Reduktion langlebiger Spaltprodukte

Aktuell wird wieder einmal in der Fachliteratur die Beseitigung von langlebigen Spaltprodukten diskutiert.

Das Problem

Irgendwann ist jedes Brennelement erschöpft und muß erneuert werden. Die „abgebrannten“ Brennelemente werden von „Atomkraftgegnern“ gern als „Atommüll“ verunglimpft, obwohl sie recycelt werden können. Sie bestehen noch zu rund 96% aus Uran und Plutonium, die erneut als Brennstoff genutzt werden könnten. Sicherheitstechnisch betrachtet, stellt ihre ionisierende Strahlung ein – durchaus unterschiedliches – Problem dar. Es sind daher dauerhafte Abschirmungen in der Form von Wasserbädern, Sicherheitsbehältern etc. notwendig.

Der Faktor Zeit

Je länger die Halbwertszeit ist, um so länger dauert es, bis dieser Stoff verschwunden ist. Wenn man von einer Gefahr durch ionisierende Strahlung ausgeht, ist damit der Zeitraum bestimmt, in dem man den Stoff von der Biosphäre fern halten sollte:

  • Es gibt unterschiedliche Arten ionisierender Strahlung, die auch biologisch unterschiedlich wirken. Strahlung, die z. B. von Uran und Plutonium ausgeht, ist nur dann bedrohlich, wenn sie innerhalb des Körpers frei wird. Nimmt man sie nicht in den Körper auf (Nahrung, Atemluft), sind sie genauso harmlos, wie jedweder anderer Stoff auch.
  • Die Dosis macht’s“. Insofern ist die Konzentration eines radioaktiven Stoffes (z. B. im Trinkwasser) entscheidend.
  • Freigesetzte Stoffe können sich (z. B. über die Nahrungskette) anreichern. Dies gilt naturgemäß besonders für langlebige Stoffe. Insofern sollten sie möglichst gar nicht erst freigesetzt werden.

Der Endlager-Standpunkt

Überzeichnet man die Gefahr, die von radioaktiven Stoffen ausgeht, kommt man zu dem Schluß, man müßte sie quasi „für ewig“ sicher einschließen. Der Begriff des „Endlagers“ ist erschaffen. Ein hervorragender politischer Kampfbegriff, weil wie ein Gummiband dehnbar. Man muß nur die Gefährlichkeit – was auch immer darunter zu verstehen sei – ausdehnen und kommt schnell zu Zeiträumen, die nicht mehr als beherrschbar erklärt werden können. Gipfel dieser Gespensterdebatte ist die Erforschung irgendwelcher Piktogramme, die Außerirdischen oder sonst wie verblödeten Erdbewohnern die Lage eines „Endlagers“ in Millionen von Jahren näher bringen sollen. Interessant ist dabei nur, wie locker man beispielsweise den Fallout aus unzähligen Kernwaffenversuchen nicht gekennzeichnet hat. Wären die Stoffe auch nur annähernd so gefährlich, wie sich Ökoaktivisten gern an den Lagerfeuern im Wendland erzählen, müßte die gesamte Menschheit bereits ausgestorben sein. Aber es geht dabei ja auch weniger um Fakten, als um Gesellschaftsveränderung.

Gleichwohl sollte man mit radioaktiven Abfällen verantwortungsvoll umgehen. Es ist das Verdienst der Kerntechnik, der erste Industriezweig zu sein, der sich von Anfang an um seinen Abfall Gedanken gemacht hat: Wiederaufbereitung und geologische Tiefenlager waren erfunden. Letztere aus einem ethischen Anspruch heraus, den Abfall nicht den folgenden Generationen als Problem und Kosten zu hinterlassen. Immer noch revolutionär, wenn man es mit dem sonst voll akzeptierten Umgang mit Abfällen und Deponien vergleicht.

Die Art der Beseitigung

Wenn man gebrauchte Brennelemente aufarbeitet, können sie weiterhin zur Energiegewinnung verwendet werden: In konventionellen Reaktoren als Mischoxid und in schwerwassermoderierten Reaktoren sogar in ihrer ursprünglichen Zusammensetzung. Bedingung ist die Trennung von Uran und Plutonium von den Spaltprodukten.

