Evolution der Brennstäbe

Auch die kontinuierliche Weiterentwicklung einzelner Bauteile kann die Sicherheit von Reaktoren erhöhen. Dies gilt besonders nach den Erfahrungen aus dem Unglück in Fukushima.

Brennstäbe heute

Brennstäbe für Leichtwasserreaktoren haben eine Durchmesser von nur 11 mm bei einer Länge von fast 5 m. Sie sind deshalb so instabil, daß sie zu sog. Brennelementen fest zusammengebaut werden. Dort werden sie durch Abstandshalter und Befestigungsplatten in ihrer Position gehalten. Zusätzlich enthalten die noch Einbauten für Regelstäbe, Messeinrichtungen usw. Wichtig in diesem Zusammenhang ist, daß solche Brennelemente mit sehr engen Toleranzen gefertigt werden müssen, da z. B. die sich ergebenden Abstände sehr entscheidend für die Strömungsverhältnisse (Kühlung) und die Abbremsung der Neutronen sind.

Die Brennstäbe bestehen aus Hüllrohren aus Zirkalloy mit Wandstärken von weniger als einem Millimeter und sind mit Tabletten aus Urandioxid gefüllt. Auf die Konsequenzen aus dieser Materialwahl wird später noch eingegangen werden. Die Tabletten sind gesintert („gebrannt“ wie eine Keramik) und anschließend sehr präzise im Durchmesser geschliffen; an den Stirnflächen konkav gearbeitet, um Ausdehnungen im Betrieb zu kompensieren usw. All dieser Aufwand ist nötig, um die Temperaturverteilung im Griff zu behalten.

Das Temperaturproblem

Brennstäbe dürfen nicht schmelzen, denn dann ändert sich ihre mechanische Festigkeit und ihre Abmessungen (Kühlung und Neutronenspektrum). Keramiken sind zwar chemisch sehr beständig, besitzen aber gegenüber Metallen nur eine sehr schlechte Wärmeleitung. Jeder kennt den Unterschied, der schon mal heißen Kaffee aus einem Metallbecher getrunken hat. Außerdem sind Keramiken sehr spröde.

Die gesamte Wärme kann nur über den Umfang an das Kühlwasser abgegeben werden. Sie entsteht aber ziemlich gleich verteilt innerhalb des Brennstabes, da er für Neutronen ziemlich durchsichtig ist. Dies hat zur Folge, daß es einen sehr starken Temperaturunterschied zwischen Zentrum und Oberfläche gibt. Zusätzlich verschlechtert sich auch noch die Wärmeleitfähigkeit mit zunehmender Temperatur. All das führt dazu, daß der Brennstab in seinem Innern bereits aufschmelzen kann, obwohl er an seiner Oberfläche noch relativ kalt ist. Die Temperaturdifferenz zwischen Oberfläche und Kühlwasser ist aber in dieser Phase die bestimmende Größe für die Wärmeabfuhr.

Steigt die Oberflächentemperatur über die Verdampfungstemperatur des Kühlwassers, fängt das Wasser (an der Oberfläche) an zu verdampfen. Die Dampfblasen kondensieren nach deren Ablösung im umgebenden „kalten“ Wasser. Durch dieses sogenannte „unterkühlte Blasensieden“ kann man sehr große Wärmemengen abführen. Tückisch ist nur, wenn die Wärmeproduktion durch Kernspaltung einen Grenzwert übersteigt, bildet sich eine geschlossenen Dampfschicht auf der Oberfläche die auch noch stark isolierend wirkt. Als Folge steigt die Temperatur in der dünnen Brennstabhülle explosionsartig an. Dampf in Verbindung mit hoher Temperatur führt aber zur Oxidation des Zirkalloy. Die Hülle verliert schnell ihre Festigkeit.

