Thorcon – neue Reaktoren aus/mit Indonesien?

Das US-Unternehmen Thorcon will Salzbadreaktoren in Indonesien bauen.

Indonesien

Für ein besseres Verständnis, erscheinen ein paar Worte über die Energiesituation in Indonesien angebracht. Indonesien besteht aus über 17000 Inseln und ist mit 253 Millionen Einwohnern (Stand 2014) das viertgrößte Land der Erde. Als Schwellenland hat es einen rasanten Anstieg des Primärenergieverbrauches zu verzeichnen. In der Dekade zwischen 2003 und 2013 um 43%. Die Hauptenergieträger sind Öl, Kohle und Erdgas. Indonesien ist seit 1885 ein Ölförderland. Inzwischen ist die Nachfrage durch Bevölkerungs- und Wirtschaftswachstum so stark gestiegen, daß es seit etwa 2003 Nettoölimporteur ist.

Es besitzt auch große Erdgasvorkommen (Platz 13 in der Weltrangliste, Platz 2 in Asien) und ist immer noch Nettoexporteur. Der Verbrauchsanstieg ist aber so groß, daß es neuerdings sogar Erdgas als LNG aus den USA importiert (20 Jahresvertrag mit Cheniere). Hinzu kommt die ungleiche Verteilung im Inselreich.

Eigentlich ist Indonesien Kohlenland mit über 500 Millionen Tonnen jährlich. Davon werden rund 80% exportiert (weltweit größter Exporteur nach Masse). Trotzdem beträgt der Inlandsverbrauch rund 80 Millionen Tonnen mit stark steigender Tendenz wegen des Zubaues von Kohlekraftwerken.

In Indonesien sind erst 84% der Bevölkerung überhaupt an das Stromnetz angeschlossen. Bei bisher erst 51 GWel installierter Leistung (88% fossil, davon 50% Kohle) ist das Netz chronisch überlastet. Die häufigen Zwangsabschaltungen sind eine enorme Belastung für Bevölkerung und Industrie.

Traurige Berühmtheit erlangte Indonesien durch die Brandrodung des Regenwaldes zur Anpflanzung gigantischer Palmölplantagen. Auch hier wieder ökosozialistische Wahnvorstellungen als entscheidende Triebkraft: Biokraftstoffe und Holzschnitzel zur „Klimarettung“ und gegen „Peakoil“.

Indonesiens Weg in die Kernenergie

Langfristig kommt Indonesien als bevölkerungsreiches Schwellenland – genauso wie China und Indien – nicht ohne eine Nutzung der Kernenergie aus. Man will aber offensichtlich einen etwas anderen Weg gehen: Nicht der schnelle Einstieg durch den Kauf fertiger Kraftwerke steht im Vordergrund, sondern der Aufbau einer eigenen kerntechnischen Industrie. Konsequent setzt man auf die Entwicklung „neuer“ Kernreaktoren. Dies ist zwar mit einem erheblichen Risiko verbunden, erlaubt aber eine konsequente Anpassung an lokale Verhältnisse und vermeidet hohe Lizenzgebühren. Für ein Inselreich bieten sich kleine Reaktoren (SMR) an, bevorzugt als schwimmende Einheiten.

Eine Entwicklungsschiene ist ein gasgekühlter Hochtemperaturreaktor mit Uran als TRISO Kugelhaufen. Der Prototyp RDE (Reaktor Daya Eksperimental) soll eine Leistung von 10 MWel haben, die später auf bis zu 100 MWel erweitert werden soll. Diese SMR (Small Modular Reactor) sind besonders für die „kleineren“ Inseln des Archipels vorgesehen. Noch dieses Jahr soll ein detaillierter Konstruktionsplan durch ein Konsortium aus Universitäten und privaten Unternehmen einer internationalen Kommission der IAEA zur Begutachtung vorgelegt werden. Grundlage für eine endgültige Entscheidung und die Finanzierung.

Schon 2015 hat die US-Firma Martingale (jetzt ThorCon International) mit einem staatlichen indonesischen Konsortium PT Industry Nuklir Indonesia (INUKI) ein Abkommen zum Bau eines Flüssigsalzreaktors abgeschlossen. Angeblich soll schon 2019 mit dem Bau begonnen werden und das erste Kraftwerk 2025 in Betrieb gehen.

Das ThorConIsle-Konzept

Der Guru der Flüssigsalzreaktoren Robert Hargraves verkündet in seinem neuesten Prospekt vollmundig, daß sein Kraftwerk weniger Investitionen als ein Kohlekraftwerk erfordern würde. Allerdings erinnert das schön bebilderte Verkaufsprospekt an einschlägige Exponate von Bauträgern: Alles schön, keine Probleme, super günstig, daher sofort kaufen.

Das Grundkonzept ist von den Russen abgekupfert: Man baut ein Schiff ohne Antrieb um zwei Reaktoren (plus dem nötigem Zubehör) herum. Alles etwas größer und schöner, versteht sich. Nur mit dem Unterschied, daß das russische Modell nach langer Bauzeit endlich schwimmt. Kein Supertanker – nur 2 x 35 MWel anstelle von 2 x 256 MWel – und „nur“ mit auf Eisbrechern erprobten Reaktoren, anstelle von frisch erfundenen Thorium-Flüssigsalz-Reaktoren. Schön wenn ein solches Kraftwerk mal gebaut wird, aber ganz gewiss nicht bis 2025 und dazu noch billiger als ein Kohlekraftwerk.

Die Idee Kernkraftwerke als Schiffe in Serie zu bauen, ist sicherlich für ein Inselreich verlockend. Nur ist eben ein Kernkraftwerk kein Supertanker (Schuhkarton ), sondern randvoll mit Technik. Insofern können die Baukosten nicht einfach übertragen werden.. Ein Schiff bleibt ein Schiff: Die Korrosionsprobleme im tropischen Meer sind gewaltig und erfordern erhöhte Betriebskosten. Ein Schiff kann auch keine „Betonburg“ (Terrorismus, Flugzeugabsturz etc.) sein. Ganz so einfach, wie im Prospekt, dürfte es nicht gehen: Man kippt einfach die Zwischenräume voll Beton und erhält so einen tollen Bunker. Wer z. B. das Genehmigungsverfahren für den AP-1000 (Sandwich aus Stahlplatten und Beton) verfolgt hat, ahnt, wie Genehmigungsbehörden ticken.

Alle Komponenten sollen zwischen 150 und 500 to schwer sein und sich sogar während des Betriebs auswechseln lassen. Auch hier scheint es mehr um Wunschdenken zu gehen.

Der Reaktor

Bei dem Reaktor handelt sich um eine Kanne, in der der eigentliche Reaktorbehälter (gen. Pot), die Umwälzpumpen und die Wärmetauscher untergebracht sind. Die Kanne wiegt knapp 400 to, wovon etwa 43 to auf die Salzfüllung entfallen. Dieses Gebilde soll spätesten nach acht Jahren komplett ausgebaut und mit einem Spezialschiff zur Wiederaufbereitung geschickt werden. Nach acht Jahren ist das Salz so voller Spaltprodukten, daß es nicht mehr weiter im Kraftwerk eingesetzt werden kann. Vor dem Transport soll es vier Jahre lagern, bis die Strahlung auf akzeptable Werte abgeklungen ist. Jeder Block hat deshalb zwei Kannen.

Die Kanne ist das Neuartige an diesem Konzept: Man tauscht nicht regelmäßig Brennstoff aus, sondern der eigentliche Reaktor ist eine „Batterie“, die komplett gewechselt wird. Vorteil dabei ist, daß man erforderliche Inspektionen und Reparaturen in einer Spezialfabrik durchführen kann. Der gesamte nukleare Teil („der strahlt.“) befindet sich in dieser Kanne. Alle anderen Komponenten sind „konventionell“. Mal sehen, was der Genehmigungsbehörde dazu alles einfällt….

Allerdings stellt das Batterieprinzip alle bisher geltenden Lehrmeinungen über Thorium-Reaktoren auf den Kopf:

  • Bisher ging man von einer kontinuierlichen Wiederaufbereitung aus. Man wollte das Spaltproduktinventar stets gering halten. So hätte man es bei einem schweren Störfall automatisch nur mit geringen Mengen zu tun.
  • Je mehr Neutronengifte – und im Sinne einer selbsterhaltenden Kettenreaktion ist schon Thorium selbst ein starker Parasit – vorhanden sind und je länger die Wechselintervalle sein sollen, um so mehr spaltbares Uran muß man am Anfang zugeben. Dieses muß auch noch möglichst hoch angereichert sein (hier geplant 19,7 %).

Das Salz

Als Brennstoff soll ein NaF – BeF2 – ThF4 – UF4 (mit 76 – 12 – 10,2 – 1,8 mol%) Salz verwendet werden. Es soll ganz tolle Lösungseigenschaften haben, die alle „gefährlichen“ Spaltprodukte zurückhalten. An dieser Stelle fällt mir immer der alte Chemikerwitz ein: Ruft der Professor überglücklich, ich habe endlich das ultimative Lösungsmittel gefunden. Antwortet der Laborant trocken, Glückwunsch und wo soll ich es jetzt hinein füllen? Bei einem solchen Salz ist das leider mehr als ein blöder Witz. Zumal hier auch noch mit Temperaturen von über 700 °C gearbeitet werden soll. Mit Schiffbaustahl (Kostenangaben) wird sich da leider gar nichts ausrichten lassen.

Beryllium und auch Berylliumfluorid sind sehr giftig und werden als krebserregend eingestuft. Wenn Beryllium ein Neutron einfängt, bildet es Helium und setzt dabei zwei Neutronen frei. Es wirkt dabei sowohl als Moderator, wie auch als Neutronenvervielfacher. Fluor und Fluorwasserstoff sind gasförmig und sehr giftig. Fluor ist äußerst reaktionsfreudig und geht mit fast allen Elementen stabile chemische Verbindungen ein. Mit Wasserstoff reagiert es letztendlich zu Flußsäure, die sogar Glas ätzt. Jede Kernspaltung zerstört auch die chemische Verbindung und neue chemische Elemente in Form der Spaltprodukte entstehen. Man hat es deshalb stets auch mit elementarem Fluor zu tun, der auch gern mit dem Strukturmaterial reagieren kann. Da Fluoride sehr reaktionsfreudig sind, reagieren sie natürlich auch wieder mit dem größten Teil der Spaltprodukte und binden diese sicher ein. Es gibt aber zwei Ausnahmen: Edelmetalle und Edelgase. Die Edelmetalle lagern sich innerhalb der Anlage ab und führen zu „Verschmutzungen“, die man regelmäßig und aufwendig wird entfernen müssen (Die Batterie doch komplett auf den Müll?). Die Edelgase müssen (eigentlich) durch Helium ständig aus dem Salz herausgespült werden.

Der immer wieder gern gehörte Hinweis aus der Salzbad-Scene auf den legendären MSRE-Reaktor, hilft in diesem Sinne leider auch nicht weiter: Er hat nur 1,5 Voll-Lastjahre (1966 bis 1969) gelaufen.

Das Sicherheitskonzept

Der Reaktor stellt sich immer selbstständig ab, wirbt ThorCon. Zwar ist dies durchaus kein Alleinstellungsmerkmal eines Flüssigsalzreaktors, aber trotzdem eine feine Sache. Locker mit „Walkaway Safe“ umschrieben. Es ist kein Hexenwerk, eine Kettenreaktion durch Überhitzung (Verkleinerung des makroskopischen Einfangquerschnittes) aus sich selbst heraus zusammenbrechen zu lassen, es bleibt aber immer noch die Nachzerfallswärme (Fukushima und Harrisburg): Sie muß entsprechend schnell abgeführt werden, sonst schmilzt der Reaktor. Auch hier gilt natürlich, je mehr Spaltprodukte im Reaktor enthalten sind (Batterie gegen kontinuierliche Aufbereitung), um so größer ist das Problem.

Die Konstrukteure von Flüssigsalzreaktoren gehen nun davon aus, daß das Salz unter allen denkbaren Umständen und überall im Reaktor schön fließfähig bleibt. Im Ernstfall läuft es dann problemlos in einen gekühlten Tank aus. Dazu denkt man sich an geeigneter Stelle einen Pfropfen als Verschluß, der während des Normalbetriebs durch permanente Kühlung erzeugt wird. Unterbricht man im Notfall die Kühlung, schmelzt das flüssige Salz den Pfropfen auf und gibt so den Weg frei. Der Nottank soll aus vielen Röhren bestehen, die über ihre Oberflächen die Wärme gegen eine Kühlwand abstrahlen. Die Wand wird mit Wasser gefüllt, welches verdampfen kann und sich in Kühltürmen auf Deck wieder niederschlägt. Das Kondensat läuft dann in die Hohlwand zurück.

Schlussbetrachtung

Indonesien muß wie jedes andere Schwellenland in die Kerntechnik einsteigen. Nicht nur zur Energiegewinnung, sondern auch um Anschluß an moderne Industriestaaten zu gewinnen. Kerntechnik ist neben Luft- und Raumfahrt die Schlüsseltechnologie schlechthin. In keiner anderen Branche kommen so viele Technologien mit ihren jeweiligen Spitzenleistungen zusammen. Insofern ist es nur konsequent, möglichst frühzeitig in die internationale Entwicklung „neuer“ Reaktortechnologien einzusteigen. Schon die Zusammenarbeit mit Spitzenuniversitäten und Hochtechnologieunternehmen stellt einen unschätzbaren Wert für die eigene Ausbildungslandschaft dar. Selbst wenn diese jungen Ingenieure später nicht in der Kerntechnik tätig werden, werden sie mit Sicherheit zu den gefragten Spitzenkräften in ihrer Heimat zählen. Keine „Entwicklungshilfe“, die „angepasste Technologie“ für die „große Transformation“ verbreiten will, wird auch nur ansatzweise vergleichbares hervorbringen. Technik – und damit die Gesellschaft –entwickelt sich halt immer nur durch machen weiter und nicht in irgendwelchen geisteswissenschaftlichen Seminaren.

Die Kugelhaufen sind zurück

Weltweit tauchen Meldungen über Hochtemperaturreaktoren (HTR) mit Kugelhaufen als Kern auf. Es könnte eine Renaissance geben, wenn man es richtig anpackt.

Geschichte

Die Verwendung eines Gases als Kühlmittel geht bis auf die Anfänge der Kerntechnik zurück: 1956 ging in Calder Hall in Großbritannien das erste Magnox-Kraftwerk mit einer elektrischen Leistung von 50 MW ans Netz. Die Bezeichnung Magnox leitete sich aus dem Material für die Brennstabhüllen Magnesium und dem Kühlmittel Kohlendioxid ab. Bei dieser Werkstoffkombination ergab sich nur ein geringer Wirkungsgrad von rund 20%. Später ging man zu Brennstabhüllen aus Stahl, angereichertem Uran, höheren Drücken beim CO2 und höheren Betriebstemperaturen über. Dieser Advanced Gas Reactor (AGR) Typ ist teilweise heute noch in Betrieb, wird aber schon lange nicht mehr neu gebaut.

Das „Helium-Zeitalter“ begann 1965 in Großbritannien mit dem Dragon-Reaktor (20 MWth) und in Deutschland 1966 mit dem AVR Kugelhaufenreaktor in Jülich – eine 21 jährige Erfolgsgeschichte. Der AVR als Versuchskraftwerk ist weltweit die Mutter aller Kugelhaufen-Reaktoren bis zum heutigen Tag geblieben. Man kann mit Fug und Recht sagen, daß in Deutschland dieser mit Helium gekühlte Hochtemperaturreaktor bis zur Anwendungsreife entwickelt worden ist. Analog zu den Leichtwasserreaktoren in den USA. Ganz besonders betrifft dies die Forschung und Entwicklung der TRISO Brennelemente. Nicht auszudenken, wo der Entwicklungsstand heute wäre, wenn nicht die Wahnvorstellungen der Ökosozialisten aus SPD und Grünen über Deutschland hereingebrochen wären. Inhärent sichere Reaktoren, hohe Temperaturen auch zur Prozeßwärme, Trockenkühlung, kalte Fernwärme, Kohleveredelung: Alles deutsche Produkte, die heute weltweit (mühselig) nachvollzogen werden.

Der Unterschied

Bei Leichtwasserreaktoren (LWR) ist das Wasser Kühlmittel, Moderator („Neutronenbremse“) und Arbeitsmedium in einem. Dadurch kann man sehr kleine Kerne – nicht unbedingt Reaktoren – mit sehr hoher Leistungsdichte bauen. Genau diese hohe Leistungsdichte ist aber sicherheitstechnisch ein Problem bzw. Nachteil.