Verwendet man diesen aufbereiteten Brennstoff in Reaktoren mit schnellem Neutronenspektrum (meist mit Natrium oder Blei als Kühlmittel), kann man damit sogar die minoren Aktinoide „verbrennen“. Sie bilden sich aus Uran- und Plutoniumkernen, die trotz Neutroneneinfang nicht gespalten worden sind. Sie sind besonders langlebig und müssen zusammen mit Plutonium als Argument für eine „sichere Endlagerung über Millionen von Jahren“ her halten.

Bleiben die Spaltprodukte übrig. Sie sind zumeist recht kurzlebig und strahlen deshalb sehr stark. So stark, daß sie sich aufheizen, deshalb gekühlt und sicher abgeschirmt werden müssen. Ein Problem, das sich nach einigen Jahrhunderten von selbst erledigt hat. Es wäre mit der Lagerung in simplen Bunkern technisch leicht beherrschbar, wenn es nicht einige wenige sehr langlebige Spaltprodukte geben würde. Hier setzt wieder die Ethik ein: Ist es zulässig, solche Stoffe unseren Nachfahren zu vererben? Es handelt sich um recht harmlose Stoffe (lange Halbwertszeiten bedeuten wenige Zerfälle pro Sekunde und damit grundsätzlich geringe Dosisleistungen) in sehr kleinen Mengen. Es geht hier um Halbwertszeiten von einigen Hunderttausend (Se79, Tc99) bis zu einigen Millionen (Zr93, Pd107, I129, Cs135) Jahren.

Man kann Atomkerne nur durch Neutronen in ein anderes Element umformen. Man benötigt also eine (möglichst starke) Neutronenquelle. Dieser Vorgang wird Transmutation genannt. Ein Favorit hierfür sind Spallationsquellen, bei denen Atomkerne beschossen werden und förmlich verdampfen. Sie sind sehr aufwendig, produzieren aber dafür auch große Mengen Neutronen. Grundsätzlich bleibt aber ein Problem: Die Stoffe existieren meist in einem Isotopengemisch. Man will aber eigentlich nur ein bestimmtes (besonders langlebiges) Isotop umwandeln. Alle anderen Kernreaktionen sind parasitär und kosten nur die teueren Neutronen. Ein Schlüssel hierfür, sind die energieabhängigen Einfangquerschnitte.

Beseitigung in schnellen Reaktoren

Reaktoren mit schnellen Neutronen sind hervorragend zur „Verbrennung“ von Plutonium und minoren Aktinoiden geeignet. Darüberhinaus benötigen sie nicht einmal Natururan, sondern geben sich sogar mit abgereichertem Uran als Brennstoff zufrieden. Allerdings sind sie nur schlecht zur Beseitigung der langlebigen Spaltprodukte geeignet. Diese besitzen nur sehr kleine Einfangquerschnitte für schnelle Neutronen. Es gibt aber einige Energiebereiche, in denen sie solche Neutronen begierig aufnehmen. Verzichtet man auf einige bei der Spaltung freigewordenen Neutronen – im statistischen Mittel auf 0,3 Neutronen pro Kernspaltung – kann man sie zur Umwandlung abzweigen. Man muß sie allerdings noch auf die ideale Geschwindigkeit abbremsen.

Damit ergibt sich folgendes Reaktorkonzept:

  • Man baut einen zentralen Kern, in dem die eigentliche Energieproduktion aus Uran und Plutonium durch Spaltung mit schnellen Neutronen stattfindet.
  • In einem „schnellen Brüter“ ist diese Zone von einer Schicht aus abgereichertem Uran umgeben. Die Neutronen, die aus dem Kern rausfliegen und nicht zur Aufrechterhaltung einer Kettenreaktion benötigt wurden, reagieren hier mit dem Uran und bilden zusätzliches Plutonium. Bei einem „Brüter“ ist hier die Produktion von Plutonium größer als gleichzeitig davon im Kern verbraucht wird.
  • Verzichtet man nun auf einen Teil der „Brutrate“, hat man Neutronen für eine Umwandlung von Spaltprodukten zur Verfügung. Man muß diese nur noch – möglichst an Ort und Stelle – auf die „richtige“ Geschwindigkeit abbremsen. Man kann in den „Brutmantel“ eine gewisse Anzahl von Brennstäben einfügen, die mit einem Gemisch aus den zu beseitigenden Spaltprodukten und einem geeigneten Moderator gefüllt sind. Ein solcher Moderator könnte z. B. Yttrium Deuterid (YD2) sein. Er erfüllt die Bedingungen, selbst kaum mit Neutronen zu reagieren und die richtige Masse für die notwendige Abbremsung zu besitzen.

