Wasserdampfexplosion

Physikalische Explosion sind Explosionen, die weder auf chemischen noch auf kernphysikalischen Prozessen beruhen, sondern aufgrund von einfachen physikalischen Prozessen geschehen. Sehr oft handelt es sich um Wasserdampfexplosionen.

Physikalische Explosionen treten auf, wenn eine heiße Flüssigkeit auf eine kältere Flüssigkeit trifft und die heiße Flüssigkeit eine höhere Temperatur hat als der Siedepunkt der kälteren Flüssigkeit. Die Explosion entsteht daraus, dass die heiße Flüssigkeit die kalte so erhitzt, dass diese schlagartig verdampft, und dass Dampf ein weit größeres Volumen hat als der gleiche Stoff in flüssigem Zustand.

Die heiße Flüssigkeit kann in der Natur flüssiges Gestein sein, also z. B. Lava, oder im technischen Bereich bei der Metallgewinnung oder Metallverarbeitung flüssiges Metall (Schmelze). Die kalte Flüssigkeit ist meist Wasser, aber auch andere Flüssigkeiten wie Silikonöle kommen in Frage.

Ablauf

Trifft z. B. eine Eisenschmelze auf Wasser, so entsteht unverzüglich aus dem das Eisen berührenden flüssigem Wasser Dampf, der eine Dampfschicht um das Eisen bildet. Diese Dampfschicht löst sich bei der Ausdehnung nicht gleichmäßig ab. Das nachströmende Wasser löst einen sogenannten Triggerimpuls aus, der die Schmelze in kleine Stücke auseinandereißt. Diese sind nun plötzlich alle von Wasser umgeben, erhitzen dieses und statt vor sich hin zu sieden, wie Wasser in einem Topf, wird das Wasser schlagartig verdampft. Der Dampf dehnt sich so schnell aus, dass die Eisenschmelze mit der Druckwelle des Wasserdampfes explodiert und umhergeschleudert wird.

Magma

Explosion am Waikupanaha, Hawaii, beim Zusammentreffen von Magma und Meerwasser

Zahlreiche physikalische Explosionen wurden schon von flüssigem Gestein aus dem Erdinnern, dem Magma, ausgelöst.

Magma und Wasser

So fand z. B. am 17. Mai 1724 auf Island westlich des alten Vulkans Krafla eine gewaltige Explosion statt. Asche und Schlacken wurden im Umkreis von 10 km verstreut. Es war Magma mit dem Grundwasser in Berührung gekommen. Der Ausbruch dauerte wahrscheinlich nur einen Tag und hinterließ einen stinkenden, dampfenden und mit kochendem Schlamm gefüllten Krater von 320 m Durchmesser. Um das Jahr 1840 klärte sich das Wasser im sogenannten Vitikrater langsam. Es blieb ein klarer Kratersee.^[1] Solche vulkanischen Explosionen unter der Beteiligung von Wasserdampf werden als Phreatische Eruption bezeichnet, beim gleichzeitigen Ausstoß von glutflüssigem Material als phreatomagmatische Eruption, die entstehende Vulkanform ist das in vielen Fällen das Maar.

Magma, vulkanisches Gas und festes Gestein

Je nach den örtlichen Bedingungen kann der Druck von an die Erdoberfläche nach oben drängender Magma und / oder des in ihm enthaltenen Gases, das durch Gesteinsschichten aufgehalten wird, sich so steigern, dass er das Hindernis gewaltsam wegsprengt. Eine solche Explosion erzeugt einen besonderen Typ von Vulkanausbruch, die Plinianische Eruption. Berühmte Explosionen waren etwa die des Santorin etwa 1627 v. Chr, des Vesuv 79 n. Chr., des Tambora 1816, des Krakatau 1883, des Mount St. Helens 1980 oder des Pinatubo 1991.

Meteoriten

Auch durch die Reibungshitze der Luft erhitzte Meteore können beim Auftreffen auf Wasser eine Dampfexplosion auslösen. Auch die starke Abbremsung durch das Auftreffen setzt weitere Wärmeenergie frei.

Bei sehr großen Meteoriten kann die Energie ausreichen, nicht bloß Flüssigkeit, sondern feste Materie zu verdampfen. Der Effekt dieser Explosion tritt zusätzlich zu der unmittelbaren Wirkung des Bewegungsimpulses durch die auftreffende Masse hinzu. Ein Beispiel eines solchen Einschlagkraters ist etwa der Barringer-Krater in Arizona.

Druckbehälter

Bersten können auch Druckbehälter, wenn sie technisch nicht mehr dem vorgesehenen Innendruck standhalten oder dieser unzulässig oder durch Unfälle erhöht wird, wie etwa beim Kesselzerknall von Dampfkesseln.

