Uhr – Erdbeben Stärke 9,0

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14
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Erdbeben II

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Quelle: METI (vorläufige Angaben in späteren Berichten bestätigt)

15
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Verlust der externen Stromversorgung

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Quelle: NISA

16
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Erdbeben III
●

Vor 14:46 Uhr
‒
‒

Block 4 in Revision, alle Brennelemente ins BE-Becken entladen

‒

●

Block 1-3 im Leistungsbetrieb

Block 5-6 in Revision, Kern im RDB, BE-Becken mit alten BE beladen

14:46 Uhr – Erdbeben Stärke 9,0
‒

Schnellabschaltung aller Reaktoren erfolgreich

‒

Netzausfall: Notstromfall

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Hochdruck-Einspeisesysteme

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Quelle: GRS

18
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Niederdruck-Kühlsysteme

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Quelle: GRS

19
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Tsunami I
●

15:37 Uhr – Tsunami erreicht Standort ►
(ca. 14 m Flutwelle, Auslegung bis 5,7 m Höhe)

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20
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Tsunami II

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Quelle: TEPCO/MEXT

21
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Überflutung des Anlagengeländes

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Quelle: MEXT

22
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Notstrom-Systeme

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Quelle: GRS

23
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Tsunami III
●

15:37 Uhr – Tsunami erreicht Standort ►
(ca. 14 m Flutwelle, Auslegung bis 5,7 m Höhe)
‒

Ausfall des Nebenkühlwassersystem

‒

Ausfall der Notstromversorgung (direkt durch Ausfall Notstromdiesel oder
indirekt durch Überschwemmung Schaltanlagen etc.), „Station Blackout“

‒

In Block 1 und 2:
Ausfall Gleichstromversorgung, damit:
●

Ausfall der Systemsteuerungen (Start/Stop Pumpen, Verfahren von Armaturen)

●

Ausfall Instrumentierung (Drücke, Temperaturen, Füllstände etc.), Beleuchtung,
Kommunikation

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24
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Arbeitsbedingungen
(Aussagen von TEPCO-Angestellten)
“I asked for volunteers to manually open the vent valves. Young
operators raised their hands as well; I was overwhelmed.”
“In total darkness, I could hear the unearthly sound of SRV dumping
steam into the torus. I stepped on the torus to open the S/C spray
valve, and my rubber boot melted.”
„After replacing an air cylinder for the PCV ventilation of Unit 3, I heard
sound of steam and saw white mist around us. I got into a panic for a
while.”
“There were so many manholes opened by the tsunami. In order to lay
cables, we had to proceed step by step carefully checking safety in the
complete darkness.”

Fukushima und kein Ende│C. Pistner│Darmstadt│07.10.2013

25
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Tsunami II
●

Wärmeabfuhr aus RDB über
‒

Block 1: Isolation Condenser (IC, Notkondensator) oder

‒

Block 2 und 3: Hochdruckeinspeisesysteme mit dampfgetriebenen
Pumpen (zunächst RCIC, später HPCI,) in Wasservorlage des Torus

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Notkondensator (Block 1)

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Quelle: GRS

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Venting-System

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Quelle: GRS

29
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Manuelles Öffnen von Ventilen

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Quelle: TEPCO

30
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Wasserstofffreisetzung aus SHB

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Quelle: NISA

31
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Folgen I
(auf Basis von Simulationsrechnungen)
●

Block 1:
‒

Verlust der Kühlung 11.03.,
15:37 Uhr für ca. 14 Stunden

‒

Kernzerstörung ab ca. 20:30
Uhr

‒

Wasserstoffexplosion am
12.03., 15:36 Uhr

►

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Quelle TEPCO

32
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Folgen II
(auf Basis von Simulationsrechnungen)
●

Block 3:
‒
‒

Kernzerstörung ab ca. 9:00 Uhr

‒

●

Verlust der Kühlung 13.03., 2:42 Uhr für ca. 6,5 Stunden

Wasserstoffexplosion am 14.03., 11:01 Uhr ►

Block 2:
‒
‒

●

Verlust der Kühlung 14.03., 13:25 Uhr für ca. 6,5 Stunden
Kernzerstörung ab ca. 20:00 Uhr

Block 4: 15.03.2011, ca. 6:00 Uhr Explosion

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33
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Fukushima Daiichi, März 2011

