SMR-2021 Einleitung

Die Kerntechnik bekommt gerade einen unerwarteten Aufschwung: Immer mehr junge Menschen drängen in die einschlägigen Studiengänge, es entstehen unzählige neu gegründete Unternehmen und es steht plötzlich auch viel privates Kapital zur Verfügung. Darüberhinaus zeigt dieser Winter in Texas auch dem gutgläubigsten Menschen, daß eine Stromversorgung (nur) aus Wind, Sonne und Erdgas ein totes Pferd ist.

  • Texas ist nahezu doppelt so groß wie Deutschland, hat aber nur etwa ein Drittel der Einwohner, die sich überwiegend in einigen Großstädten ballen. Windparks waren deshalb höchstens ein Thema für Vogelfreunde und Landschaftsschützer. Texas ist darüberhinaus auch noch sehr windreich durch seine Lage „zwischen Golf und mittlerem Westen“.
  • Texas liegt etwa auf der „Breite der Sahara“ (Corpus Christi 27°N, Amarillo 35°N; Kanarische Inseln 28°N, Bagdad 33°N). Mal sehen, wann in Deutschland wieder von der Photovoltaik in der Sahara gefaselt wird.
  • In Texas kommt das Erdgas aus der Erde. Trotz der inzwischen gigantischen Verflüssigungsanlagen für den Export, muß immer noch Erdgas abgefackelt werden. Das alles ändert aber nichts an der Tatsache, daß im Ernstfall nur das Gas am Anschluss des Kraftwerks zählt. Kommt noch parallel zum Strombedarf der Bedarf für die Gebäudeheizungen hinzu, ist schnell die Grenze erreicht. Wohl gemerkt, das Gas kommt in Texas aus der Erde und nicht aus dem fernen Russland.

Das Kapital ist bekanntlich ein scheues Reh. Nach den Milliarden-Pleiten in Texas wird man sich schnell umorientieren. Darüberhinaus fängt die Bevölkerung an zu fragen, warum man eigentlich zig Milliarden Steuergelder mit Wind und Sonne versenkt hat.

Was sind SMR?

SMR (Small Modular Reactor) sind kleine Kernkraftwerke mit einer elektrischen Leistung von bis zu 300 MWel. Eine ziemlich willkürliche Grenze, die auf kleine Reaktoren abzielt, die gerade noch mit der Eisenbahn (in den USA) transportierbar sein sollen. Eine weitere Untergruppe sind Mikroreaktoren mit einer elektrischen Leistung von bis zu etwa 10 MWel. Bei den bisherigen Kernkraftwerken hat man immer größere Leistungen (z. B. EPR mit 1650 MWel) angestrebt, um die in der Verfahrenstechnik üblichen Skaleneffekte zu erzielen. Problem dabei ist, daß man einen erheblichen Montageaufwand auf der Baustelle hat, da alle Bauteile sehr groß werden. Bei den SMR geht man umgekehrt den Weg, das Kraftwerk weitesgehend in Fabriken in Serie zu fertigen und zu testen. Es steht also Kosteneinsparung durch Skaleneffekte gegen Serienfertigung (wie z. B. im Flugzeugbau). Welcher Weg letztlich kostensparender ist, kann vorab gar nicht gesagt werden. Vielmehr kann durch SMR ein völlig neuer Markt der „kleinen Netze“ erschlossen werden. Das betrifft beileibe nicht nur Schwellenländer, sondern vielmehr lernen wir in Deutschland gerade, welche enormen Netzkosten entstehen, wenn man zentrale Windparks baut. Ferner ist die Finanzierung wegen des kleineren (absoluten) Kapitalbedarfes weniger risikoreich und damit leichter handhabbar. Ein „Kraftwerk von der Stange“ erfordert eine wesentlich kürzere Zeitspanne – also Vorfinanzierung – von der Bestellung bis zur Inbetriebnahme. Hinzu kommt, daß die kleineren Bauteile auch nur kleinere Fertigungsanlagen erfordern. Beispielsweise baut Indien zur Zeit 15 Schwerwasserreaktoren, da dafür alle Komponenten im eigenen Land hergestellt werden können. Der ursprünglich angedachte Bau von konventionellen Druckwasserreaktoren wurde aufgegeben, da dafür wesentliche Komponenten (z.B. Reaktordruckbehälter) im Ausland gegen Devisen gekauft werden müßten. Aus gleichem Grund treffen SMR auch in Europa (z. B. Tschechien, Großbritannien) auf großes Interesse.