Bei den Hochtemperaturreaktoren ist das Gas ein reines Kühlmittel. Da es keinen Phasenübergang mehr gibt (vom Wasser als Flüssigkeit zum Dampf als Gas) ist der Temperatur- und Druckanstieg kontinuierlich und gemäßigt. Physikalische Explosionen sind damit ausgeschlossen. Verwendet man ein Edelgas wie Helium, sind auch chemische Reaktionen auszuschließen. Anders als bei den Störfällen von Harrisburg und Fukushima: Durch hohe Temperaturen und Trockenfallen der Brennstäbe kam es zur Wasserstoffbildung. Wie die Explosionen in Fukushima zeigten, ein ernsthaftes Sicherheitsrisiko.

Da Helium kaum mit Neutronen reagiert, wird es auch nicht aktiviert. Anders als z. B. die Kühlmittel CO2 und Wasser. Man braucht allerdings einen zusätzlichen Moderator. In diesem Falle das Reaktorgraphit der Brennelemente. Da das Bremsvermögen kleiner ist, benötigt man entsprechend mehr Volumen. Sicherheitstechnisch ist dies wiederum ein Vorteil: Man gewinnt bei einem Störfall wegen der Speicherfähigkeit wertvolle Zeit. Reaktorgraphit verträgt sehr hohe Temperaturen, ohne sich wesentlich zu verändern. Die möglichen hohen Temperaturen sind ein weiterer Sicherheitsgewinn durch passive Kühlung. Die unmittelbar nach einer Schnellabschaltung entstehende große Wärmeleistung durch den Zerfall der kurzlebigen Spaltprodukte, kann im Graphit zwischengespeichert werden. Die hohen – ohne Festigkeitseinbußen, Druckanstiege etc. – möglichen Temperaturen ergeben zur Umwelt eine große treibende Temperaturdifferenz. Die Wärmeabgabe durch Konvektion erfolgt proportional zur Temperaturdifferenz. Die Wärmeabgabe durch Strahlung sogar mit der vierten Potenz. Bei kleinen Reaktoren (Verhältnis von Oberfläche zu Volumen) ist dies ohne zusätzliche Sicherheitseinrichtungen beherrschbar. Können Brennelemente, Einbauten und Kühlmittel eine hohe Temperatur vertragen, kommt man damit automatisch zu einer inhärenten Sicherheit auch nach der Abschaltung. Ein Störfall wie in Fukushima ist – auch ohne Nachkühlung – ausgeschlossen. Es gibt keine – nicht einmal eine theoretische – Kernschmelze.

Das Arbeitsmedium

Grundsätzlich gibt es zwei Wege zur Erzeugung mechanischer Energie aus der Reaktorwärme: Über eine Heliumturbine oder eine Dampfturbine. Auch die Chinesen haben sich wie einst die Deutschen, zu einem konventionellen Dampfkreislauf entschieden. Man verfügt damit ab dem Wärmeübertrager über eine konventionelle und erprobte Kraftwerkstechnik. Wenn man unbedingt will, kann man damit einen Wirkungsgrad von nahezu 50% erzielen, wie es in modernsten Kohlekraftwerken üblich ist. Ein reines Optimierungsproblem, was bei den geringen Brennstoffpreisen eines Kernkraftwerks nicht unbedingt erforderlich ist. Wenn man bewußt auf etwas elektrischen Wirkungsgrad verzichtet, kann man Abwärme mit höherer Temperatur auskoppeln zur Verwendung in Fernwärmenetzen oder einen Trockenkühlturm verwenden. Dies wurde bereits beim THTR in Hamm-Uentrop erfolgreich vorgeführt. Die Stromerzeugung in ariden Gebieten ist ein nicht zu unterschätzender Markt. Aktuell ist z. B. Saudi Arabien und Südafrika brennend an Hochtemperaturreaktoren interessiert.

Südafrika ist bei dem Versuch einer Heliumturbine gescheitert. Zumindest die Lösung einer doppelten Aufgabe: Neuer Reaktor und neues System zur Energiewandlung, war absehbar eine Überforderung. Die unvermeidbare Verunreinigung des Heliums durch Graphitabrieb und Spaltprodukte führt zu dauerhaften Wartungsproblemen. Es sprechen aber auch grundsätzliche thermodynamische Überlegungen gegen eine Heliumturbine. Helium hat eine sehr geringe Dichte bei hoher Schallgeschwindigkeit. Bei der Entspannung in einer Düse ergeben sich sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten bzw. sehr hohe Schaufelgeschwindigkeiten im Verdichter. Beides führt zu notwendig hohen Drehzahlen. Ferner benötigt man bei Helium für ein vorgegebenes Druckverhältnis wesentlich mehr Stufen und Zwischenkühler als z. B. bei Luft. Zusätzlich muß man wegen der geringeren spezifischen Wärmekapazität des Heliums auch noch wesentlich größere Volumenströme umwälzen. (Hinweis für Thermodynamiker: Abschätzung über die Adiabatengleichung unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Exponenten vornehmen.) Vermeintliche Vorteile hoher Temperaturen und Einkreissysteme werden so schnell wieder aufgefressen.

Der Brennstoff

Wie schon die Bezeichnung Kugelhaufenreaktor vermuten läßt, besteht der Kern aus Kugeln. Basis dieser Kugeln sind die TRISO (Tri-coated Isotropic) Elemente. Ein winzig kleiner Kern aus Brennstoff ist von mehreren Schichten Reaktorgraphit und einer Schutzschicht aus Siliciumcarbid ummantelt. Dies ist ein sehr flexibles Konzept. Das Brennstoffpartikel hat einen Durchmesser von weniger als einem halben Millimeter und besteht chemisch aus Oxiden oder Karbiden. Es kann aus Uran-, Plutonium- oder Thoriumisotopen im geeigneten Mischungsverhältnis bestehen. Die Kohlenstoffschichten dienen als Moderator und als Puffer für Spaltgase. Die Siliciumcarbid-Schicht dient als „Brennstoffhülle“ zur Zurückhaltung der Spaltprodukte. Das fertige TRISO-Element ist ein Kügelchen von etwa einem Millimeter Durchmesser. Aus diesen Kügelchen preßt man nun Kugeln von 50 mm Durchmesser, die noch mit einer weiteren Schutzschicht aus Graphit überzogen werden. Es ergeben sich – chemisch wie mechanisch – sehr widerstandsfähige, tennisballgroße Brennelemente.

An dieser Stelle sei vermerkt, daß man diese TRISO-Elemente auch zu Brennstäben pressen kann. Diese werden in hexagonale „Bausteine“ aus Graphit eingesetzt, aus denen man einen Kern „aufmauern“ kann. Diese Bausteine enthalten Kanäle in denen das Gas gerichtet strömen kann und auch Kontrollstäbe etc. eingesetzt werden können. Das ist das andere derzeit verfolgte Konzept für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren. Mit ihm lassen sich auch größere Reaktoren bauen.

Ein Haufen ist ein Haufen

Die Idee, einen schlanken Silo zu bauen und den von oben kontinuierlich mit Kugeln zu befüllen, erscheint als eine verblüffend einfache Idee. Die sich ergebenden Hohlräume zwischen den Kugeln dienen dabei dem Kühlmittel Helium zur Durchströmung. Aber wo Licht ist, ist auch Schatten. Jeder Kern eines Reaktors hat unterschiedliche Zonen mit unterschiedlichem Neutronenfluß und damit unterschiedlicher Leistung. Bei ortsfesten Brennelementen kann man z. B. über eine unterschiedliche Anreicherung diese Effekte ausgleichen. Bei einem stetig rutschenden Kugelhaufen geht das nicht.

  • Die Wege und die Durchlaufzeit einer einzelnen Kugel sind nicht vorhersagbar.
  • Man kann in dieser Schüttung praktisch keine Regelstäbe oder Meßsonden einbauen.
  • Die Strömungsverhältnisse des Kühlgases sind unbestimmt.

Dies führt alles zu stark unterschiedlichen Temperaturen, der eine Kugel bei einem Durchlauf ausgesetzt war. Auch wenn die Austrittstemperatur stets im grünen Bereich war, sind einzelne Kugeln sehr stark erwärmt worden. Je höher die gewünschte Austrittstemperatur, um so höher auch die Anzahl überlasteter Kugeln und dadurch in das Kühlmittel freigesetzte Spaltprodukte.

Nur bei kleinen Kernen kann man die unterschiedliche Leistungsverteilung durch Reflektoren an den Behälterwänden ausreichend kompensieren. In diese Reflektorschicht kann man auch Regelstäbe zur sicheren Abschaltung einführen. Zwar braucht ein Kugelhaufen nicht so viele Regelstäbe, da er ja kontinuierlich mit frischen Elementen beschickt wird und nicht den gesamten Brennstoff für den Zyklus schon am Anfang in sich haben muß (Überschußreaktivität), aber ganz kann man nicht darauf verzichten. An dieser Stelle wird klar, daß Kugelhaufenreaktoren nur als Kleinreaktoren (SMR) geeignet sind. Mit zunehmender Größe, kehren sich die Vorteile schnell in Nachteile um. Deshalb auch die andere Entwicklungsschiene, aus TRISO-Kügelchen Brennelemente als Bausteine herzustellen.

Die Sicherheit

Wenn man sich auf kleine Leistungen und moderate Austrittstemperaturen beschränkt, erhält man einen nahezu „unkaputtbaren“ Kernreaktor. Der Versuchsreaktor AVR hatte eine Leistung von 46 MWth und eine elektrische Leistung von 15 MWel. Die in China in Bau befindliche Weiterentwicklung eine thermische Leistung von 250 MWth pro Modul bei noch vernünftigen Austrittstemperaturen von 750 °C. Was spricht eigentlich wirklich gegen diese Bandbreite? Es gibt zwei riesige Märkte für „kleine“ Reaktoren: Alle dünn besiedelten Gebiete von Alaska bis Afrika und den Markt der Kraft-Wärme-Kopplung (einschließlich Fernkälte) in Ballungsgebieten. Hier kommt es auf geringen Personalaufwand für den Betrieb (möglichst automatisch) und Robustheit (Sicherheit, Zuverlässigkeit und geringe Wartung) an. Wer ein Kernkraftwerk, wie einen Schiffsdiesel baut, dem stehen hier alle Türen offen. Es ist kein Zufall, daß sich gerade Saudi Arabien für den chinesischen HTR interessiert: Ein riesiges Land, was konventionelle Stromnetze sehr teuer macht. Lokaler Bedarf nicht nur an elektrischer Energie, sondern immer auch gleichzeitig an Kälte (Klimatisierung) und Trinkwasser, bei gleichzeitigem Mangel an Kühlwasser für konventionelle Kraftwerke. Ähnliches gilt für Südafrika: Es mangelt nicht an Energie (riesige Kohlevorräte), sondern an Kühlwasser für Kraftwerke.

Die Temperaturfrage

Wir verfügen noch mindestens für Jahrhunderte über ausreichend billige fossile Energien. Je weniger man davon für Stromerzeugung und Heizung verfeuert, je länger kann man die Preise stabil halten. Es besteht also für Jahrzehnte gar keine Notwendigkeit für nukleare Prozeßwärme mit hohen Temperaturen und damit auch kein Markt! Schon allein, wenn man das Erdgas, was man heute in Kraftwerken verfeuert, zur (billigen) Wasserstoffproduktion verwendet, kann man damit die Weltmärkte überschwemmen.

Mit der Temperatur steigt der technische Aufwand exponentiell an. Temperatur ist in der Kraftwerkstechnik der Kostentreiber Nummer eins. Die Kerntechnik leidet aber bereits unter den Investitionskosten. Es ist dringend ein umlenken in die andere Richtung notwendig. Keine exotischen Experimente (Heliumturbine), sondern Einsatz erprobter Technik. Dampfturbinen mit unter 600 °C Eintrittstemperaturen um bei handhabbaren Werkstoffen zu bleiben.

Nimmt man dies als Richtwert, kommt man beim Reaktor deutlich unter 800 °C Austrittstemperatur an. Bei TRISO-Elementen ist die im Störfall freigesetzte Menge an Spaltprodukten stark temperaturabhängig. Nicht nur die maximale Temperatur im Störfall, sondern auch durchaus der Temperaturverlauf im Betrieb sind bestimmend. Je weiter man von den Grenzwerten Abstand hält, um so geringer ist die Freisetzung ins Helium. Je sauberer das Helium ist, je kleiner die potentielle Strahlenbelastung der unmittelbaren Umgebung.

Dies muß ja niemanden von der Jagd nach Temperaturrekorden abhalten. Es wird hier nur für einen ingenieurmäßigen, evolutionären Weg plädiert. Kein Ingenieur hat bei der Entwicklung der Verkehrsflugzeuge gleich Schallgeschwindigkeit gefordert. Vielleicht von geträumt, aber realistischer Weise nicht unmittelbar angestrebt.

Zusammenfassung

Wenn man konsequent die (derzeitigen) Grenzen der Technik akzeptiert und sich auf die Vorteile der Kugelhaufenreaktoren besinnt, kann man sehr schnell einen Durchbruch erzielen. Der PC hat seinen Siegeszug nicht angetreten, weil er in Konkurrenz zu Großrechnern angetreten ist, sondern weil er das „persönliche“ in den Vordergrund gestellt hat. Rausgekommen sind heute Rechner, die mehr leisten, als Großrechner in den 1960er Jahren und das zu einem „Mitnahmepreis“.

Für die Kugelhaufenreaktoren heißt das:

  • Konsequente Betonung der Sicherheit. Es ist möglich einen Rektor zu bauen, der so sicher ist, daß man ihn in einem Wohngebiet bedenkenlos aufstellen könnte.
  • Schwerpunkt auf einen automatischen Betrieb mit Fernüberwachung und geringem Wartungsaufwand.
  • Senkung der Investitionskosten durch Besinnung auf handelsübliche Technik.

Für die öffentliche Akzeptanz sind medienwirksame Vorführungen an Demonstrationskraftwerken notwendig: Trennung bei voller Last vom Netz, völliger Verlust des Kühlgases usw. Nachweis ist dabei, daß nicht mehr an Strahlung als aus einem konventionellen Kraftwerk die Grundstücksgrenze übertritt. Nur so, kann der Angstindustrie und ihrer Propaganda wirksam entgegen getreten werden.

Für die Fachwelt der Kunden (Stadtwerke, Industrie, usw.) steht die Bedienbarkeit und die Kosten im Vordergrund. Nichts ist vertrauenserweckender, als eine vertraute Technik (z. B. konventionelle Dampfturbine), mit der man sich auskennt und Erfahrung (Werkstofftechnik, Schweißtechnik etc.) hat. In diesem Sinne, kann man den Kollegen in China nur viel Erfolg auf ihrem eingeschlagenen Weg wünschen.

Gray, Sievert und was sonst noch?

In den Medien wird im Zusammenhang mit Radioaktivität mit Zahlenwerten nur so um sich geschmissen. Kaum einer versteht die Aussagen, aber alle reden davon.

Vorbemerkung

Eine Maßeinheit bezieht sich stets auf einen genau definierten Zustand: So ist das [kg] die Einheit für die Masse und das [N] bzw. früher das [kp] eine Einheit für eine Kraft. Im Alltag kann man zwar oft beide Einheiten gleich setzen, es kann aber auch zu schwerwiegenden Fehleinschätzungen dadurch kommen. Kraft und Masse sind halt nur im unbewegten Zustand gleichwertig. Dies ist Allgemeinwissen, aber im Zusammenhang mit Strahlung und Radioaktivität werden fröhlich alle Einheiten miteinander vermischt. Leider nicht nur in Massenmedien.

Die Öffentlichkeit interessiert sich meist nur für die biologische Wirkung: Ab wann ist ionisierende Strahlung gefährlich, ab wann bekomme ich Krebs, sind nachfolgende Generationen gefährdet? Alles Fragen der Biologie – oder noch genauer gesagt – der Medizin und schon wird es schwierig. Der Mensch ist halt keine Maschine und läßt sich deshalb nur sehr schlecht vermessen. Aus den physikalischen Meßwerten über Strahlung lassen sich bestenfalls Erwartungswerte für Krankheiten ableiten. Aus einem Unverständnis wird schnell eine Strahlenphobie. Dies betrifft nicht nur die Kernenergie. Röntgenärzte und Nuklearmediziner können ein Lied davon singen. Besonders heikel sind Patienten, die durch Jahrzehnte grüner Indoktrination notwendige Diagnosen und Therapien verweigern.