Harrisburg und auch Fukushima

Bricht die Kühlung zusammen, überhitzen die Brennstäbe. Wie Fukushima gezeigt hat, kann das auch noch (kurz) nach dem Abschalten des Reaktors geschehen, da dann die Nachzerfallswärme noch sehr groß ist. Durch die hohen Temperaturen in den Brennstabhüllen in Verbindung mit Wasserdampf oxidieren die Hüllen und setzen dabei große Mengen Wasserstoff frei. Dieser Wasserstoff hat zu den fürchterlichen Explosionen in den Reaktorgebäuden geführt. In Harrisburg waren die Wasserstoffmengen zwar beherrschbar, aber auch damals schon zerfielen Teile des Reaktorkerns. Die Wiederbenetzung konnte zwar schlimmeres verhindern – aber man schrecke mal eine glühende Tasse mit Wasser ab.

Für alle Leichtwasserreaktoren bedeutet das, die zulässigen Temperaturen müssen bei allen Betriebsbedingungen in allen Teilen des Reaktorkerns sicher eingehalten werden. Mit anderen Worten, die Kühlung darf nie versagen. In diesem Sinne ist der Sicherheitsgewinn einer passiven (auf die natürlichen Kräfte, wie z. B. Schwerkraft beruhende) Kühlung zu verstehen.

Oberflächenschutz der Brennstäbe

Insbesondere nach den Ereignissen in Fukushima hat man unterschiedlichste Maßnahmen ergriffen, um die Sicherheit bestehender Kraftwerke weiter zu erhöhen. Außerhalb Deutschlands nach den üblichen Vorgehensweisen wie sie bei Flugzeugabstürzen, Schiffsunglücken etc. üblich sind: Akribische Untersuchung der Schadensabläufe mit dem Zweck Schwachstellen zu ermitteln und Lösungen dafür zu finden. Ein Weg war die Verbesserung der Brennstabhüllen. Zu diesem Zweck hat man z. B. in den USA das Entwicklungsprogramm „Enhanced Accident-tolerant Fuel programme.“ gestartet.

Aus einer internationalen Zusammenarbeit haben sich zwei neue Konzepte – IronClad und ARMOR. – entwickelt, deren Prototypen im Kernkraftwerk Hatch in Georgia, USA seit März 2018 im Normalbetrieb getestet werden. Der Test unter realen Bedingungen in einem laufenden Kernkraftwerk ist ein üblicher Entwicklungsschritt. Nur so kann man Fehlentwicklungen vermeiden.

IronClad sind Hüllrohre, die aus einer Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung bestehen. Man glaubt damit einen wesentlich robusteren Werkstoff gefunden zu haben, der nicht so temperaturempfindlich ist, nicht so leicht oxidiert und kein Wasserstoffgas produziert.

ARMOR ist ein eher evolutionärer Ansatz. Man panzert konventionelle Hüllrohre mit einer Schutzschicht auf der Basis von Chrom. Es sind Produkte dreier Hersteller in der Erprobung: Global Nuclear Fuel-Japan Co (GE-Hitachi), Framatom mit zusätzlich mit Chrom geimpften Brennstofftabletten und EnCore Fuel.(Westinghouse) mit Tabletten auf der Basis von Uran-Siliciden.

Ein ganz neues Konzept

Das Unternehmen Lightbridge hat das Bauelement Brennstab noch einmal ganz neu gedacht und bereits prototypenreif entwickelt. Inzwischen ist man eine Kooperation für die Weiterentwicklung und Serienproduktion mit Framatom eingegangen. Entscheidend war die Anforderung des Ersatzes von Brennstäben in konventionellen Leichtwasserreaktoren im Betrieb. Deshalb ist nicht nur ein Ersatz, sondern auch ein gemischter Betrieb mit konventionellen Brennelementen angestrebt worden.