Zum Beispiel füllt das Aceton einer Acetylenflasche bei einer Flascheninnentemperatur von 60 °C das gesamte Volumen des Druckbehälters aus. Bei einer weiteren Erwärmung – z. B. durch einen Brand – steigt der Druck der Flasche pro 1 K um 7–8 bar. Wenn der Berstdruck der Flasche (230 bar) erreicht ist, explodiert (zerknallt) die Flasche durch Überdruck (physikalische Explosion). Die Trümmerteile können bis 300 m weit geschleudert werden. An die physikalische Explosion schließt sich durch das Zünden des Acetylens sofort eine chemische Explosion an.^[2]

Als Folge einer Kernschmelze

Auch durch radioaktive Prozesse in Kernreaktoren entstandene Kernschmelze, eine Mischung von flüssigem Uran und sonstigem verflüssigtem Metall, kann beim Hineintropfen oder Fließen in Kühlflüssigkeit zu einer massiven Wasserdampfexplosion führen. Die Hitzeentwicklung beruht hier zwar auf nuklearen Prozessen; die eigentliche Explosion ist aber nicht-nuklearer Art (der gleiche Effekt ergäbe sich auch bei nicht radioaktiven Metallschmelzen). Aus diesem Grund handelt es sich auch hier um eine physikalische Explosion.

Überlagerung mit chemischer Explosion

Trifft Aluminiumschmelze auf Wasser, kommt es zu einer chemischen Reaktion mit dem Wasser, die die physikalische Explosion noch verstärkt. Die Reaktion wird durch einen Lichtblitz sichtbar. Die Energiefreisetzung beträgt über 5 MJ/kg.^[3]

Reaktionsschema:

$\mathrm{2 \ Al + 3 \ H_2O \longrightarrow \ Al_2O_3 + 3 \ H_2}$

Arbeitssicherheit

Die physikalischen Explosionen führen in Hüttenwerken und in der Metallindustrie immer wieder zu schweren Unfällen, oft mit tödlichen Ausgang. Die Verhinderung von Physikalischen Explosionen in daher in solchen Betrieben ein wichtiger Teil der Arbeitssicherheit. Bei Physikalischen Explosionen können – je nach Art und Masse – am fragmentierenden heißen Medium Drücke von mehreren 100 Megapascal (MPa) entstehen.

Beispiele: Zitate aus amtlichen Unfallberichten

• In den Ofen sollte Reinnickel eingebracht und gleichzeitig Trockenstampfmasse gesintert werden. Der Ofen sollte dazu randvoll bei ca. 1630 °C angefahren werden. Die Nickelpellets wurden in gebrauchten Fässern angeliefert (vorheriger Gebrauch zum Transport nicht bekannt). Vor dem Unfallzeitpunkt war die Hälfte des Nickels verbraucht. Beim Einfüllen des 14. Fasses per Gabelstapler kam es zur physikalischen Explosion und Metallschmelze wurde aus den Ofen geschleudert. Es wird vermutet, dass sich in dem Fass nicht sichtbare Flüssigkeit befand.

Tödliche Verbrennungen des Gabelstaplerfahrers aufgrund herausgeschleuderter heißer Schmelze, leichte Verletzungen eines weiteren Mitarbeiters. ^[4]

• In der Gießhalle einer NE-Gießerei befand sich eine Gas Boiling Filtration Box (GBF-Box), aus der über ein Spundloch der Box Aluminiumschmelze in einen 1 m darunter befindlichen Restschmelzekübel abgelassen wurde. Der Kübel war mit einem Gitterrost abgedeckt, der den Einblick in den Kübel zur Prüfung, ob sich eventuell Wasser im Kübel befindet, ermöglichte. Der Gitterrost diente aber auch als Standfläche für die Arbeitnehmer während des Umfüllvorganges. Beim Befüllen des Restschmelzekübels mit flüssiger Aluminiumschmelze aus der GBF-Box stand der tödlich Verunfallte auf dem Gitterrost oberhalb des Kübels, so dass vermutlich Schneereste aus dem Sohlenprofil seines Schuhwerks über den Rost in den Kübel gelangten. Das eingetragene Wasser führte zu einer physikalischen Explosion, so dass die Aluminiumschmelze aus dem Kübel herausgeschleudert wurde und den tödlich Verunfallten und einen weiteren Arbeitnehmer traf. ^[5]

Siehe auch

• Aggregatzustand
• Verdampfen

Einzelnachweis

1. ↑ Á ferð um Ísland - Das Kraflagebiet.
2. ↑ Explosion. Feuerwehr Halle (Saale)
3. ↑ B. Lafrenz: Physikalische Explosionen: Explosionen aufgrund schneller thermischer Wechselwirkungen. Forschung: Projekt F 2097, Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (pdf, 840 Kb)
4. ↑ Ereignisse zur Auswertung im UA Ereignisauswertung der SFK. Kommission für Anlagensicherheit (KAS)
5. ↑ Ereignisse zur Auswertung im UA Ereignisauswertung der SFK. Kommission für Anlagensicherheit (KAS)