Die Sicherheitsfrage

Bei kleineren Kraftwerken kann man näher an die Städte heranrücken und damit Kraft-Wärme-Kopplung in vorhandenen Fernwärmenetzen abgasfrei betreiben. Finnland z. B. plant mittelfristig die vorhandenen Kraftwerke in den Ballungszentren durch SMR zu ersetzen. Analog gelten die gleichen Überlegungen für Fernkälte und Meerwasserentsalzungsanlagen z. B. in der Golfregion. Will man jedoch in der Nähe von Großstädten bauen, müssen solche Kernkraftwerke zwingend „walk away“ sicher sein, damit sie überhaupt genehmigungsfähig sind. Dazu gehört insbesondere der Verzicht auf eine aktive Notkühlung. Reaktoren kleiner Leistung kommen dem physikalisch entgegen: Um die Leistung zu produzieren, ist eine entsprechende Anzahl von Kernspaltungen notwendig. Bei der Kernspaltung entstehen radioaktive Spaltprodukte, die auch nach der Abschaltung noch Zerfallswärme produzieren. Bei kleinen Reaktoren ist diese Nachzerfallswärme so gering, daß sie problemlos passiv abgeführt werden kann – oder anders ausgedrückt, die Temperatur im abgeschalteten Reaktor steigt nur so weit an, daß keine Grenzwerte erreicht werden. Dies war z. B. beim Unfall in Fukushima völlig anders. Dort hat die Nachzerfallswärme gereicht, um eine Kernschmelze auch noch nach der Abschaltung der Reaktoren auszulösen.

Damit Kernkraftwerke in oder in unmittelbarer Nähe zu Städten akzeptiert werden, muß faktisch gewährleistet sein, daß keine (nennenswerte) Radioaktivität das Betriebsgelände überschreitet. Damit an dieser Stelle kein Missverständnis entsteht: Es gibt keine absolute Sicherheit. Es wird auch zukünftig Unfälle in Kernkraftwerken geben, genauso wie immer wieder Flugzeuge abstürzen werden. Trotzdem fliegen Menschen. Der Mensch ist nämlich durchaus in der Lage, Risiken und Vorteile für sich abzuwägen – solange er nicht ideologisch verblödet wird. Selbst eine ideologische Verblödung kann aber nicht unendlich lange aufrecht erhalten werden: Gerade durch Tschernobyl und Fukushima sind die Märchen der „Atomkraftgegner“ von „Millionen-Toten“ etc. als Propaganda entlarvt worden. Auffällig still ist es in den letzten Jahren um die „Gefahren durch Atomkraft“ geworden. Übrig geblieben ist einzig die Lüge von dem „Millionen Jahre strahlenden Atommüll, für den es keine Lösung gibt“. Auch dieser Unsinn wird sich von selbst widerlegen.

Die Vielzahl der Entwürfe

Es gibt unzählige Entwürfe von Kernreaktoren. Jeder Professor, der etwas auf sich hält, erfindet einen neuen Reaktor zu Übungszwecken. Der Weg zu einem Kernkraftwerk ist aber lang. Irgendwann stirbt die überwiegende Anzahl wegen irgendwelcher unvorhergesehenen Detailprobleme. Hier werden nur Entwürfe betrachtet, für die ausreichend Unterlagen aus Genehmigungsverfahren, Veröffentlichungen etc. zur Verfügung stehen. Immerhin blieben noch über 90 Konzepte übrig, die sich auf dem Weg zu einem Prototypen befinden. Für jedes einzelne Konzept wurde bereits mindestens ein zweistelliger Millionenbetrag investiert und ein Unternehmen gegründet. Als erstes soll etwas Systematik in dieses Angebot gebracht werden. In späteren Folgen werden dann einzelne Entwürfe näher vorgestellt und diskutiert werden.

Neutronenspektrum

Je langsamer Neutronen sind, je höher ist die Wahrscheinlichkeit einer Spaltung eines U235 – Kerns. Demgegenüber können alle schnellen Neutronen auch Kerne von U238 bzw. anderer Aktinoiden spalten. Schnelle Reaktoren haben den Vorteil, daß sie mit „Atommüll“ (so verunglimpfen „Atomkraftgegner“ immer die abgebrannten Brennelemente aus Leichtwasserreaktoren) betrieben werden können. Eine verlockende Perspektive: Betrieb der Kernkraftwerke mit „Abfall“, bei gleichzeitiger Entschärfung der „Endlagerproblematik“ auf wenige Jahrzehnte bis Jahrhunderte. Nur hat alles seinen Preis, gerade kleine Reaktoren (im räumlichen Sinne, nicht nur im übertragenen, bezogen auf die Leistung) sind schwierig als schnelle Reaktoren zu bauen. Es ist deshalb nicht verwunderlich, daß 59 Entwürfe mit thermischem Spektrum und nur 20 als schnelle Reaktoren ausgeführt sind.