Fukushima und kein Ende│C. Pistner│Darmstadt│07.10.2013

Quelle: TECPO

34
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Weitere Maßnahmen
●

Wasserzufuhr durch Hubschrauber, Wasserwerfer,
Feuerlöschfahrzeuge und Autobetonpumpe

●

Wiederherstellung externen Stromversorgung

●

Stabilisierung der Wassereinspeisungen

●

Inertisierung der Containments

●

Inspektionen Reaktorgebäude mit Personal und Robotern

●

Dekontaminationsmaßnahmen und Einhausungen

●

Speichern und Dekontaminieren von Kühlwasser

●

Einstufung in INES Level 7 (bislang nur Tschernobyl)

Fukushima und kein Ende│C. Pistner│Darmstadt│07.10.2013

35
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Wesentliche Fehlerursachen (Auswahl I)
●

Versagen der Atomaufsicht
‒
‒

●

Mangelnde Trennung Aufsicht/Betreiber
Keine „Sicherheitskultur“

Auslegungsfehler (Unterschätzung Tsunamirisiko)
‒
‒

●

Begrenzte Nachrüstung von (Alt)anlagen
Mangelnde Umsetzung internationaler Erkenntnisse und Empfehlungen

Defizite Notstromversorgung
‒

●

Zu geringe Diversität, mangelnde räumliche Trennung, mangelnde
Entmaschung (Kühlsysteme)

Defizite Nebenkühlwasserversorgung
‒

Keine Diversität, EVA-Festigkeit

Fukushima und kein Ende│C. Pistner│Darmstadt│07.10.2013

36
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Wesentliche Fehlerursachen (Auswahl II)
●

Versagen von Notfallmaßnahmen
‒

‒

Notfallmaßnahmen nicht für Ereignisse von außen (Erdbeben,
Hochwasser etc.) ausgelegt

‒

●

Notfallmaßnahmen weltweit als Reaktion auf Tschernobyl (1986) diskutiert,
aber bislang nur teilweise umgesetzt

Unzureichende Berücksichtigung von Unfallfolgen auf dem
Anlagengelände (Zugänglichkeit, Radioaktivität)

Unzureichende Durchführbarkeit von Maßnahmen bei Verlust der
Stromversorgung

Fukushima und kein Ende│C. Pistner│Darmstadt│07.10.2013

37
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4
Die Auswirkungen

38
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Risiken einer Strahlenexposition
Risiko (Annahme: lineare Dosis-/Wirkungsbeziehung)
Dosis von 1 Sv:
Tödliche Krebserkrankung und
Nichttödliche Krebserkrankung

5,5%

1 : 18

Schwerwiegende vererbbare Wirkungen

0,2 %

1 : 500

Insgesamt

5,7%

1 : 18

0,57%

1 : 175

0,005.7%

1 : 17.500

0,000.057%

1: 1.750.000

Dosis von 100 mSv:
Alle Wirkungen
Dosis von 1 mSv:
Alle Wirkungen
Dosis von 10 µSv:
Alle Wirkungen
Fukushima und kein Ende│C. Pistner│Darmstadt│07.10.2013

Quelle: ICRP 2008

40
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Unfallfolgen I

µSv/h
19-91
9,5-19
3,8-9,5
1,9-3,8
1,0-1,9
< 1,0

8 Stunden GanzjahresAufenthalt
aufenthalt
µSv
mSv
Min. Max. Min. Max.
152
728
166
797
76
152
83
166
30
76
33
83
15
30
17
33
8
15
9
17
<8
<9

Das bedeutet:
Umsiedelungsrichtwert D überschritten
(100 mSv ganzj.), auch kurzzeitiger
Aufenthalt verursacht schon nenneswerte
Strahlenbelastungen
Dosisgrenzwert von 1mSv/a für
normalbetriebliche Emissionen durch ODL
zehnfach überschritten

Fukushima und kein Ende│C. Pistner│Darmstadt│07.10.2013

Quelle: MEXT/Eigene Berechnungen

42
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Unfallfolgen II

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Quelle: MEXT

43
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Unfallfolgen III

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Quelle: MEXT

44
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Die Region Fukushima

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Quelle: C. Pistner

46
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Die Region Fukushima

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Quelle: C. Pistner

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Die Region Fukushima

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Quelle: C. Pistner

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Quelle: C. Pistner

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Quelle: C. Pistner

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Quelle: C. Pistner

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Quelle: C. Pistner

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Quelle: C. Pistner

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Quelle: C. Pistner

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Die Region Fukushima

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Quelle: C. Pistner

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Fukushima und kein Ende│C. Pistner│Darmstadt│07.10.2013