Am Anfang steht der Zerfall

Der überwiegende Teil der in der Natur vorkommenden Isotope befindet sich in einem angeregten Zustand. Dieser Zustand läßt sich nicht unbegrenzt aufrecht erhalten, das Atom zerfällt und wandelt sich dabei in ein neues Element um. Dies kann mehrfach geschehen (sog. Zerfallsketten oder Mutter-Tochter Beziehungen), bis ein stabiler Zustand erreicht ist. Wir kennen mehr als 3400 radioaktive Isotope, von denen etwa 900 Halbwertszeiten von mehr als einer Stunde haben. Schon sind wir bei zwei grundlegenden Maßeinheiten angekommen: Der Aktivität mit der Maßeinheit Becquerel Bq und der Lebensdauer mit der Halbwertszeit. Wenn ein Atomkern pro Sekunde zerfällt, bedeutet das eine Aktivität von 1Bq. Nicht mehr, aber auch nicht weniger. Es ist noch nichts über die Art der freigesetzten Strahlung ausgesagt oder über deren Energie und damit auch nichts über die biologische Wirksamkeit.

Das Becquerel [Bq] ist eine reine Stückzahl, die ohne die Angabe des Stoffes (z. B. Cäsium oder Jod) und des Ortes des Zerfalls (z. B. im Körper oder außerhalb) keine Aussage über irgendeine Gefährdung zuläßt.

An dieser Stelle ist auch besonders hervorzuheben, daß wir von zerfallenen Atomen pro Sekunde sprechen. Atome sind aber sehr klein, weswegen man zu gewaltig großen Zahlen kommt. Bis 1985 war deshalb die Einheit Curie [Ci] für die Aktivität gebräuchlich. Sie war von einem Gramm Radium-226 abgeleitet und entsprach 37 000 000 000 Zerfällen pro Sekunde. Schon an dieser Stelle wird deutlich, wie überzogen der japanische Grenzwert von 100 Bq/kg für Fisch nach dem Reaktorunglück von Fukushima war. Man hätte auch gleich sagen können, der Fisch enthält praktisch kein Cäsium (1 gr Cs-137 hat eine Aktivität von 3 215 000 000 000 Bq).

Geläufig – wir haben aus Erfahrung ein Gefühl dafür – sind uns die Einheiten kg oder Gramm. Heutige Waagen können (mit erheblichem Aufwand) noch Millionstel Gramm messen. Die Empfindlichkeit bei der Messung von Radioaktivität ist (recht einfach) noch um eine weitere Million empfindlicher. Radioaktive Quellen mit 10 bis 100 Bq sind schnell und einfach meßbar, obwohl es sich dabei um Stoffmengen von um die 0,000 000 000 000 01 Gramm handelt. Für die Angstindustrie ist das natürlich völlig unbrauchbar. Solche kleinen Mengen ergeben einfach keine Horrormeldung.

Die Strahlungsarten

Unter ionisierender Strahlung versteht man elektromagnetische Wellen sehr hoher Frequenz bzw. Teilchenstrahlung. Normalerweise enthalten Atome genau so viele Protonen (positive Ladung) im Kern, wie Elektronen (negative Ladung) in ihrer Hülle und sind somit elektrisch neutral.

Die technische Nutzung von ionisierender Strahlung begann 1895 mit der Entdeckung der Röntgenstrahlung.

Bei der Strahlung infolge des radioaktiven Zerfalls unterscheidet man im wesentlichen zwischen α- (Heliumkerne), β- (Elektronen) und γ-Strahlen. Die beiden Teilchenstrahlen sind elektrisch positiv bzw. negativ geladen. Insbesondere für die biologische Wirkung ist deren Eindringtiefe maßgebend. Die Heliumkerne der α-Strahlung können in Luft maximal 10 cm zurücklegen und in Wasser (menschliches Gewebe besteht hauptsächlich aus Wasser) wenig mehr als 0,1 mm. Das bedeutet für den Strahlenschutz, daß bereits normale Kleidung zur Abschirmung ausreicht. Umgekehrt gilt aber auch, daß innerhalb des Körpers die gesamte Energie auf kürzester Entfernung freigesetzt wird und lokal einen großen Schaden anrichten kann. Für die β-Strahlung gilt ähnliches. Auch für sie reicht normale Kleidung als Schutz aus.

Die Aufnahme radioaktiver Stoffe in den Körper (Essen, Trinken und Atemluft) ist möglichst zu vermeiden.

Bei der γ-Strahlung verhält sich die Sache etwas anders. Sie durchdringt mühelos den menschlichen Körper. Nur deswegen kann z. B. eine Kontamination im Körper von außen gemessen werden. Für γ-Strahlen verwendet man den Begriff der Halben-Weglänge: Das ist die Materialstärke, bei der die Strahlung nach der Schicht genau halb so groß ist, wie vor der Schicht. Diese halbe Weglänge ist vom Material und der Energie der Strahlung abhängig. Die Abschwächung verläuft exponentiell. Mit anderen Worten: Die Strahlung schwächt sich über den Weg sehr schnell ab, ist aber auch nach dicken Schichten immer noch nachweisbar. Für eine Energie von 0,662 MeV (γ-Strahlung von Cs-137) beträgt die Halbe-Weglänge in Wasser etwa 9 cm. Somit ist nach rund einem halben Meter (entsprechend fünf Halben-Weglängen) die Strahlung um 97% abgeklungen. Dies erklärt, warum das Wasser in einem Brennelementebecken so eine wirksame Abschirmung darstellt. Hat man wenig Platz, verwendet man Blei mit seiner hohen Dichte zur Abschirmung.

Die Energie der Strahlung

Neben der Art der Strahlung ist ihre Energie maßgeblich für die biologische Wirkung. Die Einheit für die Energie ist das Elektronenvolt [eV]. Sie ergibt sich aus der Beschleunigung eines Elektrons in einem Spannungsfeld von einem Volt. Um eine radioaktive Quelle in ihrer biologischen Wirkung zu beurteilen, braucht man folgende physikalischen Parameter:

Die Aktivität, gemessen in Zerfällen pro Sekunde [Bq] und die Halbwertszeit, die Art der ausgesendeten Strahlung (α-, β-, γ-Strahlung) und deren Energien.

Anschaulich werden diese Daten in einem sogenannten Zerfallsschema für jedes Isotop dargestellt. Dabei werden in einer Karte die Energien über den Ordnungszahlen aufgetragen. In der Praxis hat man es immer mit Gemischen von Isotopen zu tun. Dies ergibt sich schon aus den meist vorhandenen Zerfallsketten. Beispielsweise verläuft der Zerfall von Uran-238 in 14 Schritten bis zum stabilen Blei-206.

Wie die Strahlung absorbiert wird

Wenn Röntgenstrahlung oder die Strahlung aus dem radioaktiven Zerfall auf Atome und Moleküle trifft, entstehen Ionen oder angeregte Moleküle. Die Strahlung verliert dabei Energie. Für die biologische Wirkung ist nicht nur die Art und deren Energie der Strahlung von Bedeutung, sondern auch die „Materie“ des Lebewesens. Ein bekanntes Beispiel hierfür ist eine Röntgenaufnahme: Man erkennt ein Skelett. Die Strahlung ist stark genug (von hoher Energie), um den menschlichen Körper zu durchdringen, sonst wäre gar keine Aufnahme möglich. Die Absorption im Körper ist aber unterschiedlich: Es entsteht ein Schattenbild der Knochen (hohe Absorption wegen hoher Dichte) vor einem hellen Hintergrund (wenig Absorption im Gewebe, weshalb viel Strahlung durchkommt).

Auf ihrem Weg durch Materie reagiert die Strahlung mit den Atomen und Molekülen. In Bezug auf die biologische Wirkung ergeben sich sehr komplexe Zusammenhänge, die letztendlich auch noch über chemische Reaktionen Wirkung zeigen können. Stellvertretend soll hier nur die α-Strahlung etwas näher behandelt werden. Wenn ein Heliumkern – nichts anderes ist α-Strahlung – mit bis zu 11 MeV durch Gewebe schießt, kann er die Atome auf die er trifft ionisieren. Diese können dann selbst wieder Strahlung aussenden. Auf seinem Weg verliert er Energie, die er an die Atome abgegeben hat. Um die Sache noch komplizierter zu machen, geschieht das solange, bis er eine bestimmte Geschwindigkeit unterschreitet. An diesem Punkt angekommen, überträgt er seine gesamte Restenergie auf einen Schlag (Bragg peak). Dies macht man sich z. B. bei der Krebstherapie nutzbar. Man kann quasi gesundes Gewebe mit Ionen durchschießen, ohne großen Schaden anzurichten und setzt erst in der Krebszelle die vernichtende Energie frei.

Die Gamma-Strahlung

Sie ist von zentraler Bedeutung in der Kerntechnik, da sie sich recht einfach messen läßt, den menschlichen Körper auf jeden Fall durchdringt (sonst könnte man eine Inkorporation gar nicht feststellen) und sich nur aufwendig abschirmen läßt.

Die γ-Photonen besitzen Energien von 0,1 bis 3 MeV. Wichtig dabei ist, daß jedes Isotop γ-Photonen mit einer charakteristischen Energie bei seinem Zerfall aussendet. Mißt man die Energiespektren, erhält man die „Fingerabdrücke“ der enthaltenen Isotope. Dies ist Voraussetzung, um die biologische Wirkung und damit die Gefährdung überhaupt ermitteln zu können.

Die γ-Strahlung selbst, wirkt durch drei Effekte: Das γ-Photon überträgt seine Energie auf ein Elektron und ist damit verschwunden (Photoelektrischer Effekt), das γ-Photon schießt ein Elektron aus der Atomhülle und bewegt sich danach mit geringerer Energie in einer anderen Richtung weiter (Compton Effekt) oder es bilden sich zwei neue Teilchen: Elektron und Positron (Paarbildung). Der Photoelektrische Effekt tritt ein, wenn das γ-Photon nur eine eine geringe Energie hat. Dies ist mit maximal 100 keV der bevorzugte Bereich in der Diagnostik. Die Durchdringung dieser „weichen γ-Strahlung“ ist sehr von der Dichte (Knochen oder Kontrastmittel) abhängig. Erst oberhalb einer Energie von 100 keV kann der Compton-Effekt auftreten. Er hat durch die Bildung von Ionen auf jeden Fall eine biologische Wirkung. Für eine Paarbildung muß die Energie den Schwellwert von 1,02 MeV überschreiten.

Die Halbwertszeiten

Gängig ist die Physikalische-Halbwertszeit. Sie beträgt z. B. für Cäsium-137 etwa 30 Jahre. Das bedeutet, nach jeweils 30 Jahren ist nur noch die Hälfte des Startwertes vorhanden. Nach 60 Jahren noch 25%, nach 90 Jahren noch 12,5% usw. Cs-137 ist eine Leitsubstanz bei Reaktorunfällen wie in Tschernobyl und Fukushima. Es ist in relativ großen Mengen – ca. 6% der Kernspaltungen – entstanden, bis zum nächsten Brennelementewechsel entsprechend angesammelt worden und gasförmig und gut wasserlöslich. Es kann sich daher weiträumig ausbreiten und auch in großen Entfernungen punktförmig ausregnen.

Es gibt aber noch eine Biologische Halbwertszeit für jeden Stoff. Jedes Lebewesen nimmt zwar Stoffe mit der Nahrung aus der Umwelt auf, scheidet sie aber auch unterschiedlich schnell wieder aus. Wir trinken Wasser (eventuell tritiumhaltig), aber scheiden auch wieder große Mengen durch Schwitzen, Atmung und Ausscheidung aus. Wenn man keine neuen radioaktiven Stoffe aufnimmt, tritt schnell eine Verdünnung im Körper ein. Beim Menschen beträgt die biologische Halbwertszeit für Cs rund 70 Tage. Sie kann durch Medikamente noch weiter auf etwa 30 Tage gesenkt werden. Bei Schafen beträgt sie etwa zwei bis drei Wochen. Man hat nach Tschernobyl Schafe in Schottland vier Wochen vor der Schlachtung mit „sauberem Futter “ aus anderen Regionen gefüttert und so die Belastung im Fleisch auf unter 25% abgesenkt.

Aus der Summe (der Kehrwerte) der biologischen und physikalischen Halbwertszeiten wird die Effektive-Halbwertszeit gebildet. Zu allem Überdruss gibt es auch noch eine Ökologische-Halbwertszeit. Nach dem Reaktorunglück in Tschernobyl im April 1986 sind in Teilen von Norwegen durch Regenfälle 130 000 Bq pro Quadratmeter runter gegangen. Bis zum August stieg deshalb in einigen Seen die Belastung bei Forellen auf 7200 Bq/kg an. Sie wird seitdem kontinuierlich überwacht. Im Jahr 2008 war sie bereits wieder auf 150 Bq/kg abgesunken. In den ersten Jahren betrug die Ökologische-Halbwertszeit rund 3,6 Jahre. Sie ist seitdem angestiegen und hat sich inzwischen der physikalischen Halbwertszeit angenähert. So viel zum Thema Rückbesiedelung in den Sperrzonen. Natürlich bleiben die radioaktiven Stoffe nicht einfach liegen und warten auf ihren Zerfall, sondern werden ausgewaschen, dringen in tiefere Bodenschichten ein oder reagieren chemisch zu Verbindungen, die nicht mehr so einfach in die Nahrungskette aufgenommen werden. Andererseits können sie auch wieder aus diesen Depots freigesetzt werden. In einem See oder einer Wiese bildet sich ein Gleichgewichtszustand aus. Selbstverständlich ist Landwirtschaft in den „verseuchten Gebieten“ möglich. Man muß es nur richtig machen. Das Märchen von Für-Jahrtausende-Unbewohnbar ist einfach nur schlecht gemachte Propaganda.

Die Strahlungsdosis

Bisher haben wir uns nur mit der Aktivität in einem Feststoff [Bq/kg], einer Flüssigkeit [Bq/l] oder auch einer Fläche [Bq/m2] beschäftigt. Wie schon weiter oben erklärt, sagt das ohne weitere Kenntnis über die Isotopen und den Ort noch nichts aus. Für den Übergang auf die (biologische) Wirkung ist entscheidend, wieviel der ausgesendeten Energie auch vom Empfänger aufgenommen wird. Diese kann man einfach und direkt messen. Es handelt sich – bisher immer noch – um reine Physik. Die biologische Wirkung kommt später.

Heute verwendet man für die Dosis die Einheit Gray [1 Gy]. Sie ist aus dem SI-Einheitensystem abgeleitet und entspricht der sehr kleinen Energie von einem Joule pro Kilogramm [1J/kg] absorbierter Energie. Wenn man bedenkt, daß zur Erhöhung der Temperatur von einem Kilogramm Wasser um ein Grad, etwa 4200 Joule notwendig sind, wird auch diese Definition wieder zu großen Zahlen führen. Der nächste Scheinriese, der der Angstindustrie hilft.

1953 wurde die Einheit [rad] festgelegt. Sie beruhte noch auf dem damals gebräuchlichen Einheitensystem und wurde zu 100 [erg] pro Gramm festgelegt. Sie ist einfach – und genau – in die moderne Einheit [1 Gy] durch den Faktor 100 umzurechnen: 1 Gy entspricht 100 rad.

Eine Sonderstellung nimmt das Röntgen ein. Es ist über die Bildung von Ladungen in trockener Luft definiert. Ein Röntgen [1R] entspricht etwa 2,54 x 10-4. Coulomb pro kg in Luft erzeugter Ionen. Eine sehr unhandliche Einheit für den Strahlenschutz. Als Anhaltswert kann man sagen, daß ein Röntgen ungefähr 9,3 Milligray [mGy] in menschlichem Gewebe entspricht.

Relative biologische Wirksamkeit unterschiedlicher Strahlung (RBE)

Ab jetzt verlassen wir den sicheren Boden der Physik: Es wird biologisch – man könnte fast sagen, politisch. Es ist unbestritten, daß verschiedene Strahlungsformen auch bei gleicher Energie unterschiedliche biologische Wirkung zeigen. Ein Hauptgrund ist die (heute) beobachtbare Wirkung beim Beschuß von Zellen. Die α-Strahlung hinterläßt einen regelrechten Schußkanal in der Zelle, während die β- und γ-Strahlung eine eher räumlich gleich verteilte Wirkung zeigt. Man kann dieses Problem lösen, indem man für jede Strahlungsform einen Gewichtungsfaktor einführt.