Die angestrebten geringen Abmessungen (Transport) sind faktisch auch bei thermischen Reaktoren nur über eine höhere Anreicherung realisierbar. Mit der bei heutigen Druckwasserreaktoren üblichen Anreicherung von weniger als 5% lassen sich kaum SMR bauen. Man hat deshalb den neuen Standard HALEU mit einer Anreicherung von knapp unter 20% eingeführt. Der Begriff „thermisch“ im Zusammenhang mit der Geschwindigkeit von Neutronen bezieht sich auf die Geschwindigkeitsverteilung der brownschen Molekularbewegung. Je höher deshalb die Betriebstemperatur eines Reaktors ist, um so höher auch die Geschwindigkeit der Neutronen und damit um so geringer die Wahrscheinlichkeit einer Spaltung eines Urankernes. Deshalb sind „Hochtemperaturreaktoren“ schon wegen der neutronenphysikalischen Auslegung anspruchsvoller.

Moderatoren

Wenn man Neutronen abbremsen will, benötigt man einen Moderator. Bei den Leichtwasserreaktoren ist das das Arbeitsmedium Wasser. Die einfachste Konstruktion ist der Siedewasserreaktor, bei dem der im Reaktor erzeugte Dampf unmittelbar die Turbine antreibt (5 Entwürfe). Demgegenüber wird beim Druckwasserreaktor erst in einem zusätzlichen Wärmeübertrager der Dampf erzeugt (24 Entwürfe). Eine gewisse Sonderstellung nehmen Schwerwasserreaktoren ein, in denen Deuterium die Funktion des Moderators übernimmt (2 Entwürfe). Bei Mikroreaktoren kommen noch andere Moderatoren zum Einsatz.

Kühlmittel

Bei thermischen Reaktoren kommen Wasser, Helium und Salzschmelzen zur Anwendung. Bei Wasser sind die erreichbaren Temperaturen durch die abhängigen Drücke begrenzt (31 Entwürfe). Für eine reine Stromerzeugung ist das jedoch kein Hinderungsgrund. Will man hohe Temperaturen erreichen, bleibt Helium (20 Entwürfe) oder eine Salzschmelze (13 Entwürfe). Bei beiden kommt man mit relativ geringem (Helium) oder gar Atmosphärendruck (Salze) aus. Will man schnelle Reaktoren bauen, bleibt nur Helium (2 Entwürfe), Blei (9 Entwürfe), Natrium (5 Entwürfe) oder Salzschmelzen (3 Entwürfe). Tauscht man Wasser gegen andere Kühlmittel, wird man zwar den hohen Druck und den Phasenübergang los – was oft als Sicherheitsgewinn dargestellt wird – handelt sich aber damit eine Menge neuer Probleme ein: Einfrieren bei Raumtemperatur (Blei und Salzschmelzen), Korrosion (Blei und Salzschmelzen), Staub (Helium), Brandgefahr (Natrium), Zeitstandsfestigkeit usw. Es verwundert deshalb nicht, daß die Überzahl der Entwürfe bei Wasser als Moderator und Kühlmittel bleibt. Durch die überragenden thermodynamischen Eigenschaften des Wasser-Dampf-Kreisprozesses ist das für eine Stromproduktion auch kein Hinderungsgrund. Oft gehörte Argumente von möglichen höheren Wirkungsgraden sind bei den geringen Brennstoffkosten eher Scheinargumente. Anders sieht es mit der Entwicklung von schnellen Reaktoren aus. Blei und Natrium haben hier eine überragende Stellung. Allerdings sind die Preise für Natururan immer noch im Keller und die Zwischenlagerung abgebrannter Brennelemente ist ebenfalls konkurrenzlos billig. In einigen Jahren könnte jedoch ein geschlossener Brennstoffkreislauf aus politischen Gründen (Angst vor Atommüll) zum Renner werden. Momentan liegt Russland bei dieser technischen Entwicklung mit großem Abstand vorn. Die USA haben das erkannt und starten gerade eine beeindruckende Aufholjagd.

