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Da sich dieses Ventil aber nicht wie vorgesehen wieder schliesst, kommt es zum Unglück. Eine Kontrolleuchte für das Ventil im Steuerungszentrum des Kraftwerks erlischt, was von den Mitarbeitern als Zeichen interpretiert wird, dass sich der Abfluss wieder geschlossen hat. Mehr als zwei Stunden lang bemerken sie nicht, dass pro Minute etwa eine Tonne Kühlmittel aus dem Reaktor austrat und das Auffangbecken schon bald überflutete. Die Folge dieses massiven Verlusts an Kühlmittel ist eine Überhitzung des Reaktorkerns und schließlich die Kernschmelze, der GAU.
Um 6 Uhr, mit dem Schichtwechsel im Kontrollraum und mehr als zwei Stunden nach dem ersten Vorkommnis, wird das Problem endlich bemerkt. Zu diesem Zeitpunkt ist die Konzentration der Radioaktivität im Kraftwerk bereits 300mal höher als normal. Um kurz vor 7 Uhr wird durch einen leitenden Angestellten der Notfall erklärt, eine halbe Stunde später erklärt der Kraftwerksmanager Gary Miller den allgemeinen Notfall, was soviel bedeutet wie eine Warnung vor möglichen schwerwiegenden Gefahren für die Öffentlichkeit. Pennsylvanias Gouverneur Richard Thornburgh wird informiert, kurz darauf auch der US-Präsident Jimmy Carter. Die Öffentlichkeit dagegen erhalten zunächst nur widersprüchliche Informationen - während ein Vertreter der Betreiberfirma Met Ed Pressevertretern erklärte, es sei keine Radioaktivität ausgetreten, verkündete der stellvertretende Gouverneur, William Scranton, dass eine geringe Menge radioaktiven Materials ausgetreten sei.
Währenddessen war im Kontrollraum des Reaktors zum Teil noch immer nicht klar, wie man die fortschreitende Kernschmelze stoppen könne. Am Morgen des nächsten Tages wissen die Techniker sich schließlich nicht mehr anders zu helfen, als zur Vermeidung einer Explosion radioaktives Gas in die Atmosphäre entweichen zu lassen. Gouverneur Thornburgh ordnet die Evakuierung von Schwangeren und Kleinkindern im Umkreis des Reaktors an, viele andere verlassen die Gegend ebenfalls fluchtartig.
Trotz einer Vielzahl eingesetzter Kommissionen und unabhängiger Untersuchungen gibt es bis heute keine allgemeingültigen Erkenntnisse über die Auswirkungen des Unfalls und der freigesetzten Radioaktivität für die Menschen in der Umgebung des Kraftwerks. Während das Gesundheitsministerium des Bundesstaats Pennsylvania in seiner Untersuchung zu dem Schluss kommt, dass es in Folge des Unglücks zu keinem Todesfall gekommen ist, zeigen andere Studien unter anderem eine erhöhte Säuglingssterblichkeit und einen Anstieg der Zahl der Krebserkrankungen. Der Unglücksreaktor TMI-2 ist nach dem Unglück komplett stillgelegt worden, die Arbeiten zum Abtransport des verseuchten Materials und zur kompletten Stillegung wurden 1993 offiziell abgeschlossen. Der Nachbarreaktor TMI-1 arbeitet weiter und hat eine gültige Lizenz bis 2014; eine Verlängerung bis 2034 ist beantragt.
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