Die notwendige Verfahrenstechnik

Die Wiederaufbereitung wird erheblich komplizierter. Bei dem klassischen PUREX-Verfahren – wie es z. B. in Frankreich angewendet wird – gewinnt man möglichst reines Uran und Plutonium. Alles andere ist Abfall, der verglast und später in einem geologischen Tiefenlager „endgelagert“ wird. Um diesen Abfall weiter zu entschärfen, müßte man in weiteren Schritten die Aktinoide und die langlebigen Spaltprodukte abtrennen. Beides ist sehr aufwendig und man sollte darüber nicht vergessen, daß es sich dabei nur um rund 4% des ursprünglichen Brennstoffs eines Leichtwasserreaktors handelt. Die zusätzliche Volumenverkleinerung ist somit äußerst gering.

Die langlebigen Spaltprodukte müssen nun noch in möglichst reiner Form gewonnen werden, um parasitäre Effekte zu vermeiden. Darüberhinaus muß ein eigener Wiederaufbereitungskreislauf eingerichtet werden, da nicht alle Spaltprodukte in einem Schritt beseitigt werden können. Ein gewaltiger Aufwand für so geringe Mengen. Darüberhinaus macht die ganze Sache nur wirklich Sinn, wenn mehr langlebige Spaltprodukte umgeformt werden, wie bei dem Betrieb dieses Reaktors wieder neu entstehen.

Schlußbemerkung

Der Aufwand für eine Transmutation ist sehr hoch. Gleichwohl erscheint der Erfolg durchaus verlockend. Wie Simulationen für den japanischen Monju-Reaktor zeigen, kann über einen Betrieb von 20 Jahren eine Reduktion der effektiven Halbwertszeit langlebiger Spaltprodukte von über 100.000 Jahren auf rund 100 Jahre erzielt werden.

Trotzdem darf die Frage erlaubt sein, ob der gewaltige (wirtschaftliche) Aufwand den (vermeintlichen) Sicherheitsgewinn aufwiegt. Andererseits wird Menschen mit Strahlenphobie auch dieser Aufwand nicht genügen. Es steht zu befürchten, daß das bekannte Rennen zwischen Hase und Igel der „Atomkraftgegner“ lediglich fortgesetzt wird.

SMR, aktualisierter Stand

In der letzten Zeit kommt erneut Bewegung in die Entwicklung „kleiner“ Reaktoren. Anlass für eine Aktualisierung.

Was genau, soll ein SMR sein?

Die Definition eines „SMR“ (Small Modular Reactor) ist etwas vage. In den USA beruht sie auf dem ENERGY POLICY ACT von 2015. Im Abschnitt 608 „Treatment of Modular Reactors“ ist sie wie folgend definiert: Ein Kraftwerk mit höchstens 1300 MWel Gesamtleistung, welches aus mindestens zwei Blöcken mit einer elektrischen Leistung von 100 bis 300 MWel besteht. Dies ist eine etwas sehr geschraubte Definition, aber Politiker und Juristen brauchen wohl so etwas. Wenigstens wird nichts über die anzuwendende Technik vorgeschrieben. Inzwischen gibt es SMR-Entwürfe mit den Kühlmitteln Wasser, Edelgas, Salzschmelze und Flüssigmetall in der Entwicklung.