Brennstoff

Standard ist immer noch Uran. Bei schnellen Reaktoren kann man den „Abfall“ der konventionellen Reaktoren weiter nutzen. Thorium bleibt vorläufig auch weiter ein Exot. Das Uran kann in unterschiedlichen chemischen Verbindungen (metallisch, Uranoxid, Urannitrid, Legierungen usw.) im Reaktor verwendet werden und in unterschiedlichen geometrischen Formen (als Brennstäbe, als TRISO-Elemente, im Kühlmittel aufgelöst usw.) eingebaut werden. Der Brennstoff ist in seiner chemischen Zusammensetzung und seiner geometrischen Form bestimmend für die maximale Betriebstemperatur. Ferner ist er das erste Glied der Sicherheitskette: Er bindet während des Betriebs die Spaltprodukte und soll diese auch bei einem Störfall zurückhalten. SMR benötigen wegen der höheren Anreicherung mehr Natururan und sind wegen der höheren Trennarbeit teurer in der Herstellung als konventionelle Brennelemente.

Die Hersteller

Mit deutlichem Abstand sind die beiden führenden Länder in der Entwicklung von SMR Russland und die USA.

Alle Projekte befinden sich in einer unterschiedlichen Realisierungsphase von Konstruktion, Genehmigungsverfahren, über Bau bis Probebetrieb. Der chinesische SMR vom Typ ACPR50S (Druckwasserreaktor in klassischer Bauweise mit 50 MWel) ist fast fertiggestellt. Er soll bei Serienfertigung als schwimmender Reaktor auf einem Ponton verwendet werden. Der argentinische SMR Carem (integrierter Druckwasserreaktor mit 30 MWel) ist eine Eigenentwicklung und soll 2023 in Betrieb gehen.

Land LWR Gas Blei Natrium Salz Summe
Argentinien– – – – 1
China– – 7
Dänemark– – – – 
Finnland– – – 
Frankreich1– – – 
GB1– – – 
Indonesien– – – 
Japan– 
Kanada– – 
Luxemburg– – – – 
Russland11 – 17 
Schweden– – – – 
Südafrika– – – – 
Süd Korea– – – 
USA21 
Summe29 17 13 – 
Betrachtete SMR-Entwürfe nach Ländern und Typen geordnet.

Der chinesische HTR-PM (Hochtemperaturreaktor, Kugelhaufen mit Helium, 105 MWel) befindet sich im Testbetrieb. Sein Vorläufer HTR-10 von der Tsinghua University, China (Kugelhaufen mit 2,5 MWel) ist seit 2018 in Betrieb. Der japanische HTTR 1 (prismatischer Hochtemperaturreaktor, Helium, 30 MWth) ist seit 2007 mit Unterbrechungen für Umbauten in Betrieb. Der russische RITM-200M (modularer Druckwasserreaktor mit 50 MWel) ist seit 2020 auf Eisbrechern in Betrieb und soll bis 2027 in Ust-Kuyga in Sibirien als Kraftwerk in Betrieb gehen. Der russische KLT-40S (Druckwasserreaktor in klassischer Bauweise, 35 MWel) ist zweifach auf einem schwimmenden Ponton seit 2020 in Pevek in Chukotka als Heizkraftwerk in Betrieb.

Reaktortypen in Europa – Teil6, CANDU

Der CANDU (Canada Deuterium Uranium) Reaktor ist der einzige Schwerwasserreaktor, der sich weltweit durchgesetzt hat. Er ist in seiner neuesten Ausführung ein echter Gen III+ Reaktor mit passiver Sicherheit. Für manche mutet er vielleicht etwas exotisch an, besitzt aber sehr viel Potential für die Nutzung von Thorium und die Weiterverwendung ausgedienter Brennelemente von Leichtwasserreaktoren – gerne auch als „Atommüll“ verunglimpft.

Geschichte

SNC-Lavalin und China Nuclear Power Engineering Company wollen zusammen zwei weitere Reaktoren dieses Typs in Rumänien errichten. Bereits seit 1997 und 2007 laufen dort sehr erfolgreich zwei solche Reaktoren. Wie in zahlreichen anderen Ländern auch: Indien, Südkorea, Rumänien, Pakistan, Argentinien und China. Insgesamt wurden 47 CANDU-Reaktoren gebaut, davon bilden 22 Reaktoren das Rückgrat der kanadischen Stromversorgung. Keine schlechte Bilanz, wenn man bedenkt, wie viele Totgeburten es seit den 1940er Jahren gegeben hat.