Für die Endstufe von Strahlenschäden, den Zelltod, kann man einfache und reproduzierbare Versuche durchführen. Man bestrahlt eine Zellkultur mit Strahlung von bekannter Energie. Die lebenden Zellen werden vor und nach der Bestrahlung gezählt. Jeder Versuch wird in ein Diagramm mit der Dosis als Abszisse und dem Prozentsatz der überlebenden Zellen als Ordinate eingetragen. Jede Strahlungsart ergibt eine eigene charakteristische Kurve. Für jeden Wert der Ordinate (überlebende Zellen) ergeben sich nun mehrere verschiedene Werte auf der Abszisse (Dosis). Mit anderen Worten: Diese Wirkung der Strahlung (Zelltod) bei gleicher Dosis nimmt mit der Schwere der Ionen zu. Es werden nun RBE-Werte (Relative Biological Effectiveness) als Gewichtungsfaktoren bestimmt. Bezugsgröße ist die Kurve für Röntgenstrahlung.

Für das Verständnis ist wichtig, daß es sich bei den oben beschriebenen Versuchen zum Zelltod um einfach zu reproduzierende Experimente handelt. Eine tote Zelle ist einfach von einer lebenden Zelle zu unterscheiden. Wie sieht es aber mit (angeblichen) Erbschäden und mit Krebs aus? Krebs kann bis zum Ausbruch Jahrzehnte dauern, für Erbschäden müßten gar zig Generationen beobachtet werden. Experimente wären nicht reproduzierbar, weil die Umwelteinflüsse über so lange Zeiträume gar nicht konstant sein können.

Äquivalentdosis

Damit alle denkbaren Effekte erfaßt werden, hat man sich im International Committee on Radiation Protection (ICRP) auf eine Äquivalentdosis mit der Einheit [rem] bzw. Sievert [Sv] geeinigt. Sie wird aus der physikalischen Dosis – gemessen in Gray [Gy] – durch Multiplikation mit dimensionslosen Gewichtungsfaktoren werzeugt. Genau daraus ergibt sich die Gefahr der Verwechslung und Fehlinterpretation:

Die Äquivalentdosis – angegeben in Sievert [Sv ]– ist keine physikalische Größe und kann auch nicht gemessen werden, sondern ist eine rein rechnerische Größe. Sie wird aus der meßbaren Dosis mit ihrer Einheit Gray [Gy] über (politisch) festgelegte Gewichtungsfaktoren wR gebildet. Diese Gewichtungsfaktoren sollen die komplexen biologischen Verhältnisse des Menschen widerspiegeln. Es handelt sich lediglich um „Modellvereinfachungen“, wie sie auch aus anderen Bereichen bekannt sind. Sievert ist ungeeignet, die biologische Wirkung bei anderen Lebewesen zu beschreiben oder umgekehrt. Sie beruht auf der fragwürdigen LNT-Hypothese (kein Schwellwert, linearer Verlauf). Deshalb sind gerade kleine Werte mit großer Skepsis zu betrachten.

Lediglich bei einer reinen γ-Strahlung wäre eine Gleichsetzung von Sv mit Gy möglich, da hier der Gewichtungsfaktor 1 beträgt. Man sollte dies aber tunlichst vermeiden, da in der Praxis immer Isotopengemische mit allen möglichen Strahlungsarten auftreten. Wenn man z. B. wie Tepco, Strahlungswerte im Sicherheitsbehälter von Fukushima in Sievert angibt, ist das etwas irreführend. Man hat natürlich nur die γ-Strahlung in Gray gemessen. Die sicherlich vorhandene α-Strahlung (Gewichtungsfaktor 20) oder gar die vorhandenen Neutronen (energieabhängiger Gewichtungsfaktor 5 bis 20) sind mit Sicherheit nicht mit ihrem Äquivalent korrigiert worden.

Effektive Dosis

In manchen Fällen werden nur einzelne Organe des menschlichen Körpers belastet. Klassiker ist die Belastung der Lunge und Bronchien durch Radon und seine Zerfallsprodukte. Verschiedene Organe und Gewebe haben eine unterschiedliche Empfindlichkeit bezüglich sog. „Verzögerter Effekte“. Krebs ist ein solcher Effekt, der oft viele Jahre braucht, bis er nachweisbar ist. Um dafür das Risiko vergleichbar zu machen, wird eine Effektive Dosis gebildet.

Wenn in einem bestimmten Teil des menschlichen Körpers eine Dosis wirkt, ergibt sich das Risiko einer bestimmten Wirkung (z. B. Lungenkrebs). Wirkt die gleiche Dosis auf ein anderes Körperteil, ergibt sich ein anderes Risiko. Für jedes Organ – oder besser gesagt Gewebetyp – ergibt sich nun ein Gewichtungsfaktor wT. Daraus ergibt sich schließlich die Effektive Dosis, meist kurz als Dosis bezeichnet.

Die in Gy gemessene Energie einer Strahlung die vom Gewebe aufgenommen wird, wird gemäß ihres Typs (z. B. γ- oder α-Strahlung) in eine äquivalente Strahlung mit der Einheit Sv umgerechnet. Die Äquivalentdosis darf nur die Einheit Sv tragen, da sie eine fiktive Größe ist, die die unterschiedliche biologische Wirkung der Strahlungsarten berücksichtigen soll. Nur im Sonderfall (beispielsweise reiner γ-Strahlung) sind die Zahlenwerte von Gy und Sv gleich setzbar, da sie beide – per Definition – den gleichen Gewichtungsfaktor 1 haben. Trotzdem handelt es sich bei der Einheit Gy [J/kg] um eine physikalische Größe und bei der Einheit Sv um eine fiktive Einheit, die biologische Wirkungen beim Menschen charakterisieren soll. Die Effektivdosis erhält man erst, wenn man für jedes belastete Organ eine weitere Gewichtung vornimmt. Unterstellt man weiterhin einen linearen Verlauf, ohne Schwellwert (LNT) der Dosis-Wirkungsbeziehung, kann man diese Einzelwerte einfach addieren und erhält daraus die Ganzköperdosis, die in der Öffentlichkeit gern als die Dosis bezeichnet wird.

Das ICRP hat dafür ein Modell eines Menschen erschaffen, das aus 14 Organen bzw. Gewebetypen und einem „Rest“ besteht. Der „Rest“ dient zur Unterscheidung von Mann und Frau mit Prostata bzw. Gebärmutter. Die Summe aller 15 Gewichtungsfaktoren wT ergibt 100%.

Die Kollektivdosis

Die Kollektivdosis ist die Summe aller individuellen Dosen in einer Gruppe. Meist wird sie als Produkt einer mittleren Dosis und der Anzahl der Personen gebildet. Ihre Einheit ist das Person Sievert [person-Sv] oder Man-Sievert [man-Sv] bzw. in älteren Veröffentlichungen das Man-Rem [man-rem].

Die Kollektivdosis ergibt in Verbindung mit der LNT-Hypothese absurde Ergebnisse. So sollte z. B. das Reaktorunglück von Tschernobyl über 14000 Tote verursachen. Nichts, aber auch rein gar nichts, konnte bis heute – mehr als 30 Jahre später – davon nachgewiesen werden. Genauso wenig, wie die prognostizierten Spätfolgen von Hiroshima und Nagasaki. Das hielt aber die einschlägigen Propagandaabteilungen der Angstindustrie nicht davon ab, ähnlich blödsinnige Vorhersagen für das Reaktorunglück in Fukushima zu treffen.

Zumindest in den letzten 20 Jahren konnte die Forschung zahlreiche Reperaturmechanismen für die DNA nachweisen, den programmierten Zelltod (Apoptose) erklären und die positive Wirkung kleiner Dosen (adaptive response) als Fortschritt in der Strahlentherapie anwenden.

Nachbemerkung

Ein Schelm, wer bei „Menschenmodellen“ an „Klimamodelle“ denkt, bei Sv an „menschengemachtes CO2“ und bei „Reaktorkatastrophen“ an „Erderwärmung“ – auf zehntel Grad genau berechnet, versteht sich.

Allerdings sind Ähnlichkeiten zwischen dem International Committee on Radiation Protection (ICRP) und dem Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) alles andere als zufällig: Beide Organisationen halten regelmäßig Kongresse mit wunderbaren Dienstreisen ab. Bei beiden sind in Öffentlichkeitsarbeit geschulte Funktionäre tonangebend. Hinter beiden steht eine milliardenschwere Industrie, die gut auf Kosten der Allgemeinheit lebt.

Allerdings glaube ich immer noch an die Kraft der Aufklärung. Mag es auch lange dauern. Die katholische Kirche brauchte immerhin bis 1992, bis sie in der Lage war Galileo Galilei zu rehabilitieren. Möge es Gott geben, daß der Ökosozialismus gar nicht so alt wird. Es wäre schön, wenn dieser Artikel einen kleinen Beitrag dazu leisten könnte. Steter Tropfen höhlt den Stein.

Was ist eigentlich Atommüll?

Wenn man sich z.B. mit dem Thema Endlagerung beschäftigen will, ist es sinnvoll zu wissen, was „Atommüll“ eigentlich ist und wie er entsteht.

Alles entsteht im Reaktor

Im Reaktor eines Kernkraftwerks werden Atomkerne gespalten. Dies ist sein Sinn. Um Wärme-Leistungen von mehreren Gigawatt (GWth.) in einem so kleinen Behälter zu erzeugen, sind gewaltige Flüsse von Neutronen notwendig. Die Neutronen entstehen überwiegend bei den Spaltungen und lösen weitere Spaltungen aus. Eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion. Sie läuft solange weiter, bis zu viel „Spaltstoff“ verbraucht wurde. Der Brennstoff muß erneuert werden, d. h. die „abgebrannten Brennelemente“ (spent fuel) müssen durch frische ersetzt werden.

Auf ihrem Weg von einer Spaltung zu einem weiteren spaltbaren Kern, treffen die meisten Neutronen auch auf andere Atomkerne. Das sind all die anderen Materialien, aus denen der Reaktor besteht: Brennstabhüllen, Wasser, Regelstäbe, Einbauten im Reaktor, das Reaktorgefäß selbst etc. Nun kann es passieren, daß sie nicht nur mit einem Atomkern zusammenstoßen und wieder abprallen – gestreut werden – sondern von diesem dauerhaft eingefangen werden. Es entsteht ein neues chemischen Element oder ein Isotop. Man nennt das Aktivierung, da diese neu erschaffene Elemente radioaktiv sind.

Bewegen sich solche radioaktiven Stoffe durch das Kernkraftwerk, können sie Bauteile, Werkzeuge etc. kontaminieren. Kontaminierung und Aktivierung werden oft miteinander verwechselt: Kontaminierte Gegenstände bleiben unverändert, sie werden nur mit radioaktiven Stoffen verunreinigt. Sie können auch wieder gereinigt werde. Die Reinigung kann aber so aufwendig und damit kostenintensiv sein, daß es billiger ist, das Teil als „Atommüll“ zu deklarieren und einfach komplett wegzuwerfen.

Unterschiedliche Formen der Strahlung

Man unterscheidet γ-Strahlung, β-Strahlung (Elektronen) und α-Strahlung (Helium-Kern). Die beiden letzten können kaum Materie durchdringen. Für γ-Strahlung gilt: Eine Abschirmung aus möglichst dichtem Material (z. B. Blei) und schlichtweg Abstand einhalten. Jedenfalls reicht in einem Brennelemente-Lagerbecken die Wassertiefe als Abschirmung vollkommen aus. Es wäre gefahrlos möglich, in einem solchen Becken zu schwimmen.

Aus vorgenannten Gründen reicht meist ganz normale Schutzkleidung – bestehend aus Atemschutz, Schutzanzug, Handschuhen und Brille – beim Umgang mit Atommüll aus. Solange man radioaktive Stoffe nicht in seinen Körper aufnimmt, ist Atommüll relativ harmlos. Umgekehrt gilt, wenn man Atommüll sicher einschließt, ist der Umgang ohne Schutzkleidung möglich. Typisches Beispiel ist der Castor-Behälter: Seine dicken Stahlwände, spezielle Neutronenabsorber und sein gasdichter Verschluß machen auch die Handhabung stark strahlender Brennelemente gefahrlos möglich.

Die Dosis macht das Gift

Wie bei allen anderen Stoffen auch, ist die biologische Wirkung von Strahlung immer von der Dosis abhängig. Schon die Erfahrung mit dem Sonnenlicht macht diesen Zusammenhang deutlich: Ein wenig Sonne ist belebend (z. B. Bildung von Vitamin D), zu viel davon, erzeugt einen Sonnenbrand mit der Zerstörung von Hautschichten. Zuviel und häufige Strahlung kann sogar Hautkrebs erzeugen.

Der menschliche Körper verfügt über zahlreiche Reparaturmechanismen. Wäre das nicht so, hätte es überhaupt kein Leben auf der Erde geben können, denn die Strahlung war vor Millionen von Jahren noch wesentlich höher als heute. Jedenfalls ist die Vorstellung, schon ein einziges Plutonium-Atom könnte Krebs auslösen oder gar vererbbare Genveränderungen, ein Hirngespinst, das nur zur Erzeugung von Angst dienen soll. Wäre Radioaktivität tatsächlich so gefährlich, dürften wir nichts essen und trinken. Es gibt Mineralwässer, die enthalten mehr radioaktive Stoffe, als das Wasser in einem Brennelemente-Lagerbecken oder gar das Kondensat in einem Kernkraftwerk. Wir dürften keine Bananen oder Tomatenmark essen, denn die enthalten radioaktives Kalium. Unsere Bauern dürften vor allem keinen mineralischen Dünger aufs Land streuen, denn der enthält beträchtliche Mengen Uran, der ihre Felder im Laufe der Zeit zu „Atommüll-Deponien“ macht.

Es gibt heute umfangreiche Tabellen, die angeben, wieviel man von einem Stoff ohne Krankheitsrisiko zu sich nehmen kann. In diesen Tabellen ist noch ein weiterer Zusammenhang berücksichtigt, die sog. biologische Halbwertszeit. Es ist z. B. ein Unterschied, ob man radioaktives Wasser trinkt, welches ständig aus dem Körper ausgeschieden wird und durch frisches Wasser ersetzt wird oder radioaktives Strontium, welches gern in Knochen eingelagert wird und dort für Jahrzehnte verbleiben kann.

Konzentration oder Verdünnung

Beim Umgang mit „Atommüll“ spielen die Begriffe Verdünnung und Konzentration eine große Rolle. Im Sinne einer biologischen Wirksamkeit ist eine Verdünnung – wie bei jedem anderen Gift auch – eine bedeutende Schutzmaßnahme. Im Prinzip kann man jeden Stoff soweit verdünnen und damit unschädlich machen, daß er Trinkwasser oder Nahrungsmittelqualität besitzt. Deshalb besitzt z. B. jedes Kernkraftwerk einen hohen Abluftkamin. Radioaktive Abgase werden ordentlich verdünnt, bevor sie aus großer Höhe wieder auf den Boden gelangen oder von Menschen eingeatmet werden können.

Das Prinzip der Verdünnung, war bis in die 1960er Jahre der bestimmende Gedanke bei der Abgabe radioaktiver Stoffe ins Meer. Allerdings war von Anfang an klar, daß man durch die beständige Abgabe ins Meer, die Konzentration radioaktiver Stoffe dort erhöhen würde. Man vollzog deshalb eine 180-Grad-Wende: Von nun an war die Aufkonzentrierung das Mittel der Wahl. Bis aktuell in Fukushima. Dort dampft man radioaktives Wasser ein, welches nahezu Trinkwasserqualität hat, um auch geringste Mengen radioaktiver Stoffe vom Meer fern zu halten. Vom naturwissenschaftlichen Standpunkt aus betrachtet, schlicht Irrsinn. Aber zugegeben ein Irrsinn, mit dem sich trefflich Geld verdienen läßt und man am Ende auch noch behaupten kann, Kernenergie sei schlicht zu teuer.

Allerdings muß man an dieser Stelle festhalten, daß die Kerntechnik der erste Industriezweig ist, der versucht, Schadstoffe konsequent aus der Umwelt fern zu halten. Gleiches kann man von der Chemie oder den fossilen Energieverwendern (international) noch lange nicht behaupten.