Quelle: C. Pistner

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Die Region Fukushima

Fukushima und kein Ende│C. Pistner│Darmstadt│07.10.2013

Quelle: C. Pistner

57
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5
Heutiger Zustand und Nächste Schritte

58
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Heutiger Zustand
●

Kernschäden Block 1-3

●

Reaktordruckbehälter Block 1-3 beschädigt

●

Sicherheitsbehälter undicht

●

Reaktorgebäude Block 1, 3 und 4 stark zerstört

●

Kontinuierliche Kühlmitteleinspeisung erforderlich,
hochkontaminiertes Kühlmittel im Kreislauf fördern

●

Brennelementlagerbecken: Kühlung über Wärmetauscher

●

Block 1: Einhausung abgeschlossen

●

Block 3: Trümmerbeseitigung

●

Block 4: Gerüst und Einhausung zur BE-Entladung aufgebaut

Fukushima und kein Ende│C. Pistner│Darmstadt│07.10.2013

59
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Fukushima Daiichi
(9. September 2013, 5:00 Uhr jap. Ortszeit)

Fukushima und kein Ende│C. Pistner│Darmstadt│07.10.2013

Quelle: TEPCO

60
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Nächste Schritte
●

Stabilisieren der Gebäude (ca. 2 Jahre)

●

Bergung des Brennstoffs aus den Lagerbecken (ca. 10 Jahre)
‒
‒

●

Reparaturen und Dekontamination der Reaktorgebäude
Errichten Krananlagen

Bergung des Brennstoffs aus den RDBs (ca. 30-40 Jahre)
‒

Reparaturen der Sicherheitsbehälter

‒

Fluten der Sicherheitsbehälter mit Wasser

‒

Öffnen Sicherheitsbehälter und Reaktordruckbehälter

‒

Verpacken des Brennstoffs in Behälter

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62
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Einhausung Block I

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Quelle: TEPCO

63
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Trümmerbeseitigung Block III

Fukushima und kein Ende│C. Pistner│Darmstadt│07.10.2013

Quelle: TEPCO

64
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Brennelemente Entladung Block IV

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Quelle: TEPCO

65
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Brennelemente Entladung Block IV (Oktober 2013)

Fukushima und kein Ende│C. Pistner│Darmstadt│07.10.2013

Quelle: TEPCO

66
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Kühlung und Wasserkreislauf I

Fukushima und kein Ende│C. Pistner│Darmstadt│07.10.2013

Quelle: TEPCO

67
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Kühlung und Wasserkreislauf II
Stand 01.10.2013:
●

Tägliche Wassermenge zur Kühlung der Reaktoren:
‒

●

Volumen der Untergeschosse Block 1-4
‒

●

752.750 m3

Auf dem Gelände gelagertes kontaminiertes Wasser
‒

●

75.200 m3

Behandelte Wassermenge seit 11.03.2011
‒

●

372 m3

ca. 300.000 m3

Länge des Rohrleitungssystems
‒

ca. 3 km

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68
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Grundwasserproblematik I

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Quelle: TEPCO

69
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Grundwasserproblematik II

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Quelle: TEPCO

70
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Lagerproblematik

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Quelle: TEPCO

71
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Fazit
●

Zweiter „katastrophaler Unfall“ (INES 7) nach Tschernobyl

●

Unfälle in allen Kernkraftwerken weltweit möglich
‒
‒

Auslegung hat grundsätzlich Grenzen

‒

●

Gravierende Auslegungsfehler nicht erkannt

Auch nach 40 Jahren Betrieb nicht alle Sicherheitsdefizite erkannt und
behoben

Trotz Tschernobyl keine erfolgreichen Notfallmaßnahmen
‒

Defizite in Technik und Organisation

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72
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Naoto Kan (ehem. Japanischer Premierminister)
Foreign Affairs, 08.03.2012:

“I have thought very hard about the types of safety measures
necessary to prevent any such disaster from happening again.
However, when one weighs these measures against the
tremendous risks, it is clear that no amount of precautions will
make a country completely safe from nuclear energy. I have
reached the conclusion, therefore, that the only option is to
promote a society free of nuclear power.”

Fukushima und kein Ende│C. Pistner│Darmstadt│07.10.2013

73
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