In Kanada begann die Entwicklung von Schwerwasserreaktoren bereits während des zweiten Weltkrieges. Es war ein etwas ungeliebter Seitenarm des Manhattan-Projekts unter maßgeblichem Einfluß des französischen Wissenschaftlers Joliot, der wegen seiner politischen Ansichten in den USA als potentielles Sicherheitsrisiko eingestuft war. In den 1960er Jahren wurde die kommerzielle Entwicklung von der kanadischen Regierung forciert: Kanada verfügte über keine Anreicherung und keine Schwerindustrie, die in der Lage war, Reaktordruckgefäße zu schmieden. Beide Argumente besitzen heute noch für viele Entwicklungs- und Schwellenländer Gültigkeit. Man kann sich nahezu aus allen Ecken der Welt mit Natururan versorgen, während man bei der Anreicherung nach wie vor, maßgeblich auf die „Atommächte“ angewiesen ist. Wegen des einfachen Aufbaues ist ein Übergang auf nationale Fertigung in relativ kurzer Zeit und kleinen Stückzahlen möglich.

Allerdings besitzt der CANDU einen entscheidenden (politischen) Nachteil: Mit ihm läßt sich hervorragend waffengrädiges Plutonium und Tritium herstellen. Diesen Weg hat Indien mit seiner ersten Bombe „Smiling Buddha“ vorgemacht, dessen Plutonium aus dem Schwerwasser-Forschungsreaktor „CIRUS“ stammte.

Aufbau

Bei den CANDU-Reaktoren handelt es sich um Druckwasserreaktoren mit schwerem Wasser (D2 O.) als Moderator und Kühlmittel. Das schwere Wasser wird durch Pumpen zwischen dem Kern und den Dampferzeugern umgewälzt. In den Dampferzeugern wird der Dampf für die Turbine erzeugt. Man könnte also sagen, ab dem Reaktorgefäß handelt es sich um einen „ganz normalen Druckwasserreaktor“.

Er besitzt jedoch kein Druckgefäß, sondern zahlreiche Druckröhren. Bei einem EC6 sind es 380 horizontale Röhren, in denen sich jeweils 12 Brennelemente befinden. Die Brennelemente sind rund und nicht rechteckig (wie bei Leichtwasserreaktoren), sodaß sie die Druckröhren optimal ausfüllen. Sie sind auch wesentlich kleiner (etwa 50 cm lang und 10 cm im Durchmesser) und bestehen aus nur 37 Brennstäben. Durch die Abmessungen und ihr geringes Gewicht (rund 25 kg) sind sie optimal für eine vollautomatische Handhabung geeignet. Durch die hohe Anzahl (37 Stück x 12 Brennelemente x 380 Brennstoffkanäle) ergibt sich eine sehr flexible Anordnung und Materialausstattung, auf die später noch eingegangen wird. Durch die vollautomatischen Lademaschinen, die unter voller Last eingesetzt werden können, ergibt sich stets eine optimale Durchmischung und Anordnung. Es ist kaum Überschußreaktivität nötig, die bei Leichtwasserreaktoren am Anfang des Ladezyklus durchVergiftung (z. B. Borsäure, Gadolinium etc.) abgebaut werden muß.

Die Brennstoffkanäle sind schachbrettartig, horizontal in einem Wassertank – der sog. Calandria – angeordnet. Dieser Tank ist vollständig mit schwerem Wasser gefüllt und bildet den eigentlichen Moderator und Reflektor. Die Calandria befindet sich in einem weiteren Wassertank zur Abschirmung, der mit normalem Wasser gefüllt ist. Dieses System ist von einem Tresor aus Stahlbeton umgeben. Oberhalb befinden sich die vier Umwälzpumpen und die vier Dampferzeuger. Zusätzlich ist der gesamte Reaktor von einer Stahlbetonhülle (Containment) umgeben. Äußerlich ist deshalb ein EC6-CANDU kaum von einem üblichen Druckwasserreaktor zu unterscheiden.

Sicherheitskonzept

Jeder Brennstoffkanal ist von einem zweiten Rohr umgeben. Der sich ergebende Spalt dient zur Wärmeisolierung. Das schwere Wasser der Calandria ist kalt und wird auch ständig über eigene Wärmeübertrager kalt gehalten. Zusammen mit dem Wasser der Abschirmung ergibt sich ein großer Wärmespeicher für die Abfuhr der Nachzerfallswärme. Geht Kühlwasser durch Leckagen verloren, kann dieses aus einem großen Wassertank auf dem Dach des Sicherheitsbehälters ersetzt werden. Dafür sind keine Pumpen, sondern nur die Schwerkraft nötig.