Spent fuel

Nach einiger Zeit im Reaktor, ist jedes Brennelement „abgebrannt“. Es muß deshalb entfernt werden und durch ein neues ersetzt werden. Die frisch entnommenen Brennelemente strahlen so stark, daß man sie nur unter Wasser handhaben kann. Würde man sie nicht kühlen, könnten sie sogar schmelzen oder zumindest glühen. Dies hat zwei Ursachen:

  • Alle Spaltprodukte sind radioaktiv. Die Strahlung wandelt sich beim Kontakt mit Materie in Wärmeenergie um. Letztendlich wandeln sich die Spaltprodukte in stabile (nicht radioaktive) Kerne um. Dies geschieht jedoch meist nicht in einem Schritt, sondern in mehreren Schritten. Dabei können sogar chemisch unterschiedliche Elemente entstehen. Jede Stufe sendet die ihr eigene Strahlung mit ihrer charakteristischen Energie aus.
  • Der radioaktive Zerfall ist im Einzelfall rein zufällig und durch nichts zu beeinflussen. Betrachtet man aber eine sehr große Anzahl von Atomen eines bestimmten Stoffes, kann man sehr wohl eine sog. Zerfallskonstante ermitteln. Für den praktischen Gebrauch hat sich die sog. Halbwertszeit eingebürgert: Das ist die Zeitdauer, nach der genau die Hälfte der ursprünglichen Menge zerfallen ist. Für den Umgang mit Atommüll ergibt das eine wichtige Konsequenz: Stoffe, die eine geringe Halbwertszeit haben, sind schnell zerfallen. Wegen ihrer hohen Zerfallsrate senden sie aber auch sehr viel Strahlung pro Zeiteinheit aus.

Für abgebrannte Brennelemente ergibt sich daraus der übliche Zyklus: Erst werden sie in ein tiefes Becken mit Wasser gestellt. Das Wasser dient dabei zur Abschirmung der Strahlung und als Kühlmittel. Nach ein paar Jahren ist bereits so viel radioaktives Material zerfallen, daß man die Brennelemente in trockene Behälter (z. B. Castoren) umlagern kann. Es beginnt die beliebig ausdehnbare Phase der „Zwischenlagerung“.

Wiederaufbereitung

Ein abgebranntes – und damit nicht mehr nutzbares – Brennelement eines Leichtwasserreaktors, besteht nur zu rund 4% aus Spaltprodukten – quasi der nuklearen Asche – aber immer noch aus dem Uran und einigem neu gebildeten Plutonium. Uran und Plutonium können weiterhin zur Energieerzeugung genutzt werden.

Vom Standpunkt der Abfallbehandlung ergibt eine Wiederaufbereitung deshalb eine Verringerung des hochaktiven Abfalls (gemeint ist damit das abgebrannte Brennelement) um den Faktor Zwanzig, wenn man die Spaltprodukte abtrennt.

Man dreht aber damit auch gleichzeitig an der Stellschraube „Zeitdauer der Gefahr“. Der radioaktive Zerfall verläuft nach einer e-Funktion. D. h. zu Anfang nimmt die Menge stark ab, schleicht sich aber nur sehr langsam dem Grenzwert „alles-ist-weg“ an. In diesem Sinne tritt die Halbwertszeit wieder hervor. Plutonium-239 z. B., hat eine Halbwertszeit von über 24.000 Jahren. Man muß also mehr als 250.000 Jahre warten, bis nur noch ein Tausendstel der ursprünglichen Menge vorhanden wäre. Geht man von einem Anfangsgehalt von 1% Plutonium in den Brennstäben aus, sind das immer noch 10 Gramm pro Tonne. Nach den berühmten eine Million Jahren, beträgt die Konzentration etwa zwei Nanogramm pro Tonne. Auch nicht die Welt. Gleichwohl senkt das Abscheiden von Uran und Plutonium den Gefährdungszeitraum ganz beträchtlich.

Die Spaltprodukte sind im Wesentlichen nach maximal 300 Jahren zerfallen. Das „radioaktive Glas“ für die Endlagerung strahlt dann nur wenig mehr als ein gehaltvolles Uranerz wie z. B. Pechblende, aus dem Madame Curie einst das Radium chemisch extrahiert hat.

Eine Wiederaufbereitung erzeugt keinen zusätzlichen Atommüll, sondern ist ein rein chemisches Verfahren. Atommüll wird nur in Reaktoren „erzeugt“. Richtig ist allerdings, daß die Anlage und alle verwendeten Hilfsstoffe mit Spaltprodukten etc. verschmutzt werden. Heute wirft man solche kontaminierten Teile nicht mehr einfach weg, sondern reinigt bzw. verbrennt sie.

Die minoren Aktinoide

Heute werden die minoren Aktinoide (Neptunium, Americium, Curium, Berkelium, Californium) ebenfalls noch als Abfall betrachtet und in der Spaltproduktlösung belassen. Sie sind für die Strahlung nach 300 Jahren wesentlich verantwortlich. Dies ist eine Kostenfrage, da sie sich nur sehr aufwendig aus einer Spaltproduktlösung abtrennen lassen.

Sie bilden sich im Reaktor, weil nicht jedes eingefangene Neutron auch zu einer Spaltung führt. Je länger der Brennstoff im Reaktor verbleibt, um so weiter kann der Aufbau fortschreiten: aus Uran-235 wird Uran-236 und daraus Uran-237 gebildet bzw. aus Plutonium-239, Plutonium-240 usw.

Setzt man Uran und Plutonium aus der Wiederaufbereitung erneut in Leichtwasserreaktoren ein, verlängert sich quasi die Verweilzeit und die Menge der minoren Aktinoide im Abfall nimmt entsprechend zu. So geht man heute davon aus, Mischoxide aus Uran und Plutonium nur einmal in Leichtwasserreaktoren zu verwenden.

Grundlegend Abhilfe können hier nur Reaktoren mit schnellem Neutronenspektrum leisten. Will man ganz bewußt Plutonium „verbrennen“, um den ständig wachsenden Bestand auf der Welt zu verringern, bleibt nur der Einsatz solcher Reaktoren (z. B. der Typ PRISM) übrig. Reaktoren mit Wasser als Moderator sind viel zu gute „Brüter“. Handelsübliche Leichtwasserreaktoren haben eine sog. Konversionsrate von 0,6. Mit anderen Worten: Wenn man zehn Kerne spaltet, erzeugt man dabei automatisch sechs neue spaltbare Kerne – hauptsächlich durch Umwandlung von Uran-238 in Plutonium-239. Wenn man also reines Mischoxid einsetzt, hat man immer noch 0,6 x 0,6 = 36% der ursprünglichen Plutonium-Menge. Zum Überdruss auch noch in einer unangenehmeren Isotopenzusammensetzung. Keine besonders wirksame Methode, wenn man die Plutoniumvorräte auf der Welt drastisch verringern will. Völlig absurd in diesem Sinne, ist die Endlagerung kompletter Brennelemente, wie das in Deutschland geschehen soll. Bei dieser Methode sind die Anforderungen an ein Endlager am höchsten.

An dieser Stelle soll Thorium nicht unerwähnt bleiben. Thorium erzeugt den kurzlebigsten Abfall, da der Weg ausgehend von Uran-233 sehr viel länger als von Uran-238 ist und über das gut spaltbare Uran-235 führt. Ein Thorium-Reaktor erzeugt kaum minore Aktinoide, sondern hauptsächlich kurzlebige Spaltprodukte.

Der deutsche Sonderweg

Ursprünglich sind wir in Deutschland auch von einer Wiederaufbereitung der Brennelemente ausgegangen. Wir haben sogar rund 7.000 to in Frankreich und England aufbereiten lassen. Der hochaktive Müll – bestehend aus in Glas gelösten Spaltprodukten und minoren Aktinoiden – wird und wurde bereits nach Deutschland zurückgeliefert. Es werden etwa 3.600 solcher Kokillen in Deutschland in ungefähr 130 Castoren (28 Kokillen pro Castor ) „zwischengelagert“. Bis zum geplanten Ausstieg im Jahre 2022 werden noch etwa 10.000 to Brennelemente hinzugekommen sein.

Die Umstellung von Wiederaufbereitung zu direkter Endlagerung ist ein politischer Geniestreich Rot/Grüner-Ideologen gewesen: Deutschland hat nun das künstlich erschaffene Problem, ein – oder gar zwei – Endlager für zwei verschiedene hochaktive Abfallsorten zu erfinden. Beide von (wirtschaftlich) geringer Menge. Die verglasten Abfälle aus der Wiederaufbereitung sind ziemlich unempfindlich gegenüber Wasser (lediglich Auslaugung) und erfordern einen sicheren Einschluß für lediglich ca. 10.000 Jahre. Direkt eingelagerte Brennelemente müssen wegen ihres Gehalts an Spaltstoff (Uran und Plutonium) sicher vor Wassereinbrüchen geschützt sein, um einen Kritikalitätsunfall zu verhindern. Die schwedische Methode der Kupferbehälter mag ein Hinweis in diese Richtung sein. Teuerer geht nimmer, aber das ist ja auch Programm, damit die Behauptung der „teueren Kernenergie“ erfüllt werden kann. Zu allem Überdruss muß der sichere Einschluß auf diesem Weg für mindestens 200.000 Jahre erfolgen (Faktor 20!), um auf eine gleiche Gefährdung zu kommen. Aber auch das ist ja ausdrücklich gewollt, um die Angstindustrie kräftig anzuheizen.

Der LFTR – ein Reaktor mit Salzbad

Immer massiver wird für ein völlig neuartiges Reaktorkonzept geworben, den Liquid-Fluorid Thorium Reactor (LFTR). Dieses Konzept bricht radikal mit den Prinzipien der heutigen Leichtwasserreaktoren: Thorium in der Form als Salz für Brennstoff und Kühlmittel und integrierte Wiederaufbereitung.

Warum Thorium?

Thorium und Uran sind die einzigen in der Natur vorkommenden Elemente zur Gewinnung von Energie durch Kernspaltung. Thorium kommt etwa vier mal häufiger vor und ist wesentlich gleichmäßiger verteilt. Es gibt bereits große Mengen als Abfall aus der Gewinnung seltener Erden. In Indien und Brasilien gibt es ganze Strände, die aus thoriumhaltigem Sand bestehen. Eine verlockende zusätzliche und nahezu unerschöpfliche Energiequelle. Uran und Thorium zusammen, könnten den gesamten Energieverbrauch der Menschheit mindestens für Jahrtausende decken.

Aus Thorium läßt sich – anders als aus natürlichem Uran – kein Reaktor mit einer sich selbst erhaltenden Kettenreaktion bauen. Man muß das Thorium zuerst in Uran umwandeln. Dieser „Brutprozess“ soll in in dem LFTR-Reaktor integriert werden. Um eine optimale Ausbeute zu erhalten, soll es jeweils einen „Brutkreislauf“ (in dem Thorium in Uran umgewandelt wird) und einen „Spaltkreislauf“ (in dem die gewünschte Energieerzeugung stattfindet) in dem Reaktor geben. Wenn ein Thorium-232-Kern ein Neutron einfängt, bildet sich Thorium-233. Dieses zerfällt mit einer Halbwertszeit von knapp 22 Minuten in Protactinium-233 und anschließend erst mit einer Halbwertszeit von 27 Tagen in Uran-233. Mit anderen Worten, erst nach rund einem Jahr ist die (nahezu vollständige) Umwandlung von Thorium in ein brauchbares Spaltmaterial erfolgt. In dieser Zeit, sollten die Zwischenprodukte keinen weiteren Neutronen ausgesetzt sein, da sich sonst unerwünschte Elemente bilden könnten.

Thorium hat im Gegensatz zu Uran nur etwa 232 anstelle von 238 Protonen und Neutronen in seinem Kern. Da immer nur ein Neutron eingefangen werden kann, dauert es bei Thorium wesentlich länger und ist wesentlich unwahrscheinlicher, bis sich „überschwere“ Kerne gebildet haben. Genau diese Kerne (z. B. Plutonium, Americium, Curium usw.) sind aber für die Langlebigkeit von „Atommüll“ verantwortlich. Entstehen sie erst gar nicht, ist der „Atommüll“ relativ harmlos und seine technische Lagerung bis zum (nahezu) vollständigen Zerfall reduziert sich auf Jahrzehnte bis Jahrhunderte.

Warum Salzschmelze als Betriebsmittel?

Man kann Thorium auch in anderen Reaktorkonzepten (Kugelhaufen-, Schwerwasserreaktoren etc.) nutzen. Umgekehrt kann man auch bei Salzschmelzen Uran oder Plutonium einsetzen. Es muß also noch andere Gründe geben.

Ein Alleinstellungsmerkmal des LFTR ist die integrierte Wiederaufbereitung. Nur bei der ersten Beladung muß Spaltstoff aus anderen Quellen hinzugefügt werden. Ist der Reaktor erst einmal im Gleichgewicht, wird nur noch Thorium dem Brutkreislauf hinzugefügt und Spaltstoffe aus dem Spaltungskreislauf abgezogen. Wegen der geringen Mengen wird eine Lagerung auf dem Gelände des Kraftwerks vorgeschlagen. Später kann dann über eine etwaige Endlagerung entschieden werden. Da die Spaltstoffe recht kurzlebig sind und (langlebige) Aktinoide praktisch nicht im Abfall vorhanden sind, erscheint eine industrielle Nutzung (Abklingzeit je nach Verwendungszweck) eher wahrscheinlich.

Grundsätzlich kann man den Brennstoff in fester Form in Brennelemente einschließen oder in einer Flüssigkeit auflösen. Im ersten Fall müssen die Brennelemente durch eine Flüssigkeit oder ein Gas gekühlt werden. Im zweiten Fall erhitzt sich die Flüssigkeit infolge der Kernspaltung und kann durch einen Wärmeübertrager gepumpt werden, in dem sie ihre Energie an ein Arbeitsmedium bzw. ein Kühlmittel abgibt. So gesehen, besteht kein großer Unterschied zwischen beiden Systemen. Bei Brennelementen muß der gesamte Spaltstoff für die gesamte Betriebszeit des Brennelementes schon am Anfang in dieses eingebracht werden (Überschußreaktivität) und umgekehrt enthalten sie beim Ausladen alle Spaltprodukte der vollständigen Betriebsdauer. Bei flüssigem Brennstoff kann dieser kontinuierlich gereinigt werden. Bei einem schweren Störfall (z. B. Fukushima) braucht man auch nur von der Freisetzung einer kleinen Menge auszugehen. Das kann einen entscheidenden Sicherheitsgewinn bedeuten.

Mit Salzschmelzen kann man hohe Temperaturen erreichen und bleibt trotzdem auch bei geringem Druck noch weit vom Siedepunkt entfernt. Die oft als Argument angegebene „Drucklosigkeit“ ist aber etwas übertrieben. Schließlich muß das Salz beständig durch die (engen) Kanäle des Kerns hindurch gepumpt werden. Der Druckverlust ist erheblich, sodaß man beim LFTR von einem erforderlichen Druck hinter der Pumpe von 11 bar ausgeht.

Fluoride als Salz für Brennstoff und Brutstoff

Als besonders geeignet hat sich ein Salz der Zusammensetzung 2*LiF2 – BeF2 – XF4 herausgestellt. Lithium (Li) und Beryllium (Be) bilden das Grundgerüst, in dem Uran-233 (X) bzw. Thorium-232 (X) in der erforderlichen Menge gelöst sind. Diese Stoffe sind nicht ganz unproblematisch:

  • Lithium kommt in der Natur in den Isotopen Li-6 (7,4%) und Li-7 (92,6%) vor. Li-6 ist ein starkes Neutronengift. Wenn es ein Neutron einfängt, bildet sich radioaktives Tritium. Es kann als Wasserstoff explosive Gase bilden, die nach der Reaktion mit Sauerstoff zu „radioaktivem“ Wasser führen. Alles unerfreuliche Nebeneffekte. Man verwendet daher abgereichertes Lithium, das aber recht teuer ist.
  • Beryllium und auch Berylliumfluorid sind sehr giftig und werden als krebserregend eingestuft. Wenn es ein Neutron einfängt, bildet es Helium und setzt dabei zwei Neutronen frei. Es wirkt dabei sowohl als Moderator, wie auch als Neutronenvervielfacher.
  • Fluor und Fluorwasserstoff sind gasförmig und sehr giftig. Fluor ist äußerst reaktionsfreudig und geht mit fast allen Elementen stabile chemische Verbindungen ein. Mit Wasserstoff reagiert es letztendlich zu Flußsäure, die sogar Glas ätzt.

Die Lithium-Beryllium-Salze sind zwar chemisch sehr beständig, haben einen hohen Verdampfungspunkt und man hat vielfache praktische Erfahrungen mit ihnen in der chemischen Industrie. In einem Kernreaktor ist aber besonders, daß mit jeder Kernspaltung auch die chemische Verbindung zerstört wird und neue chemische Elemente in Form der Spaltprodukte entstehen. Man hat es deshalb stets auch mit elementarem Fluor zu tun, der auch gern mit dem Strukturmaterial reagieren kann. Ferner muß man für die Wiederaufbereitung ständig mit Fluor und Beryllium umgehen, um neues „Brennstoff- und Brutsalz“ zu bilden. Ähnliches gilt am anderen Ende des Prozesses bei der Abscheidung der Spaltprodukte. Hier muß noch eine Menge Entwicklungsarbeit geleistet werden und unbedingt Erfahrungen bei einer großtechnischen Anwendung im Alltagsbetrieb gewonnen werden.