Der Übergang von keramischem Uranoxid auf eine metallische Legierung aus Uran und Zirkon ist für Leichtwasserreaktoren revolutionär. Bisher wurde so etwas nur in schnellen Reaktoren mit Natrium – und nicht Wasser – als Kühlmittel gemacht. Ebenso neu ist die Form: Sie sind nicht mehr zylindrisch, sondern kreuzförmig. Diese Kreuze sind spiralförmig verdreht, sodaß sich vier gewindeähnliche Kanäle für das Kühlwasser bilden.. Außen sind sie mit einer dünnen und fest verbundenen Schicht aus Zirkon versehen um eine übliche Wasserchemie zu gewährleisten. Diese „Gewindestäbe“ liegen in dem Brennelement dicht beieinander, sodaß keine Abstandshalter mehr erforderlich sind.

Metall verfügt über eine bessere Wärmeleitung als Keramik und die Kreuzform ergibt eine größere Oberfläche und dünnere Querschnitte. Beides führt zu geringeren Betriebs- und Spitzentemperaturen (starke und schnelle Lastschwankungen). Der Strömungswiderstand solcher Brennelemente ist kleiner, wodurch sich der Durchfluß durch den Kern bei gleicher Pumpenleistung erhöht. Man geht deshalb von einer möglichen Leistungssteigerung von 10% aus. Ein nicht zu unterschätzender wirtschaftlicher Anreiz, wenn man in einer bestehenden Flotte für „kleines Geld“ ganze Kraftwerke zusätzlich erhält.

Die neuen Lightbridge-Brennelemente vertragen alle Leistungstransienten besser, sind aber vom Prinzip her gegen längerfristige Kühlmittelverluste anfälliger, da Metalle einen geringeren Schmelzpunkt als Keramiken besitzen. Dies war der Hauptgrund für die ursprüngliche Wahl von Uranoxid als Werkstoff.

Bei einer Simulation eines Abrisses einer Hauptkühlmittelleitung bei einem VVER-1000 Druckwasserreaktor ergab sich eine maximale Kerntemperatur von 500 °C. Dieser Wert liegt weit unterhalb von der Temperatur, bei der überhaupt Wasserstoff (900 °C) gebildet wird. Durch die hohe Wärmeleitung stellt sich bereits wieder nach 60 Sekunden nach erfolgter Wiederbenetzung erneut die normale Betriebstemperatur ein. Bei konventionellen Brennelementen steigt die Temperatur auf über 1000 °C und erreicht erst nach acht Minuten wieder den stabilen Zustand. Dies hat einen erheblichen Druckanstieg im Reaktor zur Folge, der ein ansprechen der Sicherheitsventile erforderlich macht. Bei diesem Abblasen gelangen auch geringe Mengen von radioaktivem Jod und Cäsium (zumindest) in das Containment. Der Abriß einer Hauptkühlmittelleitung ist der Auslegungsstörfall, der sicher beherrscht werden muß.. In diesem Sinne führen die Lightbridge-Brennelemente zu einem Sicherheitsgewinn.

Es sind aber noch etliche praktische Erfahrungen zu sammeln. Ein Reaktor ist ein komplexes physikalisches und chemisches System. Dies betrifft z. B. das Rückhaltevermögen für Spaltprodukte unter allen möglichen Betriebs- und Störfallbedingungen. In der Kerntechnik dauert wegen der besonderen Sicherheitsansprüche halt alles länger. Die Maßeinheit für die Einführung von Neuerungen ist eher Jahrzehnte als Jahre.

Ein weiterer vielversprechender Entwicklungsaspekt ist der Zusatz von Thorium als „abbrennbarer Brutstoff“ zur Ausdehnung der erforderlichen Ladezyklen auf vier Jahre. Um solch lange Ladezyklen zu erreichen, muß man den Brennstoff höher anreichern. Um diese Überschußreaktivität zu kompensieren muß man abbrennbare Neutronengifte zumischen. Würde man Thorium verwenden, kann man diese Überschußneutronen zum Erbrüten von Uran-233 verwenden.. Längere Ladezyklen würden die Wirtschaftlichkeit bestehender Reaktoren weiter erhöhen.