Als einziger Reaktortyp verfügt der CANDU über zwei vollständig voneinander unabhängige Schnellabschaltungssysteme: Oberhalb der Calandria befinden sich von Elektromagneten gehaltene Regelstäbe. Bei einer Schnellabschaltung fallen sie durch die Schwerkraft getrieben in die Calandria ein. Seitlich befinden sich Druckbehälter mit Gadoliniumnitrat, die durch das Gaspolster aus Helium angetrieben, ihre Flüssigkeit zur Vergiftung in die Calandria einspritzen.

Warum überhaupt schweres Wasser?

Deuterium ist Wasserstoff, dessen Kern nicht nur aus einem Proton besteht, sondern zusätzlich noch ein Neutron enthält. Es verbindet sich mit Sauerstoff zu schwerem Wasser. Es kommt daher überall auf der Erde in unerschöpflicher Menge vor. Allerdings in nur sehr geringer Konzentration von 0,000018%. Die Anreicherung ist wegen des relativ großen Massenunterschieds zwar relativ einfach, erfordert gleichwohl viel Energie und Apparatur. Mit anderen Worten, es ist recht teuer. Die hohen Investitionskosten sind deshalb der Hauptnachteil beim CANDU. Enthält doch ein EC6 über 472 to davon, bei nur etwa 700 MWel. Leistung. Der laufende Verbrauch ist nur sehr gering. Ein weiterer Nachteil ist die erhöhte Produktion von Tritium. Da Deuterium bereits ein Neutron enthält, ist die Aufnahme eines weiteren sehr viel wahrscheinlicher, als bei normalem Wasser.

Ausschlaggebend sind die überragenden neutronenphysikalischen Eigenschaften. Die Wahrscheinlichkeit für eine Spaltung steigt umgekehrt proportional mit der Geschwindigkeit der Neutronen. Abgebremst werden die Neutronen durch Zusammenstöße mit dem Moderator. Je kleiner die Kerne sind, je mehr Energie geht bei einem einzelnen Stoß verloren – dies spricht für Wasserstoff als Moderator. Leider gibt ein Kern nicht jedes Neutron wieder her. Jedes absorbierte Neutron ist aber für eine weitere Spaltung verloren. Je größer die Wahrscheinlichkeit für eine Streuung ist und um so kleiner die Wahrscheinlichkeit für eine Absorption, desto besser ist das Material als Moderator geeignet. Man mißt dies mit der „Moderating Ratio“ MR. Sie beträgt bei H2 O nur 62. Im Gegensatz dazu, ist sie bei D2O. mit 4830 fast 78 mal so gut. Zusätzlich kann man den Bremseffekt noch verbessern, wenn man den Moderator möglichst kühl hält. Dies ist der Grund für die kalte Calandria.

Alles zusammen, führt dazu, daß man bei einem CANDU mit Natururan auskommt und trotzdem mittlere Abbrände von 7500 MWd/toU erzielt. Dies ergibt nicht nur die beste Ausnutzung von Natururan, sondern eröffnet noch ganz andere Brennstoffkreisläufe.

CANDU und Leichtwasserreaktoren im Verbund

In jedem Reaktor werden nicht nur Kerne gespalten, sondern auch immer neue Kerne durch das Einfangen von Neutronen gebildet. Allerdings ist die Nutzungsdauer der Beladung immer zeitlich begrenzt – egal in welcher Form der Brennstoff vorliegt. Es verhält sich mit dem Brennelement wie mit einer Weinflasche: Nach dem Gebrauch ist sie für den Nutzer Abfall, aber deshalb noch kein Müll. Man kann auch die leere Flasche vielfältig weiter nutzen oder sie recyceln.