Zu welchen technischen Verrenkungen solche politischen Akte dann führen, sieht man am Projekt von NuScale Power: Dort werden zwei Reaktoren mit einer äquivalenten Leistung von je 50 MWel auf eine gemeinsame Turbine vorgeschlagen. Förderkriterium erfüllt. Es gibt aber zahlreiche Anwendungen, wo durchaus eine kleinere (thermische) Leistung sinnvoller ist: Kleine Städte in abgelegenen Regionen (Sibirien), Militärische Stützpunkte auf Inseln (China), Ölförderung und Minen (Kanada) etc. Wie es ausschaut, sind genau hier die ersten Anwendungen zu erwarten.

Weltmarkt

Im Jahr 2016 bestand der weltweite Primärenergieverbrauch zu 85% aus fossilen Energieträgern (33% Öl, 28% Kohle und 24% Erdgas). Demgegenüber ist die Kernenergie mit 5% geradezu vernachlässigbar. Sie wurde (nahezu) ausschließlich in der Stromversorgung eingesetzt. Dies hat sie übrigens mit den wetterabhängigen Energieformen Wasserkraft (7%) und „Renewables“ (3%) gemeinsam.

Der Bedarf an elektrischer Energie wird weltweit weiter ansteigen. Nach Schätzungen gibt es derzeit 1,2 Milliarden Menschen, die über keinen Stromanschluss verfügen und fast 3 Milliarden Menschen, die nicht einmal einen Kochherd besitzen. Alles Menschen, die alles dafür geben ihren mittelalterlichen Verhältnissen zu entfliehen – ganz im Gegenteil zu gewissen übersättigten Kreisen bei uns, deren falsches Ideal genau diesem Leben im vorindustriellen Zeitalter entspricht.

Will man in den Weiten Afrikas, Indiens usw. Kernenergie nutzbar machen, sind kleine Reaktoren der einzig gangbare Weg. Mit der heutigen Standardgröße von 1000+ MWel ist sonst der jahrzehntelange Weg über fossile Kraftwerke und großflächige Netze nötig. Um es an dieser Stelle deutlich zu sagen, wer das nicht will, muß unserer Erde noch zweimal Europa oder noch einmal China mit seinen fossilen Kraftwerken zusätzlich zumuten. Ob nun in Deutschland 40 Kohlekraftwerke geschlossen werden oder nicht, ist dafür nur der berühmte Tropfen auf den heißen Stein. Ganz nebenbei ist diese Frage auch der Lackmustest für alle „Klimaschützer“: Geht es wirklich um „Klimaschutz“ oder doch nur um „Gesellschaftsveränderung“?

Letztendlich wird der Preis pro installiertem Megawatt entscheiden. Er dürfte grundsätzlich höher sein, als bei fossilen Kraftwerken. Jedenfalls solange, wie man die bürokratischen Anforderungen aufrecht erhält. Allerdings muß man neben den höheren Brennstoffpreisen auch die notwendige Infrastruktur berücksichtigen: Ein Gaskraftwerk ist nur dann günstiger, wenn bereits eine geeignete Gasversorgung vorhanden ist. Für ein Kohlekraftwerk muß eine Eisenbahnlinie vorhanden sein. Hier kann ein SMR seinen Vorteil des geringen Kernbrennstoffverbrauchs – gerade in flächigen Ländern mit schlechter Infrastruktur – voll ausspielen.

Der wirtschaftliche Blickwinkel

Üblicherweise werden bei Kraftwerken die spezifischen Produktionskosten mit zunehmender Leistung kleiner. Dies betrifft sowohl die spezifischen Investitionskosten (EUR/MW), wie auch die Betriebskosten (EUR/MWh). Bei Kernkraftwerken ergibt sich aber eine Besonderheit: Hohe Finanzierungskosten (Investition) bei nahezu vernachlässigbaren Brennstoffkosten. Eine wesentliche Ursache für die hohen Finanzierungskosten ist die lange Projektdauer. Vom ersten Beschluss ein Kraftwerk zu bauen, bis zur ersten Stromproduktion vergehen oft Jahrzehnte. In dieser langen Zeit summieren sich die Zinsen und Zinseszinsen zu beträchtlichen Schuldenbergen.