Durch die Verwendung von metallischem Brennstoff ergeben sich auch völlig neue Perspektiven der Wiederaufbereitung. Durch den Übergang auf elektrochemische Verfahren – wie man sie bereits beim EBRII – erfolgreich ausprobiert hat, kann man zu kleinen Wiederaufbereitungsanlagen in der Nähe der Kernkraftwerke übergehen. Ein weiterer Lösungsweg für die angebliche Atommüllproblematik. Gerade im Zusammenhang mit der Wiederaufbereitung und Proliferation ist auch der Zusatz von Thorium besonders interessant.

Schlussbemerkung

Man sieht, daß die Leichtwasserreaktoren noch lange nicht am Ende ihrer Entwicklung angekommen sind. Insbesondere der Einsatz von metallischen Brennstäben ergibt nicht nur einen evolutionären Weg für bestehende Reaktoren, sondern auch für Neukonstruktionen. Im Zusammenhang mit passiver Kühlung kann ein erheblicher Sicherheitsgewinn erzielt werden. Irgendwann wird die Frage der Anpassung der Genehmigungsbedingungen gestellt werden müssen. Dann aber, beginnt das Kernenergiezeitalter erst richtig. Billige Energie im Überfluß. Egal, was in Deutschland darüber gemeint wird.

Ölsand, die nächste Ölquelle in den USA?

In diesem Jahr hat die Ölförderung in den USA erstmalig seit 1970 wieder 10 Millionen Faß pro Tag erreicht.

Peak Oil

Kann sich noch jemand erinnern, wie vor einigen Jahren die Anhänger der Mangelwirtschaft das baldige Ende des Ölzeitalters vorausgesagt haben? Man glaubte endlich ein Marktversagen gefunden zu haben, was die Wiedereinführung der Planwirtschaft ermöglichte. Ein seit nunmehr 200 Jahren anhaltender Irrtum. Wieder einmal hat ein Mangel – ausgedrückt in steigenden Preisen – den menschlichen Erfindergeist frei gesetzt. In diesem Fall war es die Entwicklung des „fracking“, die erst gigantische Mengen Erdgas und anschließend Erdöl zugänglich machte.

Ganz nebenbei kann man an dieser Entwicklung auch die unterschiedliche Gesellschaftsauffassung sehen: In den USA ist Erfinden und Tüfteln immer noch eine angesehene Tätigkeit. Solange man nicht gegen Gesetze verstößt, kann man seiner Phantasie freien Lauf lassen. Man findet auch relativ leicht Geldgeber, weil „Profit machen“ nichts anrüchiges ist, sondern im Gegenteil ein verbrieftes Recht für den, der wirtschaftliche Risiken eingeht. Niemand erwartet dabei eine Erfolgsgarantie, weil Chance und Risiko des Misserfolges immer die zwei Seiten derselben Medaille sind.

Ganz anders in Deutschland: Kaum war der Ruf „fracking“ als neu erschlossene Energiequelle erschallt, haben sich sofort die einschlägigen Kostgänger dieser Gesellschaft aus Politik und Medien zusammengerottet. In altbekannter Manier wurden jegliche Chancen sofort vehement geleugnet und dafür apokalyptische Gefahren beschworen. Die willfährigen Volksbeglücker aller etablierten Parteien haben sofort jede Entwicklung per Gesetz im Keim zu ersticken verstanden. Die gleichen Pharisäer, die – wenn es um ihre eigene Klientel geht – schamlos Wälder roden lassen und jeglichen Artenschutz leugnen, damit ihre Reichskrafttürme wie Pilze aus dem Boden schießen können.

Wurde Präsident Trump hier politisch korrekt belächelt wenn er davon sprach, er wolle die Industriearbeitsplätze zurückholen, dämmert es mittlerweile auch jedem GEZ-Nachrichtenvorleser wo die Reise hingeht: Erst billige Energie im Überfluß, anschließend drastische Steuersenkungen und nun auch noch die Forderung nach „fairem Handel – von jedem wirtschaftsunkundigen gern als Protektionismus verunglimpft. Bald können deutsche Politiker sicherlich wieder die Schließung eines Stahlwerks oder die Verlagerung von Dieselmotoren etc. bejubeln – ist doch toll für den „Klimaschutz“.