Auch wenn die Brennstäbe in den Leichtwasserreaktoren nicht mehr nutzbar sind, enthalten sie doch noch unzählige Wertstoffe. In diesem Zusammenhang sind Uran und Plutonium von Interesse. Man kann diese beiden auf verschiedene Art und Weise nutzen:

  • Zuerst sollte man sie so lange – wie wirtschaftlich vertretbar – lagern. Genau das, geschieht im Moment weltweit. Radioaktive Stoffe besitzen die angenehme Eigenschaft, daß sie nur zerfallen können, also stetig weniger werden. Je mehr Spaltprodukte aber zerfallen sind, desto geringer ist die Strahlungsleistung geworden. Ein enormer Vorteil bei der weiteren Verarbeitung.
  • Man kann diese Brennelemente z. B. nach dem Purex-Verfahren wieder aufbereiten. Man erhält als Produkt hochreines Uran und Plutonium. Das Uran ist aber ohne eine weitere Anreicherung nicht wieder in einem Leichtwasserreaktor verwendbar. Hier kommen die CANDU’s ins Spiel:
  • Das Uran aus der Wiederaufbereitung hat einen etwas höheren Gehalt an U235 (ungefähr 0,9% plus 0,6% Pu) als Natururan. Man kann nun dieses Uran mit abgereichertem Uran aus Anreicherungsanlagen zu synthetischem Natururan verschneiden. Man spart also den Aufwand für eine weitere Anreicherung.
  • Viel sinnvoller ist es, das Uran aus der Wiederaufbereitung im ursprünglichen Zustand zu verwenden. Man muß es nicht verschneiden, sondern kann es durch die unzählige Kombination von Brennstäben aus unterschiedlichen Materialien als sehr viel effektivere Neutronenquelle einsetzen.
  • Es ist sogar möglich, die abgebrannten Brennelemente aus Leichtwasserreaktoren in CANDU-Reaktoren ein weiteres mal zu nutzen: Man müßte sie lediglich auf Länge schneiden und erneut in eine Hülle einschweißen. Allerdings bräuchte man hierfür wegen der hohen Strahlenbelastung eine fernbediente Herstellung und Handhabung. China führt bereits in seinen laufenden Reaktoren Versuche aus. Es wurde in Zusammenarbeit mit den Kanadiern ein umfangreiches Entwicklungsprogramm gestartet.
  • Man kann aber auch die abgebrannten Brennstäbe vorher pulverisieren und erhitzen. Da der größte Teil der Spaltprodukte (z. B. die Edelgase und Jod) schon bei relativ geringen Temperaturen ausgasen, können sie einfach abgeschieden werden. Man erhält nach dem Sintern „neue“ Brennelemente, mit wesentlich geringerer Strahlenbelastung (als die unbehandelten Brennelemente) und weniger parasitärem (bezüglich der Neutronen) Inhalt. Diese Schiene – mit teilweiser Wiederaufbereitung – wird in Korea verfolgt und als DUPIC-Verfahren (Direct Use of spent PWR fuel In Candu) bezeichnet.

Es gibt also zahlreiche Wege, aus Leichtwasser- und Schwerwasserreaktoren einen Energieverbund herzustellen. Man kann in etwa sagen, daß vier Leichtwasserreaktoren mit ihren abgebrannten Brennelementen einen Schwerwasserreaktor versorgen können. Dies könnte das evolutionäre Glied zur Nutzung – und damit Beseitigung – von „Atommüll“ sein: Man ersetzt das kostspielige PUREX-Verfahren durch „Neuverpackung“ oder „Teilreinigung“. Diese Verfahrensschritte sind sicherlich wesentlich eher mit der Gewinnung von Natururan wirtschaftlich konkurrenzfähig.

Thorium

Neben Uran, kann man auch mit Thorium Reaktoren betreiben. Thorium ist in manchen Ländern (z. B. Indien) leicht zu fördern oder fällt sogar als Abfall an (z. B. Produktion seltener Erden in China). Allerdings kann man mit Thorium keine selbsterhaltende Kettenreaktion erzeugen. Vorher muß man daraus U233 erbrüten. Anders als bei Uran, funktioniert das Brüten bei Thorium auch sehr gut mit thermischen Neutronen. Es war daher schon frühzeitig ein Gedanke, Thorium als Brennstoff in Schwerwasserreaktoren einzusetzen.

Aus der Konstruktion von Brennstoffkanälen, die mit Brennelementen gefüllt sind, die sich wiederum aus Brennstäben zusammensetzen, ergeben sich beim CANDU zwei grundsätzliche Varianten: Der gemischte Kern (mixed-core) und das gemischte Brennelement (mixed-fuel-bundle).