Wichtig dabei ist, daß die „Bauzeit“ weniger von der Größe abhängt, als von der Stückzahl. Wenn man nahezu baugleiche Kraftwerke in Serie baut – wie einst in USA und Frankreich und heute in China – kann man auch Großkraftwerke in wenigen Jahren erstellen. Es kommt viel mehr auf die Organisation und das Vorhandensein von erfahrenen Fachkräften an. Negativbeispiele sind hierfür die Projekte von Areva in Finnland und Frankreich und die Baustellen des AP-1000 in den USA. Immer, wenn man mit unerfahrenem Personal „neue“ Typen baut, geht alles schief, was nur schief gehen kann – und darüber hinaus. Es ist deshalb nicht verwunderlich, daß beide Modelle in China – obwohl wesentlich später begonnen – als erste fertig werden.

Genau diesen Umstand versucht man durch eine industrielle Serienproduktion bei den SMR zu umschiffen. Allerdings liegt darin auch die größte Schwierigkeit. Für ein so komplexes Gebilde wie ein Kernkraftwerk, gibt es nur Parallelen im Flugzeugbau. Hier wie dort, kostet es Milliarden, bis ein neues Modell bis zur Serienreife entwickelt ist. Der Weltmarkt für Verkehrsflugzeuge reduziert sich daher nahezu auf zwei Konzerne.

Momentan sind hierzu nur die USA in der Lage. Nur sie verfügen über das notwendige Kapital und die fachliche Infrastruktur. Wohl gemerkt, es geht nicht darum mal einen kleinen Reaktor zu bauen, sondern eine ganz neue Industrie zu erschaffen.

Die nationale Sicherheit

Letztendlich ist der Erfolg von SMR eine rein politische Frage. Will man oder will man nicht. Bemerkenswert in diesem Zusammenhang sind die Diskussionen in Großbritannien. Dort will man immer stärker, nachdem man bereits schmerzlich erfahren hat, was Deindustrialisierung für Folgen hat. Man ist sich aber darüber im Klaren, daß es ohne einen (finanziell) starken Partner nicht geht. Eine europäische Lösung erscheint immer unwahrscheinlicher – nicht nur wegen des Brexit. Die Chinesen klopfen bereits an der Tür. Wahrscheinlich bleibt nur die atlantische Verbindung übrig.

In den USA spielt die SMR-Lobby nun verstärkt die Karte der „Nationalen Sicherheit“ aus. Dafür gibt es zwei gewichtige Argumente. Eins ist die bereits im Verborgenen existierende Industrie für Schiffsreaktoren. Sie baut bereits in Kleinserien erfolgreich „SMR“. Seit der Diskussion über die Kostenexplosion bei der neusten Trägergeneration ist man einer Öffnung in Richtung ziviler Technik nicht mehr so abgeneigt. Die andere Argumentationsschiene betrifft die Weiterverbreitung von Kernwaffen. Durch ihre technologische Führung konnte die USA die Trennung von ziviler und militärischer Technik bei der Lieferung von Kernkraftwerken erfolgreich steuern. Heute gibt es aber mit Rußland (in Iran) und China (in Pakistan) zwei Spieler, die wesentlich lockerer mit diesem Problem umgehen. Wollen die USA weiterhin Einfluß ausüben, müssen sie schnellstens etwas neues bringen. Besonders für Staaten, die noch gar keine friedliche Nutzung der Kernenergie haben.

Die Förderung

Kein (privates) Energieversorgungsunternehmen kauft heute noch ein völlig neues Modell. Das wirtschaftliche Risiko ist einfach zu groß. Dies gilt um so mehr in einer Welt, in der aus ideologischen Gründen bestimmte Energieformen besonders bevorzugt und subventioniert werden. Planwirtschaft wuchert wie Krebs in einer Volkswirtschaft und verdrängt systematisch technische und wirtschaftliche Kriterien. Am Ende steht der erlebte Zusammenbruch solcher Systeme.

In der realen Welt hofft man deshalb die politischen Fehlentscheidungen durch Forschungsförderung, Risikoübernahme, Subventionen etc. wieder zu heilen. Die SMR-Entwicklung ist dafür ein Paradebeispiel. Erst hat man ein bürokratisches und unkalkulierbares Genehmigungsverfahren erschaffen, welches man nun durch den Einsatz weiterer Steuergelder zu heilen versucht. In den USA hat man ein spezielles Förderprogramm für die Genehmigung von SMR als Leichtwasserreaktoren aufgelegt. Alle anderen Typen werden noch auf der Ebene von Forschungsreaktoren behandelt – Realisierung, wenn überhaupt, erst in Jahrzehnten zu erwarten.