Da Fluoride sehr reaktionsfreudig sind, reagieren sie auch mit dem größten Teil der Spaltprodukte und binden diese sicher ein. Es gibt aber zwei Ausnahmen: Edelmetalle und Edelgase. Die Edelmetalle lagern sich innerhalb der Anlage ab und führen zu „Verschmutzungen“, die man regelmäßig und aufwendig wird entfernen müssen. Die Edelgase müssen durch Helium ständig aus dem Salz herausgespült werden.

Der Aufbau des LFTR-Kraftwerks

Aus Thorium läßt sich sehr gut Uran-233 mit thermischen Neutronen erbrüten. Für die Spaltung sind thermische Neutronen ohnehin besser geeignet. Da selbst das enthaltene Beryllium nicht zur entsprechenden Abbremsung ausreicht, ist Kohlenstoff als Moderator vorgesehen. Damit kommt man zu der bekannten Struktur aus Graphitblöcken, die von Kanälen für die Salze und Einbauten durchzogen sind. Ein Bauprinzip, das schon bei den englischen Gasreaktoren und den russischen Reaktoren vom „Typ Tschernobyl“ nicht unbedingt überzeugt hat. Das Graphit wird von der Salzschmelze lediglich benetzt. Nach kurzer Zeit werden die Poren des Graphits vom Salz so verstopft, daß keine Spaltprodukte in das Graphit einziehen. Graphit verändert jedoch durch den Neutronenbeschuß seine Geometrie. Infolge der jahrzehntelangen Erfahrungen mit gasgekühlten Reaktoren in GB kann man dieses Phänomen inzwischen gut vorausberechnen und beherrschen.

Wegen der bereits beschriebenen Reaktionskette: Thorium über Protactinium zu Uran-233, hält man Brutstoff (sog. blanket salt) und Brennstoff (sog. fuel salt) fein säuberlich in zwei Flüssigkeitskreisläufen getrennt. Man will aus dem Thorium möglichst reines Uran-233 erbrüten. Insofern macht es keinen Sinn, das Protactinium oder das Uran-233 weiterem Neutronenbeschuß auszusetzen. Der Brutkreislauf soll keine Wärme produzieren, die Spaltung soll erst im Brennstoffkreislauf stattfinden. Gleichwohl setzt der Zerfall des Th-233 (geringe Halbwertszeit von 22 Minuten) beträchtliche Energie frei und es läßt sich nicht chemisch abtrennen. Der Brutkreislauf muß deshalb über eine geeignete Notkühlung verfügen.

Wegen der Trennung zwischen Brut- und Spaltkreislauf ergibt sich eine recht komplexe Reaktivitätssteuerung. Man kann die Reaktivität erhöhen, indem man die Urankonzentration im Spaltkreislauf erhöht. Dies kann zwar nur langsam, aber kontinuierlich geschehen. Der Brutkreislauf „verschluckt“ laufend Neutronen, wodurch er wie ein großer Regelstab wirkt. Deshalb ist bei diesem Reaktorkonzept der Verlust der Salzschmelze im Brutbereich, ein wichtiger Auslegungsstörfall. Zur Feinregulierung und Schnellabschaltung sind zusätzliche Regelstäbe notwendig. Diese sollen auf den Salzschmelzen schwimmen, sodaß sie bei einem Leck automatisch in den Reaktor einsinken. Weiterhin sind auch mit Gas gefüllte Kanäle zur Regelung vorgesehen. Über den Gasdruck kann damit das Salzvolumen und damit die Reaktivität gesteuert werden.

Der gesamte Kern, mit all seinen Einbauten befindet sich in einem Tank aus Hastelloy N. Einer Legierung die zu 94% aus Nickel, Chrom und Molybdän besteht. Diese Legierung wurde an den Oak Ridge National Laboratories für den Einsatz bei Fluorsalzen entwickelt. Dies dürfte der Werkstoff der Wahl für solche Reaktoren sein, da heiße Fluorsalze sehr korrosiv wirken können.

Die Salzschmelze wird permanent durch den Reaktor und einen Wärmeübertrager gepumpt. Im Kern werden die Neutronen im Graphit abgebremst. Nur hier, in diesem Bereich, kann eine selbsterhaltende Kettenreaktion stattfinden. Durch die Kernspaltungen erwärmt sich das Salz entsprechend. Diese Wärme wird in dem Wärmeübertrager an das Salz des Sekundärkreislaufes übertragen. Der Primärkreislauf ist durch einen gefrorenen Pfropfen in der Leitung zu dem Sicherheits-Lagertank getrennt. Dieser Pfropfen wird im Betrieb ständig gekühlt. Tritt eine Überhitzung im Reaktor ein, schmilzt er und gibt dadurch den Weg in den Tank frei. Im Tank bricht die Kettenreaktion sofort zusammen. Hier entsteht nur noch die Nachzerfallswärme, die wegen der permanenten Aufbereitung viel geringer als in herkömmlichen Leichtwasserreaktoren ist. Sie kann leicht über (z. B.) die Oberfläche des Tanks an die Umgebung abgegeben werden. Umgekehrt muß eine Heizung vorhanden sein, die das Salz aufschmelzen kann.

Das Arbeitsmedium

Zwischen dem Primärkreislauf des Reaktors und dem Arbeitsmedium befindet sich ein Sekundärkreislauf aus Salzschmelze. Dieser hat zwei entscheidende Sicherheitsfunktionen:

  • Das Arbeitsmedium CO2 steht unter einem Druck von etwa 200 bar. Bei einer Leckage im Wärmeübertrager steigt der Druck zwar im Sekundärkreislauf stark an, aber nicht im Reaktor. Er ist durch Sicherheitseinrichtungen abgesichert. Das austretende Salz ist kaum radioaktiv.
  • Die Wärmeübertragung zwischen zwei Salzströmen ist sehr gut. Der reaktorseitige Wärmeübertrager kann damit klein ausfallen und damit auch das Volumen an Spaltstoff und Spaltprodukten im Reaktor.

Bisher hat man bei allen Kernkraftwerken (und konventionellen Kraftwerken) einen Dampfkreislauf mit Dampfturbine und Kondensator zur Umwandlung von Wärme in mechanische Energie verwendet. Beim LFTR ist das anders: Hier will man einen geschlossenen Gasturbinenkreislauf (Turbineneintritt: 550 °C, 198 bar; Turbinenaustritt: 440 °C, 79 bar) mit überkritischem CO2 verwenden. Die Turbine treibt neben dem Generator zur Stromerzeugung zwei Verdichter zur Druckerzeugung an. Das Abgas der Turbine wird benutzt um den Gasstrom vor dem Eintritt in den Salz/Gas-Wärmeübertrager vorzuwärmen. Durch diese sog. „regenerative Vorwärmung“ verbessert sich der Wirkungsgrad ganz erheblich. Der Wirkungsgrad des LFTR soll auch bei trockener Luftkühlung über 40% betragen. Ein Vorteil für trockene Landstriche.

Als Hauptgrund für die Abkehr von Wasser als Arbeitsmedium, wird die relativ hohe Produktion von Tritium bei diesem Reaktorkonzept genannt. Reagiert es mit Sauerstoff, ergibt sich „radioaktives Wasser“, welches sich praktisch immer mehr im Wasserkreislauf (Halbwertszeit 12,3 Jahre) anreichern würde. Hingegen ist es relativ einfach, dieses Wasser aus dem CO2. zu entfernen.

Die Chemiefabrik im Kraftwerk

Der LFTR ist ein Brutreaktor mit integrierter Aufbereitung. Es ist nicht einfach ein Kernkraftwerk, das mit Thorium betrieben wird. Das Konzept des flüssigen Brennstoffs (Salzschmelze) erfordert eine kontinuierliche Entfernung der Spaltprodukte und eine kontinuierliche Zuführung von frischem Brutmaterial (Thorium) und Spaltstoff (erbrütetes Uran-233).

Aus dem Brutkreislauf wird kontinuierlich das Protactinium und das Uran-233 abgeschieden. Zu diesem Zweck wird flüssiges Wismut, in dem metallisches Thorium und Lithium gelöst sind, mit einem Teilstrom des Brutmaterials vermischt. Chemisch betrachtet (reductive extraction), „tauschen“ Thorium und Lithium mit dem Protactinium und Uran die Plätze. Das nun gereinigte Salz, wird mit Thorium und Lithium ergänzt dem Reaktor wieder zugeführt.

Das Wismut wir in einem weiteren Schritt wieder „gereinigt“, in dem alle in ihm gelösten Metalle elektrolytisch oxidiert werden. Sie werden einem Lagertank zugeführt, in dem weiterhin Protactinium (Halbwertszeit 27 Tage) zu Uran zerfallen kann. Das so gereinigte Wismut wird in einer weiteren Zelle elektrolytisch reduziert und der Waschkolonne für das Brutmaterial erneut zugeführt.

Der Strom aus dem Lagertank, wird in einem weiteren Verfahrensschritt mit gasförmigem Fluor in Kontakt gebracht. Hierdurch bildet sich gasförmiges Uranhexafluorid, das so leicht abgezogen werden kann. Die Restflüssigkeit wird an geeigneter Stelle dem vorher beschriebenen Kreislauf wieder zugeführt.

Das Uranhexafluorid wir in einem weiteren Verfahrensschritt mit Wasserstoff reduziert, damit es anschließend dem Brennstoffkreislauf des Reaktors zugeführt werden kann.

Ähnlich muß auch das Brennstoffsalz behandelt werden. Ein Teilstrom wird abgezogen und einem Tank zugeführt, in dem die besonders kurzlebigen Spaltprodukte schon mal vorab zerfallen können. Dies senkt die radioaktive Strahlung in der „Chemiefabrik“ ganz beträchtlich. Anschließend wird mit gasförmigem Fluor Uranhexafluorid gebildet, welches relativ einfach abgeschieden werden kann. Es wird mit dem vorher beschriebenem Strom aus der Aufbereitung des Brutmaterials zusammengeführt.

Das so behandelte Brennstoffsalz wird mit in Wismut gelöstem Lithium reduziert und so von den Spaltprodukten befreit. Die Spaltprodukte haben die Plätze des Lithium in der Metallschmelze eingenommen und das Lithium ist in der Form von Lithiumfluorid an das Brennstoffsalz übergegangen. Die Spaltprodukte müssen wieder aus dem Wismut abgeschieden werden und in eine sicher lagerfähige Form überführt werden.

Die chemischen Prozesse sind hier nur sehr grob beschrieben worden. Sie sind recht komplex und bedürfen noch einer umfangreichen Entwicklungsarbeit bis sie großtechnisch und im Alltagsbetrieb zuverlässig anwendbar sind. Sie sind keinesfalls einfacher als das Purex-Verfahren – nur eben ganz neu. Unter den speziellen Randbedingungen der Kerntechnik, wird man realistisch von Jahrzehnten ausgehen müssen.

Die Abgasstrecke

Bei der Kernspaltung entstehen zahlreiche Gase und Edelgase. Bisher ging man davon aus, diese möglichst lange und sicher in den Brennstäben einzuschließen. Sie sollten erst nach vielen Jahren in der Wiederaufbereitungsanlage kontrolliert austreten. Bei einer Salzschmelze ist dies gar nicht möglich. Die Edelgase gehen auch keine chemische Verbindung ein, sondern verlassen an irgendeiner ungewünschten Stelle das Salz.

Es ist daher geplant, einen Teilstrom der Salzschmelze mit Helium zu durchspülen. Die radioaktiven Gase gehen dabei in das Helium über. Dieser Abgasstrom soll in einer Absorptionsstrecke (gekühlte Aktivkohle) 47 Stunden gehalten werden, bevor er erneut zur Spülung eingesetzt wird. Ein Teilstrom wird für 90 Tage gelagert, damit das radioaktive Xenon und Krypton – mit Ausnahme von Kr-85 mit einer Halbwertszeit von 10,7 Jahren – zerfallen kann. Anschließend wird das Gas durch Abkühlung verflüssigt und in Xenon (Handelsprodukt), Krypton (zur weiteren Lagerung) und Helium (zur Wiederverwendung) getrennt.

Schlusswort

Die „Molten-Salt“-Reaktoren stellen ein weiteres vielversprechendes Reaktorkonzept dar. Ihre Vorteile liegen in der hohen Betriebstemperatur bei geringem Druck und der eleganten Erschließung einer weiteren Energiequelle, in der Form von Thorium. Allerdings sind beide Punkte keine „Killerapplikation“: Hohe Temperaturen werden nur in der industriellen Anwendung benötigt. Zur Stromproduktion – und das ist bis auf weiteres die Domäne der Kerntechnik – sind sie nicht zwingend erforderlich. Thorium läßt sich auch in anderen, bereits erprobten Reaktoren (THTR, Candu) nutzen.

Unter den politischen Bedingungen der Kerntechnik, dürfte die Entwicklung bis zur Serienreife, noch mehrere Jahrzehnte dauern. Es ist fraglich, ob sich ein Energieversorger finden dürfte, der das damit verbundene Risiko auf sich nehmen wollte. Auch die „Chemiefabrik“ in der eigenen Regie, dürfte eher abstoßend wirken. Gleichwohl, wird die Entwicklung in USA und China im Moment eher beschleunigt vorangetrieben.

PRISM das moderne Entsorgungszentrum? Teil 1

Von den populistischen „Argumenten“ gegen die Kernenergie, ist praktisch nur noch eines öffentlichkeitswirksam: Die „ungelöste Entsorgungsfrage“. Aus diesem Grunde, wird in den Medien – zumindest in Deutschland – nur äußerst zurückhaltend über Entwicklungen berichtet, die über das bloße Vergraben hinausgehen.

In England wird seit einigen Jahren ernsthaft über den Bau des sogenannten Power Reactor Innovative Small Module (PRISM) von GE-Hitachi diskutiert. Hintergrund ist der stetig wachsende Plutoniumberg aus der Wiederaufbereitungsanlage. Inzwischen lagern zwischen 100 und 150 Tonnen auf der Insel. Es geht dabei um die sinnvollste Verwendung. Ein „verbuddeln und vergessen“ nach deutschen Vorstellungen, scheidet für GB ohnehin aus. Vielmehr ist man bestrebt, das Gefahrenpotential des „Atommülls“ auf einige hundert Jahre zu begrenzen. Ein Zeitraum, den man unstrittig durch technische Bauten sicher beherrschen kann. Man holt dadurch das Problem von der wenig fassbaren moralischen Ebene – irgendwelcher „Ethikkommissionen“ – auf die berechenbare Ebene der Ingenieurwissenschaften zurück.

Ein Weg – und beileibe nicht der einzige – ist die Nutzung und Beseitigung abgebrannter Brennelemente durch einen mit Natrium gekühlten Reaktor mit schnellem Neutronenspektrum und metallischem Brennstoff: Dem PRISM. Nichts von der Erfindermesse, sondern ein Stück erprobter Technik. Sein unmittelbarer Vorläufer, der EBR II, war 30 Jahre erfolgreich in Betrieb (bis 1994). Ein PRISM-Kraftwerk mit 1866 MWel würde rund zwei Tonnen abgebrannter Brennelemente pro Jahr verbrauchen und damit die gleiche Menge Strom erzeugen, wie Kohlekraftwerke durch die Verbrennung von sechs Millionen Tonnen Steinkohle.

Warum schnelle Neutronen?

Mit hinreichend schnellen Neutronen kann man alle schweren Kerne spalten. Ausdrücklich auch U238, alle Plutoniumisotope und die minoren Aktinoiden (Americium, Curium, Neptunium usw.). Letztere sind für die Langlebigkeit des Atommülls verantwortlich. Gelingt es sie zu spalten, bleiben nur noch Spaltprodukte mit einer Halbwertszeit von unter 30 Jahren übrig. Allerdings hat die Sache einen entscheidenen Harken: Die Reaktionsquerschnitte sind nicht nur stoffabhängig, sondern auch sehr stark energieabhängig. Mit anderen Worten, nimmt die Wahrscheinlichkeit für eine Spaltung mit schnellen Neutronen stark ab.

Eine selbsterhaltende Kettenreaktion läßt sich nur mit U235 (in der Natur vorkommend) und U233. (aus Thorium erbrütet), sowie Pu239 (aus Uran erbrütet) aufrecht erhalten. Auch deren Spaltquerschnitte sind für langsame thermische Neutronen um Größenordnungen geeigneter. Will man also einen schnellen Reaktor bauen, braucht man wesentlich höhere Anteile an Spaltmaterial. Allerdings steigt auch die Anzahl der freigesetzten Neutronen mit der Energie der spaltenden Neutronen an.