Bei einem gemischten Kern, verwendet man Brennelemente aus reinem Thorium, die zum Erbrüten von U233 dienen. Die hier verschluckten Neutronen müssen an anderer Stelle im Reaktor erzeugt werden. Dafür verwendet man Brennelemente mit leicht angereichertem Uran oder aus Mischoxid. Hierfür bietet sich – wie weiter oben schon beschrieben – idealerweise der „Abfall“ aus Leichtwasserreaktoren an. Diese Strategie erfordert – wegen der wechselnden Orte und der unterschiedlichen Verweilzeiten in den Kanälen – eine komplexe Steuerung der Lademaschinen. Wenn man nur reines Thorium in einem Brennelement einsetzt, kommt man zu einer besonders eleganten „Einfach-Nutzung“. Aus Thorium bilden sich durch das Einfangen von Neutronen weit weniger langlebige Aktinoiden, als aus Uran. Da man es im wesentlichen nur mit (kurzlebigen) Spaltprodukten zu tun hat, ergibt sich ein „Atommüll“, der besonders gut für eine „Endlagerung“ geeignet ist. Diese Beschränkung auf eine technische Zwischenlagerung – ohne Wiederaufbereitung und/oder geologisches „Endlager“ – ist ein weiterer Anreiz für Länder mit großen Thoriumvorkommen (z. B. Norwegen).

Der andere Weg sind die gemischten Brennelemente. Dort wird bevorzugt der mittlere Brennstab aus reinem Thorium hergestellt und die ihn konzentrisch umgebenden Stäbe aus leicht angereichertem Uran. Dies vereinfacht das Umsetzen, hat aber eine schlechtere Ausnutzung der Neutronen zur Folge. Wenn man bereits gebrütete Brennelemente verwendet, um deren Stäbe in gemischten Brennelementen weiterzuverwenden, benötigt man keinerlei Wiederaufbereitung. Dieser Brennstoffkreislauf bietet sich besonders für Länder an, die unbedingt und nachweisbar auf Kernwaffen verzichten wollen.

Man kann mit Schwerwasserreaktoren Konversionsraten von nahezu eins erreichen. Wenn man über mehrere CANDU-Reaktoren verfügt, kann man einige davon vollkommen mit Thorium betreiben. Lediglich einige müssen zusätzlich leicht angereichertes Uran bzw. Mischoxid verwenden um den Fehlbedarf an U233abzudecken. Ein Land wie z. B. Indien, mit großen Mengen eigenem Thorium, aber kaum eigenem (wirtschaftlichem) Uran, kann so einen beträchtlichen Anteil aus heimischen Energieträgern abdecken.

Neben der Streckung von Uranvorräten bietet die Verwendung von Thoriumoxid noch eine Reihe anderer Vorteile: Bessere Wärmeleitung, höherer Schmelzpunkt, sehr gute chemische Stabilität und weniger Bildung von Aktinoiden.

Schlußwort

Mit diesem Beitrag, soll die Serie über die Reaktortypen in Europa vorläufig abgeschlossen werden. Eigentlich fehlen hier noch die russischen Druckwasserreaktoren wie sie in Finnland und der Türkei gebaut werden sollen. Bisher mangelt es aber nach wie vor an frei zugänglichen Informationen.

Sinn dieser Serie sollte es sein, interessierten Menschen einen Überblick darüber zu verschaffen, was geht, was man morgen bestellen und bauen könnte, was genehmigt und erprobt ist. Forschung und Entwicklung stehen auf einem anderen Blatt. Man kann – wenn man politisch will – sofort mit dem Ausbau der Kernenergie beginnen bzw. fortschreiten. China macht es eindrucksvoll vor: Den Einstieg in das Zeitalter der Kerntechnik auf breiter Front durch Nutzung von allem, was der Weltmarkt hergibt. Ein gigantischer Vergleich unter gleichen Rahmenbedingungen. Bisher gab es das nur in den USA – und man erinnert sich kaum, in Deutschland. Vielleicht muß man wirklich schon daran erinnern. Es gab einmal deutsche Siedewasser-, Druckwasser-, Schwerwasser-, Thorium-Hochtemperaturreaktoren und natriumgekühlte schnelle Reaktoren. Alle gebaut und mit besten Betriebserfahrungen und ganz ohne schwere Unfälle. Wenn es dem Esel zu gut geht, geht er aufs Eis tanzen, sagt ein altes Sprichwort. Jedenfalls reist heute eine ehemalige Pionierleiterin nach Japan, um der dortigen Regierung deutsche Wind- und Sonnentechnik schmackhaft zu machen. Selbstverständlich bei ausdrücklicher Verweigerung eines Besuchs in Fukushima. Zu viel Realität, konnte man im Politbüro noch nie ertragen. Das Ergebnis ist bekannt.