Die Ölsände der USA

Wer so naiv war zu glauben, die USA hätten bald ihr Pulver verschossen, steht nun vor der nächsten Phase: Nach unkonventionellem Gas und Öl kommen jetzt die Ölsände hinzu. Die USA verfügen über mindestens 30 Milliarden Faß Öläquivalent. Davon befinden sich rund 50% im Uinta-Basin im nordöstlichen Utah. Leicht abbaubar, weil oberflächennah und dazu noch sehr schwefelarm. Im Dreieck von Utah, Colorado und Wyoming liegen wohl 1200 Milliarden Faß Rohöläquivalent.

Was sind Ölsände?

Ölsände – auch Teersände genannt – sind natürliche Umweltkatastrophen in grauer Vorzeit. Irgendwann sind Öllagerstätten bis an die Oberfläche durchgebrochen. Die leicht flüchtigen Bestandteile des Erdöls sind verdunstet und es ist Bitumen zurückgeblieben. Man unterscheidet zwei Typen: „water wet“ und „oil wet“. Der erste Typ ist von den kanadischen Ölsand Lagerstätten in Alberta bekannt. Bei ihm sind die Sandkörner von einer dünnen Wasserschicht umgeben auf der wiederum der Bitumen sitzt. Das Gewinnungsverfahren ist seit den 1920er Jahren bekannt: Der Sand wird in 80 °C heißem Wasser gewaschen, wodurch sich das Bitumen vom Sand ablöst. Durch einblasen von Luft bildet sich ein ölhaltiger Schaum, der aufschwimmt. Dieser Schaum ist das Rohprodukt. Es besteht zu etwa 60% aus Öl, 30% Wasser und 10% Feststoffen. Nach dessen Aufbereitung geht das Abwasser mit allen Chemikalien und Feststoffen in riesige Absetzbecken. Eine ziemliche Umweltbelastung. Anschließend muß das Bitumen noch zu synthetischem Rohöl verarbeitet werden, bis es auf dem Ölmarkt zu verkaufen ist. Eine ziemlich energieaufwendige Angelegenheit. Das ganze erfordert gigantische Anlagen mit einem immensen Kapitalaufwand.

Die Ölsände in Utah sind vom Typ „oil wet“, der sich nicht mit dem vor beschriebenen Verfahren verarbeiten läßt. Die Sandkörner sind direkt vom Öl umkleidet. Deshalb ist das Bitumen nicht mit Wasser abwaschbar. Es mußte ein geeignetes Lösungsmittel gefunden werden. Auch hier haben wieder mittelständische Unternehmen – nicht die großen Ölkonzerne – jahrzehntelang getüftelt und entwickelt. Es wurden (patentierte) Lösungen auf der Basis von Diesel, Propan und Gas-Kondensaten gefunden. Der Trick dabei ist, daß es sich um azeotrope (gleiche Zusammensetzung in der flüssigen und dampfförmigen Phase) Gemische handelt, die sich bei geringer Temperatur von 70 bis 75 °C durch einfache Destillation wieder von dem aufgelösten Bitumen trennen lassen. So erhält man einerseits ein reines Produkt und kann 99,9% des Lösungsmittels im Kreislauf laufen lassen (keine Abwasser-Seen!). Der Ölsand wird bei etwa 60 °C mit dem Lösungsmittel gewaschen. Der Sand ist anschließend so „sauber“, daß er problemlos auf Halde gelagert oder sogar als Baustoff verkauft werden kann. Ein energiesparendes und umweltfreundliche Verfahren.