An dieser Stelle ergeben sich die drei Varianten des PRISM-Reaktors, die sich nur durch die Zusammensetzung des Kerns unterscheiden:

  1. Der Brenner. Er verbraucht – wie ein Leichtwasserreaktor – mehr Spaltstoff als beständig neu entsteht. Man muß diese Verluste stetig aus abgebrannten Brennelementen ersetzen. Dies wäre eine reine „Abfallverbrennungsanlage“.
  2. Der Selbsterhalter. Er stellt ziemlich genau so viel Pu239 beim Betrieb gleichzeitig her, wie er auch verbraucht. Die Spaltungen müssen nur durch U238– z. B. aus dem Abfall der Anreicherungsanlagen – ergänzt werden.
  3. Der Brüter. Dies ist die wohl bekannteste Variante. Ein solcher Kern erzeugt mehr Pu239., als er selbst verbraucht. Entscheidendes Maß ist bei diesem Typ die sogenannte Verdoppelungszeit. Damit ist die Zeitdauer gemeint, in der ein Reaktor so viel Überschussplutonium produziert hat, wie man braucht, um damit einen zweiten Reaktor in Betrieb nehmen zu können. Diese Variante wird erst attraktiv, wenn die Preise für Natururan explodiert sind. Also erst in sehr ferner Zukunft.

Es ist bei allen drei Varianten sinnvoll, die Spaltprodukte von Zeit zu Zeit abzutrennen. Allerdings haben sie nicht die Bedeutung, die sie bei Leichtwasserreaktoren haben, da ihre Einfangquerschnitte (und dadurch verursachte Neutronenverluste) für hohe Energien recht klein sind. Der Abbrand kann bei schnellen Reaktoren rund fünfmal so hoch sein, wodurch sich eine Wiederaufbereitung wesentlich vereinfacht und nicht so oft geschehen muß (Kosten).

Warum Natrium als Kühlmittel?

Wenn man einen schnellen Reaktor bauen will, muß man ein Kühlmittel verwenden, das Neutronen praktisch nicht abbremst. In diesem Sinne, kommen praktisch nur drei Stoffe in Frage: Natrium, Blei und Helium. Natrium besitzt in allen relevanten Eigenschaften klare Vorteile, sodaß es nicht verwunderlich ist, daß praktisch alle schnellen Reaktoren (über 20 in 8 Ländern) mit Natrium gekühlt wurden. Einzige Ausnahme bilden die sieben Blei-Wismut-Reaktoren der U-Boote der Alpha-Klasse in der Sowjetunion. Sie sind gerade an den Eigenschaften des Blei gescheitert (hohe Schmelztemperatur, die eine ständige Beheizung erfordert; große Korrosionsprobleme; hohe Pumpleistung; starke Aktivierung durch die Bildung von Po210. Je eingehender man sich mit Kühlmitteln beschäftigt, gibt es für ein Kernkraftwerk (zur reinen Stromerzeugung) lediglich zwei optimale Kühlmittel: Wasser für thermische und Natrium für schnelle Reaktoren.

Natrium ist wegen seines elektrischen Widerstandes hervorragend für den Bau von elektromagnetischen Pumpen ohne bewegliche Teile und damit ohne Dichtungsprobleme geeignet.

Bei Natrium braucht man immer einen zusätzlichen Zwischenkreislauf. Der Neutronenfluß bildet Na24, welches ein harter γ.-Strahler ist. Das primäre Natrium muß deshalb gut abgeschirmt werden. Außerdem besteht bei Leckagen im Dampferzeuger die Gefahr der Wasserstofferzeugung und der Bildung von NaOH. Wasserstoff ist ein guter Moderator, der zu einer Beschädigung des Kerns durch einen Reaktivitätssprung führen könnte.

Die Gefahr von Natriumbränden wird meist überschätzt. Natrium hat eine hohe Verdampfungswärme bei hoher Verdampfungstemperatur. Dies führt zu einer geringen Verdampfungsrate während der Verbrennung – dem Feuer mangelt es an Nahrung. Die Verbrennung von Natrium in Luft setzt nur etwa ein Viertel der Energie, wie Benzin frei. Bei dem klassischen Brandversuch in einer offenen Wanne, bilden sich nur wenige Zentimeter hohe Flammen und in einem Meter über den Flammen herrscht nur eine Temperatur von rund 100 °C. Die bei der Verbrennung entstehenden Na2 O und Na O – Aerosole reagieren in Luft unter Anwesenheit von Wasserdampf und Kohlendioxid weiter zu Na OH und Na2 CO3. Diese Aerosole erfordern anschließend gründliche Reinigungsarbeiten, da sie elektrische Anlagen zerstören können und giftig sind.

Natrium besitzt sehr gute Korrosionsschutzeigenschaften, da es leicht mit Sauerstoff reagiert. Erst oberhalb von 50 ppm besteht für gewisse Stähle eine Korrosionsgefahr im flüssigen Natrium. Dieser Wert ist problemlos über eine Kältefalle (Im Prinzip ein Topf, durch den ein Teilstrom von weniger als 5% des Kreislaufes sehr langsam hindurch strömt) auf 10 bis 25 ppm zu halten. In der Kältefalle kristallisiert das Na2Oa bei unter 200 °C aus.

Warum metallischer Brennstoff?

Metallische Brennstoffe ermöglichen die höchsten Brutraten, da sie vollständig aus spaltbarem und brutfähigen Material bestehen könnten. Sie liefern das härteste Neutronenspektrum, da sie nur aus den schwersten Kernen bestehen. Die Folge ist, daß rund 25% der erzeugten Energie aus der direkten Spaltung von U238. stammen können.

Metalle sind ausgezeichnete Wärmeleiter und vertragen sehr schnelle Temperaturänderungen. Im Gegensatz dazu sind Uranoxide – wie sie in allen Leichtwasserreaktoren verwendet werden – Keramiken, mit bekannt schlechter Wärmeleitung und Sprödigkeit. Sie können im Inneren bereits aufschmelzen, wenn sich ihre Randtemperatur noch kaum geändert hat und können bei schockartiger Abkühlung wie eine Teetasse zerspringen.

Metallische Brennstoffe vertragen sich ausgezeichnet mit dem flüssigen Natrium. Chemische Reaktionen, wie zwischen den Brennstabhüllen aus Zr bei Leichtwasserreaktoren und Wasserdampf gibt es nicht (Wasserstoffexplosionen in Fukushima).

Metallischer Brennstoff schwillt durch die Strahlenbelastung um bis zu 30% an. Die Brennstäbe müssen deshalb sehr viel Raum für Spaltgase besitzen. Der notwendige Anfangsspalt zwischen Hüllrohr und Brennstoff wird mit Natrium als Wärmebrücke ausgefüllt.

Man kann bei Metallen die Eigenschaften durch Legierung gezielt verändern. Plutonium hat eine zu geringe Schmelztemperatur. Der Brennstoff kann mit den Legierungsbestandteilen der Stahlhülle schädliche Eutektika bilden usw. Dies alles, hat in den USA Jahrzehnte Forschung und Entwicklung und den Test von hunderttausenden von Brennstäben erfordert. Als Optimal hat sich eine Brennstofflegierung aus Uran und Plutonium mit etwa 10% Zr in einer Hülle aus austenitischem Stahl herausgestellt.

S wie small

Von Anfang an, stand bei der Entwicklung die geometrische Größe des Reaktors im Vordergrund: Man wollte den kompletten nuklearen Teil in einer Fabrik fertigen und testen und anschließend (möglichst) mit der Eisenbahn zum Standort transportieren. Alle Einbauten, der Kern, die Pumpen, die Zwischen-Wärmeübertrager, die Lademaschine mit dem Zwischenlager und die Regelstäbe werden in einen Topf aus Edelstahl eingebaut und mit dem Deckel gasdicht verschweißt. Diesen Reaktorbehälter umschließt noch ein zweiter Sicherheitsbehälter und die Luftkühlung. All das, wird in einer Fabrik zusammengebaut und getestet und anschließend zur Baustelle transportiert und dort in das örtlich gefertigte Betonsilo eingesetzt. Damit ist die geplante Leistung auf etwa 840 MWth. begrenzt. Durch die Serienfertigung in einer spezialisierten Fabrik verspricht man sich einen bedeutenden Kostenvorteil.

M wie modular

Die Modularität bezieht sich sowohl auf einen Block selbst, wie auch auf ein Kraftwerk:

  • Jeder Block besteht aus dem nuklearen Teil in einem unterirdischen Betonsilo, der oberirdischen Dampferzeuger-Anlage und den konventionellen Stromerzeugungsanlagen.
  • Ein komplettes Kernkraftwerk könnte z. B. eine elektrische Leistung von 1866 MWel haben und müßte dann aus sechs Reaktoren (je 840 MWth) bestehen, die jeweils paarweise auf eine Turbine (je 622 MWel.) wirken und insgesamt drei Turbinen haben. Alle sonstigen Einrichtungen (Werkstatt, Sozialgebäude usw.) würden gemeinsam genutzt. Ein solches Kraftwerk könnte auch eine integrierte Wiederaufbereitungsanlage beinhalten.

Die interne Unterteilung zielt auf eine potentielle Kosteneinsparung ab: Lediglich der Reaktor in seinem Betonsilo müßte dem Sicherheitsstandard „nuclear grade“ entsprechen. Bereits die Dampferzeugungsanlage in ihrem separaten Gebäude sollte – nach Meinung von GE – nur einen „gehobenen Industriestandard“ haben. In wie weit die Genehmigungsbehörden dieser Argumentation folgen werden, ist noch nicht ganz eindeutig zu beantworten.

Die Zusammenfassung von zwei Reaktoren mit Dampferzeuger und einer Turbine zu jeweils einer Einheit, zielt auf eine hohe Verfügbarkeit und einen kostengünstigen Ausbau eines Standortes ab. Sobald eine Einheit fertig ist, kann diese bereits Geld verdienen, während der Ausbau des Kraftwerkes weiter läuft. Die heute übliche Vorfinanzierung der gesamten Summe entfällt. Später, hat das Kraftwerk eine sehr hohe Verfügbarkeit bei guten Wirkungsgraden. Letztendlich muß die Praxis zeigen, welcher Weg der günstigere ist. Rußland beispielsweise, versucht es über möglichst große Blöcke.

Das Sicherheitskonzept

PRISM setzt konsequent auf eine passive oder inhärente Sicherheitstechnik. Der völlige Stromausfall (Station-Blackout) ist kein Problem mehr. Es wird lediglich eine elektrische Leistung von weniger als 200 kW für Instrumentierung, Notbeleuchtung, Rechner und Bildschirme usw. benötigt. Diese kann problemlos über Batterien bereitgestellt werden. Notstromdiesel (als Sicherheitstechnik) sind nicht mehr nötig. Die Nachzerfallswärme wird ausschließlich über eine Luftkühlung mit Naturzug abgeführt. Dazu wird die Wärme über das Reaktorgefäß und den Sicherheitsbehälter an einen umgebenden Luftspalt abgegeben. Die erwärmte Luft steigt über vier Kamine auf. Das System ist so bemessen, daß auch bei erheblichen Verstopfungen (z. B. durch Erdbeben oder Anschläge) oder dem kompletten Ausfall von zwei Kaminen oder einem völligen Verschluß der Zuluftöffnungen die Kühlung stets gewährleistet ist. Selbst bei einem völligen Ausfall von 36 Stunden tritt noch keine Kernschmelze auf. Ein Unfall wie in Fukushima, wäre damit ausgeschlossen.

Der gesamte Reaktor ist elastisch auf Federn und Dämpfern gelagert. Da sich alle Rohrleitungen und Pumpen etc. in dem Reaktorgefäß befinden, ergibt sich ein optimaler Erdbebenschutz. Dies gilt auch für Flugzeugabstürze und sonstige Einwirkungen von außen, da sich der Reaktor in einem unterirdischen Betonsilo befindet. Die Verbindung zum Dampferzeuger besteht aus Vor- und Rücklauf des Natrium-Zwischen-Kreislaufes, die ebenfalls in einem Betongraben verlegt sind. Diese Leitungen sind als Rohr in Rohr Konstruktion ausgeführt, um Natrium-Leckagen zu verhindern.

Der Dampferzeuger ist ebenfalls mit einem Mantel zur Luftführung umgeben. Wenn die eigentliche Kühlung des Kraftwerks ausfällt, kann die Wärme auch darüber abgeführt werden. Dies ist jedoch kein nukleares Sicherheitssystem im engeren Sinne, sondern dient dem Anlagenschutz.

Die Lagerung der Brennelemente

Die Handhabung der Brennelemente verläuft bei diesem Reaktor gänzlich anders als bei Leichtwasserreaktoren. Der Reaktor kann wegen des flüssigen Natriums mit seiner hohen Temperatur und Brandgefahr nicht einfach geöffnet werden. Zuerst wird das Helium als Schutzgas und Ausgleichsraum abgesaugt und durch frisches Gas ersetzt. Damit soll die Gefahr der Freisetzung radioaktiver Gase in den Sicherheitsbehälter vermieden werden. Die fest im Reaktor installierte Lademaschine entnimmt abgebrannte Brennelemente und lagert sie oberhalb des Kerns in ein Lagergestell ein. Anders als bei Leichtwasserreaktoren, verbleiben sie für mindestens 20 weitere Monate zur Abkühlung im Reaktor. Ihre Wärmeentwicklung durch den radioaktiven Zerfall ist dann soweit abgeklungen, daß sie auch ohne spezielle Kühlung keine Temperatur von 400 °C mehr überschreiten können. Dies ist für ihren metallischen Kern und die Hüllrohre aus Stahl kein Problem. Ein Brennelemente-Lagerbecken ist nicht nötig.

Ein vollautomatisches Transportfahrzeug dockt an den Reaktordeckel an, entnimmt die zu entladenden Brennelemente und fährt sie anschließend zum zentralen Lagergebäude.

All das, geschieht vollautomatisch und unter Schutzgas. Trotzdem ist ein Auslegungsstörfall der Brand des Natriums im Reaktor. Der Sicherheitsbehälter oberhalb des Reaktors ist so bemessen, daß er die freigesetzte Energie und die Temperaturen aushält. Automatische Löschanlagen mit Schutzgasen sind vorhanden.

Die Auslegungsstörfälle

Schnelle Reaktoren (SR) und Leichtwasserreaktoren (LWR) unterscheiden sich stark in ihrem Unfallverhalten. LWR stehen unter hohem Druck und werden nahe dem Verdampfungspunkt betrieben. Schon bei einem relativ kleinem Leck baut sich der Druck stark ab und das „Kühlwasser“ verdampft. Die Temperatur im Kern steigt damit steil an und nähert sich schnell den Grenzwerten. Gelingt es nicht, das Kühlwasser schnell zu ersetzen, wird der Kern zerstört (Unfall in Harrisburg). Auch nach erfolgreicher Abschaltung, kann die Nachzerfallswärme noch zur Kernschmelze führen (Unfall in Fukushima). Es kommt im weiteren Verlauf dann zur Reaktion zwischen Wasserdampf und den Brennstabhüllen mit starker Wasserstoffproduktion (zerstörende Explosionen in Fukushima).

Bei einem SR sieht der Ablauf gänzlich anders aus. Die Kombination aus metallischem Brennstoff, Brennstabhüllen aus Edelstahl und Natrium als Kühlmittel ergibt eine sehr gute Wärmeübertragung mit hoher Temperaturbeständigkeit. Chemische Reaktionen zwischen den Unfallbeteiligten sind praktisch nicht vorhanden. Mit anderen Worten: Es wird recht schnell und gleichmäßig heißer im Reaktor. Wegen der hohen Verdampfungstemperatur kann es deutlich heißer werden, ohne daß sich wesentliches ändert. Bei einem LWR reicht selbst die Nachzerfallswärme aus, den Kern zum Schmelzen zu bringen, wenn er nicht mehr mit flüssigem Wasser bedeckt ist. Bei einem SR führt die starke Temperaturerhöhung lediglich zu einem neuen Gleichgewicht zwischen „Notkühlluft“ und Reaktorgefäß. Die neue Gleichgewichtstemperatur ist so bemessen, daß sie sich noch weit von Materialgrenzwerten entfernt einstellt. Der Reaktor ist „inhärent sicher“.