Wenn man dann ein genehmigtes Modell hat, ist es trotzdem immer noch ein „Papierreaktor. Man muß dann noch jemanden finden, der auch einen gebaut haben will. Das ist der wesentliche Unterschied zwischen Kerntechnik und z. B. Flugzeugbau. Selbst wenn man einen Prototyp hat, kann man noch keine Bestellungen einsammeln, da auch für die Kunden nahezu unkalkulierbare politische Hürden existieren. Um es kurz zu machen, wenn Politik und Gesellschaft nicht radikal neu über das notwendige Eingehen von Risiken (Kern-, Gentechnik, Digitalisierung usw.) nachdenken, wird man generell keine Neuentwicklungen in den sog. Demokratien durchführen können – mit der Konsequenz, daß sich diese Gesellschaftsform durch Stagnation selbst abschafft. Vielleicht ist aber genau das, das wahre Ziel der „Großen Transformation“.

Im Moment sieht es so aus, daß man sich dessen zumindest in den USA und GB bewußt ist und deshalb die Frage der Energieversorgung auf die Ebene der „nationalen Sicherheit“ hievt, was nichts anderes heißt, daß der Staat für seine selbst geschaffenen Regularien auch die finanzielle Verantwortung übernehmen muß. Zahlen muß sowieso immer die Gesellschaft. Die Ebene der Steuermittel mit vorausgehenden Haushaltsberatungen und politischen Abwägungen der Einsatzzwecke ist jedoch wesentlich demokratischer, als das deutsche Modell der Zwangsgebühren, die nichts weiter als Schattenhaushalte sind.

So ist man in den USA auf gehandelt 20 Milliarden Dollar an bereitzustellenden Haushaltsmitteln für die „neue Kerntechnik“ angekommen. Wer Sicherheit will, muß dafür Geld bereitstellen. Anders als bei Rüstungsausgaben kann man allerdings von höheren Rückflüssen ausgehen.

Die internationale Situation

Jedenfalls ist die Kerntechnik weltweit alles andere als tot. Interessant ist die Liste der unterschiedlichen SMR-Projekte im Jahr 2017 in alphabetischer Reihenfolge der Länder: Argentinien (1), China (4), Dänemark (1), Frankreich (1), Indien (1), Japan (5), Kanada (2), Korea (1), Rußland (15), Südafrika (2), UK (1), USA (11).

Bereits im Bau befinden sich der CAREM-2S in Argentinien, der KLT-40S in Rußland und der HTR-PM in China.

Weit fortgeschritten im Genehmigungsverfahren bzw. der Konstruktion und damit kurzfristig baubar wären: SMART in Korea, RITM-200, BREST300-OD, SVBR und ABV-6M in Rußland, PRISM, NuScale, und mPower in den USA, PBMR-400 in Südafrika, 4S und GTHTR300 in Japan, ACP100 in China.

Bei den bereits im Bau befindlichen Reaktoren handelt es sich um erprobte Konzepte: Leichtwasserreaktoren und Kugelhaufenreaktor. Bei den kurzfristig realisierbaren Reaktoren kommen noch Reaktoren mit Natrium und Blei als Kühlmittel hinzu. Beides ebenfalls erprobte Konzepte mit teilweise Jahrzehnten Betriebserfahrungen zumindest als Prototypen.

Als einziger Reaktor mit kurzfristigem Potential für die Großserie scheint sich der Entwurf von NuScale Power heraus zu kristallisieren. Hoch modular, da nur eine Leistung von 50 MWel pro Reaktor. Voll integrierte Bauweise mit Dampferzeugern, Druckhaltung usw. in einem Behälter, daher komplett zu transportieren nach vollständigem Test in der Fabrik. Neuartiges Sicherheitskonzept als „Thermosflasche im Wasserbad“, bei dem der Austritt von Radioaktivität auch nach schwersten Störfällen ausgeschlossen ist. Wann und von wem wird die Fabrik dafür gebaut?