Die Produktionskosten werden mit lediglich 22 $/barrel angegeben. Man muß etwa 1 to Ölsand zur Gewinnung eines barrel Öl verarbeiten. Das ist bei den geologischen Verhältnissen in Utah kein Problem. Das Lösungsmittel ist zwar recht teuer (ca. 35 $ pro barrel), hängt aber ganz unmittelbar von den jeweils aktuellen Ölpreisen ab: Billiges Rohöl, billiger Einstandspreis für das Lösungsmittel und umgekehrt. Das macht die Produktionskosten (anders als beim „fracking“) sehr stabil gegenüber Ölpreisschwankungen. Die Ölsände lagern in einem alten Ölfördergebiet, d. h. die Infrastruktur für Transport und Verarbeitung ist bereits vorhanden. Das Öl ist mit 14 API-Graden zwar sehr zäh (schwimmt kaum noch auf dem Wasser), aber „süß“ (geringer Schwefelgehalt und damit mit geringem Energieaufwand zu verarbeiten). Gut in lokalen und Schweröl-Raffinerien an der Golfküste zu verarbeiten, was weitere Ölmengen (z. B. Leichtöle aus Texas) für den Export freistellt.

Der entscheidende Antrieb für eine schnelle Umsetzung dürften aber die geringen Kapitalkosten sein. Inzwischen ist man bei einer Anlagengröße von 5000 Faß pro Tag angekommen. Eine solche Anlage kostet angeblich nur 70 Millionen Dollar. Für die Ölindustrie ein Trinkgeld.

Die politischen Konsequenzen

Seit Trump die Hindernisse für eine gesteigerte Produktion an fossilen Energien systematisch aus dem Weg räumt, explodiert die Öl- und Gasförderung. Für sich genommen, schon ein enormer Wohlstandsgewinn in der Form von (gut bezahlten) Arbeitsplätzen und steigenden Staatseinnahmen (trotz oder gerade wegen der Steuersenkung).

Hinter den neuen Produktionsverfahren verbergen sich eine Menge neuer Technologien. Unkonventionelle Öl- und Gasvorkommen gibt es aber überall auf der Welt. Die Schätze warten nur darauf, gehoben zu werden. Die amerikanische Zulieferindustrie wird weiterhin wachsen und international marktbeherrschend bleiben.

Preiswerte Energie ist der Lebenssaft einer jeden Volkswirtschaft. In den USA treffen billige Rohstoffe auf eine hochentwickelte Industrie.. Eine einzigartige Kombination in der Weltwirtschaft. Ein Narr, wer glaubte, Trump wolle die Niedriglohngruppen aus China und Mexiko zurückholen. Die Stahlwerke und Aluminiumhütten die sich Trump vorstellt, sind nicht die Museumsbetriebe aus den Hinterhöfen Chinas, Indiens oder Russlands. Die internationalen Investoren sind ausdrücklich aufgerufen in den USA modernste Anlagen zu bauen. In der (hier ebenfalls ungeliebten) Chemieindustrie ist die Verlagerung bereits im Gange. Da bedurfte es noch nicht einmal Zölle und Steuersenkungen als Impuls.

Öl- und Gasexporte sind nicht nur volkswirtschaftlich sinnvoll: Ein Produkt mit weltweiter Nachfrage, welches gewaltige Summen in die eigenen Kassen spülen kann. Darüberhinaus besitzt es auch eine außerordentliche geostrategische Qualität.. Man kann „wohlgesonnene Nationen“ mit ausreichend und billiger Energie versorgen. Gleichzeitig kann man „unfreundlichen Nationen“ die Deviseneinnahmen beschneiden und damit deren Aufrüstung zurechtstutzen. Besonders die „Alt-68er“ in Deutschland werden umdenken müssen: Wenn die USA angeblich nur wegen Öl Krieg geführt haben, droht ziemlich schnell ein böses Erwachen. Trump hat schon in seinem Wahlkampf immer gesagt (auch da hat offensichtlich niemand zugehört!), die USA haben nur zwei Interessen im Mittleren Osten: Terrorbekämpfung und Beistand von Israel. Alles andere sei Aufgabe der Europäer. Ob da wohl noch die Verteidigungsausgaben ausreichen werden? Deutschland schlittert schon heute sehenden Auges immer tiefer in den Sumpf des Irak und Nordafrikas hinein.