Bei jedem Reaktor führen gewisse Grenzwerte zur sofortigen und automatischen Abschaltung. Beim PRISM fallen zu diesem Zweck sechs Regelstäbe in den Kern ein. Die Kettenreaktion wird dadurch in Sekundenbruchteilen unterbrochen. Zur dauerhaften Abschaltung gibt es noch ein zweites System, das Kugeln aus Borkarbid in den Kern einführt. Insofern unterscheiden sich LWR und SR kaum.

Man geht aber beim PRISM-Reaktor noch einen Schritt weiter, in dem man sich den starken Temperaturanstieg nutzbar macht. Dieser führt zu einer Reihe von Auswirkungen, die neutronenphysikalisch wirken (Dopplereffekt, Dichteänderung des Natrium, Axiale und radiale Ausdehnungen des Brennstoffs, usw.). Wichtig ist die konstruktive Gestaltung, damit der Temperaturkoeffizient der Reaktivität immer negativ bleibt (In Tschernobyl war er positiv!). In Alltagssprache: Je heißer der Reaktor wird, um so schneller bricht die Kettenreaktion von selbst zusammen. Wird die Kühlung – aus welchen Gründen auch immer – unterbrochen, schaltet sich der Reaktor von selbst ab. Er ist also auch im Betrieb „inhärent sicher“.

Der Ausfall der Umwälzpumpen im Reaktor (vier Stück) kann zu einer lokalen Überhitzung führen, die örtlich sogar zu einem Verdampfen des Natriums führen könnte. Dadurch könnte der Neutronenfluß lokal weiter ansteigen und Teile des Kerns beschädigen. Ursache sind die elektromagnetischen Pumpen, die keine rotierenden Massen haben und somit sofort ausfallen, wenn der Strom weg ist (Station-Blackout). Sie werden deshalb mit Synchronmotoren, mit extra großen Schwungmassen, parallel betrieben. Die Synchronmaschinen erzeugen im Normalbetrieb Blindleistung und schalten bei Stromausfall automatisch in den Generatorbetrieb um. So entsteht ein mehrere Minuten dauernder Auslauf der Pumpen, der lokale Überhitzungen verhindert und sanft in einen Naturumlauf überführt.

Versagt auch dieses System, werden die Gasraum-Ausdehner wirksam. Sie funktionieren nach dem Prinzip eines umgedrehten Glas im Spülbecken: Je weiter man es eintaucht, um so kleiner wird das Luftpolster infolge des steigenden Wasserdrucks. Im PRISM spielt nun der Pumpendruck auf das Natrium mit einem Gaspolster aus Argon zusammen. So wie der durch die Pumpen erzeugte Druckanstieg kleiner wird, dehnt sich das Argonpolster aus. Da das Gas eine wesentlich geringere Dichte als das flüssige Natrium hat, kann es auch weniger Neutronen in den Kern zurück streuen. Der Ausfluß erhöht sich und die Kettenreaktion bricht zusammen. Ein weiteres, völlig passives, Sicherheitssystem.

Natriumbrand im Dampferzeuger

Ein spezielles Sicherheitsproblem ist die Reaktion zwischen Wasser und Natrium. Bei ihr wird neben Energie auch Wasserstoff frei bzw. es entstehen Reaktionsprodukte, die Wasserstoff enthalten. Daraus ergeben sich folgende Ansprüche:

  • Der Dampferzeuger sollte in einem separaten Gebäude – streng getrennt vom Reaktor – stehen. Da es nur hier eine Schnittstelle zwischen Wasser und Natrium gibt, können alle Auswirkungen besser beherrscht und lokal begrenzt werden.
  • Es sollte eine Isolierung zwischen Dampferzeuger und Reaktorteil geben, um Rückwirkungen auf die Wärmetauscher im Reaktor zu verhindern.
  • Es müssen ausreichend große Abblasetanks vorhanden sein, um Natrium und Wasser möglichst schnell voneinander zu trennen, damit die Brandlasten klein bleiben. Entstandener Wasserstoff muß rekombiniert bzw. sicher abgeleitet werden, um Explosionen zu verhindern (nicht wie in Fukushima, auch noch benachbarte Gebäude zerstören.)

Der Dampferzeuger des PRISM ist ein schlanker, aufrecht stehender Behälter. Er ist nicht vollständig mit Natrium gefüllt, sondern besitzt oben einen mit Argon gefüllten Raum. Dieses Gaspolster, kann bei Störfällen etwaige Druckwellen bereits erheblich mindern. In dieses Natriumbad tauchen, zu einer Spirale gewickelte Rohre ein. In diesen strömt das Wasser und verdampft. Würde ein Rohr undicht werden, strömt Wasser bzw. Dampf unter hohem Druck in das Natrium ein und reagiert dort sofort. Die zusätzliche Energieproduktion kann zu einem Temperaturanstieg im Dampferzeuger führen. Wichtigste Gegenmaßnahme ist nun die Absperrung sowohl der Wasser- und Dampfleitungen wie auch der Natriumleitungen. Dabei sind kleine Leckagen kein Problem, da sie ein langsames Abfahren der Anlage ermöglichen.

Kommt es hingegen zu massiven Wassereinbrüchen, kann es zu einer stärkeren Temperaturerhöhung und einem steilen Druckanstieg führen. Wichtigstes Ziel ist nun, die Druckspitze zu begrenzen und die Druckwelle möglichst von den Zwischenwärmetauschern im Reaktor fern zu halten. Zur Dämpfung dient bereits das Gaspolster im Dampferzeuger. Wird der vorgesehene Druck überschritten, bersten zwei Scheiben in der Verbindungsleitung zum Abblasetank. Der Abblasetank trennt die Gase (insbesondere den entstandenen Wasserdampf) vom flüssigen Natrium. Das Natrium strömt dann weiter in Reservetanks. Bereits gebildeter Wasserstoff wird rekombiniert, um etwaige Explosionen zu vermeiden. Die Restwärme wird über die Außenluft abgeführt.

Unmittelbar hinter dem Sicherheitsbehälter des Reaktorgebäudes befinden sich Isolierventile, die sofort und automatisch schließen. Dadurch wird verhindert, daß überhaupt Reaktionsprodukte zum Reaktor gelangen können.

Schlußbetrachtung

Es gibt international viel Erfahrung aus einigen hundert Betriebsjahren mit natriumgekühlten schnellen Reaktoren. Allein in den USA ist der EBR II über 30 Jahre erfolgreich gelaufen. Man hat in ihm über 100000 Brennelemente getestet und umfangreiche Experimente der Sicherheitssysteme durchgeführt. Mehrfach wurde bei voller Leistung die Wärmesenke einfach abgestellt, um beispielsweise die Richtigkeit der Rechenprogramme zu überprüfen. Die Entwicklung ist seit dem – wenn auch stark reduziert – kontinuierlich weitergeführt worden. Bereits 1994 wurde das eingereichte Konzept von der NRC in einem 400seitigen Abschlussbericht positiv beurteilt. Seit dem, könnte eigentlich ein Kraftwerk als Demonstrationsanlge gebaut werden – wenn der politische Wille vorhanden wäre. Ob auch hier wieder China voranschreiten wird oder kann Europa (GB) noch den Anschluß halten?

Ausblick

Der zweite Teil wird sich mit der Wiederaufbereitung und der Herstellung der metallischen Brennelemente beschäftigen.

Reaktortypen in Europa – Teil1, Einleitung

In Europa werden bereits einige Kernkraftwerke neu errichtet bzw. stehen kurz vor einer Auftragsvergabe. Es scheint daher angebracht, sich ein bischen näher mit den unterschiedlichen Typen zu befassen und deren (technische) Unterschiede zu erläutern.

Warum überwiegend Leichtwasserreaktoren?

Es dreht sich um größere Kraftwerke. Oberhalb von etlichen hundert Megawatt ist für Wärmekraftwerke nur ein Dampfkreislauf möglich – egal, ob mit Kohle, Gas oder Kernspaltung als Wärmequelle. Dieselmotoren (bis max. 70 MW) oder Gasturbinen (bis max. 350 MW) sind für solche Blockgrößen ungeeignet. Selbst bei gasgekühlten oder mit Flüssigmetallen gekühlten Reaktoren, besteht der eigentliche Arbeitsprozess aus einem Wasserdampfkreisprozeß: Wasser wird unter hohem Druck verdampft und treibt anschließend eine Turbine mit Generator an. Wenn man also ohnehin Dampf braucht, warum nicht gleich damit im Reaktor anfangen?

Es muß allerdings eine Voraussetzung erfüllt sein: Man muß über Uran mit einem Anteil von etwa 2 bis 5% Uran-235 bzw. Plutonium (MOX) verfügen. Beides kommt in der Natur nicht vor. Will man Natururan verwenden, ist man auf schweres Wasser (Deuterium) oder Kohlenstoff (Reaktorgraphit) angewiesen, um überhaupt eine selbsterhaltende Kettenreaktion zu erhalten. Will man andererseits die schwereren Urankerne bzw. Minoren Aktinoide direkt spalten, darf man die bei der Spaltung freigesetzten Neutronen möglichst gar nicht abbremsen und muß deshalb zu Helium oder flüssigen Metallen als Kühlmittel übergehen. Noch ist dieser Schritt nicht nötig, da es genug billiges Natururan gibt und andererseits (noch nicht) die Notwendigkeit zur Beseitigung der langlebigen Bestandteile des sog. „Atommülls“ besteht. Das zweite ist ohnehin eine rein politische Frage. Die sog. Leichtwasserreaktoren werden deshalb auch in den kommenden Jahrhunderten der bestimmende Reaktortyp bleiben.

Die Temperaturfrage

Je höher die Betriebstemperaturen sind, um so höher die Kosten und Probleme. Dieser Grundsatz gilt ganz allgemein. Bis man auf Kernenergie in der chemischen Industrie z. B. zur „Wasserstoffgewinnung“ angewiesen sein wird, wird noch eine sehr lange Zeit vergehen. Solche Anwendungen lassen sich einfacher und kostengünstiger mit fossilen Brennstoffen realisieren. Abgesehen davon, daß die Vorräte an Kohle, Gas und Öl noch für Jahrhunderte reichen werden, kann man beträchtliche Mengen davon frei setzen, wenn man bei der Stromerzeugung auf Kernenergie übergeht. Diesen Weg hat China bereits angefangen.

Ein oft gehörtes Argument ist der angeblich geringe Wirkungsgrad von Leichtwasserreaktoren. Richtig ist, daß der thermodynamische Wirkungsgrad um so besser ist, je höher die Betriebstemperatur ist. Er liegt bei den heute modernsten Steinkohlekraftwerken bei etwa 46% und bei Braunkohlekraftwerken bei 43%. Demgegenüber erscheint der Wirkungsgrad eines modernen Druckwasserreaktors mit 37% als gering. Es gibt jedoch zwei wichtige Aspekte zu berücksichtigen:

  • Die hohen Wirkungsgrade der Kohlekraftwerke erfordern solche Drücke und Temperaturen, daß die (derzeitigen) technologischen Grenzen erreicht, wenn nicht sogar überschritten sind. Der noch vor wenigen Jahren propagierte Wirkungsgrad von 50% ist in weite Ferne gerückt. Die Werkstoff- und Fertigungsprobleme – und damit die Kosten – nehmen mit jedem weiteren Grad überproportional zu. Kombiprozesse (z. B. Gasturbine mit Abhitzekessel) erfordern hochwertige Brennstoffe, wie Erdgas oder Mineralöle. Will man solche erst aus Kohle gewinnen (Kohlevergasung), sackt der Gesamtwirkungsgrad wieder auf die alten Werte ab.
  • Der thermodynamische Wirkungsgrad ist ohnehin nur für Ingenieure interessant. Entscheidend sind im wirklichen Leben nur die Herstellungskosten des Produktes. Hier gilt es verschiedene Kraftwerke bezüglich ihrer Bau- und Betriebskosten zu vergleichen. Es lohnt sich nur eine Verringerung des Brennstoffverbrauches, wenn die dadurch eingesparten Kosten höher als die hierfür nötigen Investitionen sind. Bei den geringen Uranpreisen ein müßiges Unterfangen. Gleiches gilt für die ohnehin geringen Mengen an Spaltprodukten („Atommüll“) als Abfall, der langfristig (nicht Millionen Jahre!) gelagert werden muß.

Der Betriebsstoff Wasser

Wasser erfüllt in einem Kernkraftwerk drei Aufgaben gleichzeitig: Moderator, Kühlmittel und Arbeitsmedium. Es bremst die bei der Kernspaltung frei werdenden Neutronen auf die erforderliche Geschwindigkeit ab, führt in nahezu idealer Weise die entstehende Wärme ab und leistet als Dampf in der Turbine die Arbeit. Vergleicht man die Abmessungen gasgekühlter Reaktoren mit Leichtwasserreaktoren, erkennt man sofort die überragenden Eigenschaften von Wasser. Es ist kein Zufall, daß heute z. B. alle Reaktoren in Atom-U-Booten ausnahmslos Druckwasserreaktoren sind. Je kompakter ein Reaktor ist, um so kleiner ist das notwendige Bauvolumen. Je kleiner ein Gebäude sein muß, desto geringer können die Baukosten sein.

Der Reaktorkern

Der Kern (Core) ist der eigentliche nukleare Bereich in einem Kernkraftwerk, in dem die Kernspaltung statt findet. Er sollte möglichst kompakt sein. Er besteht aus hunderten von Brennelementen, die wiederum aus jeweils hunderten von Brennstäben zusammengesetzt sind. Ein Brennstab ist ein mit Uranoxid gefülltes, bis zu fünf Meter langes, dabei aber nur etwa einen Zentimeter dickes Rohr. Ein solcher Spagetti besitzt natürlich kaum mechanische Stabilität (z. B. bei einem Erdbeben) und wird deshalb durch diverse Stützelemente zu einem Brennelement zusammengebaut. Erst das Brennelement ist durch die genaue Dimensionierung und Anordnung von Brennstäben und wassergefüllten Zwischenräumen das eigentliche Bauelement zur Kernspaltung. Die einzuhaltenden Fertigungstoleranzen stehen bei einem solchen Brennelement einer mechanischen „Schweizer Uhr“ in nichts nach.

Der Brennstab ist das zentrale Sicherheitselement – gern auch als erste von drei Barrieren bezeichnet – eines Kernreaktors. Der Brennstoff (angereichertes Uran oder Mischoxid) liegt in einer keramischen Form als Uranoxid vor. Dies ist eine chemisch und mechanisch äußerst stabile Form. Der Brennstab soll alle „gefährlichen“ Stoffe von der ersten bis zur letzten Stunde seiner Existenz möglichst vollständig zurückhalten. Er ist chemisch so stabil, daß er in der Wiederaufarbeitungsanlage nur in heißer Salpetersäure aufzulösen ist. Grundsätzlich gilt: Je besser er die Spaltprodukte und den Brennstoff zurückhält, um so geringer ist bei einem Störfall die Freisetzung. Wohl gemerkt, Freisetzung innerhalb des Druckgefäßes, noch lange nicht in die Umwelt! Deshalb bezeichnet man den Brennstab auch als erste Barriere, die Schadstoffe auf ihrem langen Weg in die Umwelt überwinden müßten.

In dem Brennstab findet die eigentliche Kernspaltung statt. Fast die gesamte Energie wird genau an diesem Ort frei. Die bei der Spaltung frei werdenden Neutronen müssen nun (fast) alle aus dem Brennstab raus, rein in den genau definierten Wasserspalt zwischen den Brennstäben um dort abgebremst zu werden und wieder zurück in einen Brennstab, um dort die nächste Spaltung auszulösen. Es geht für die Neutronen (fast) immer mehrere Male durch die Brennstabhülle. Sie darf deshalb möglichst keine Neutronen wegfangen. Zirkalloy hat sich zu diesem Zweck als idealer Werkstoff für die Hüllrohre erwiesen. Diese Rohre haben jedoch bei einem schweren Störfall (TMI und Fukushima) eine fatale Eigenschaft: Sie bilden bei sehr hohen Temperaturen im Kontakt mit Wasserdampf Wasserstoffgas, der zu schweren Explosionen führen kann. Wohl jedem, sind die Explosionen der Kraftwerke in Fukushima noch in Erinnerung.

Bei einem Reaktorkern hat die Geometrie entscheidende Auswirkungen auf die Kernspaltung. Bei einer Spaltung im Zentrum des Kerns haben die frei werdenden Neutronen einen sehr langen Weg im Kern und damit eine hohe Wahrscheinlichkeit, eine weitere Spaltung auszulösen. Neutronen, die am Rand entstehen, haben demgegenüber eine hohe Wahrscheinlichkeit einfach aus dem Kern heraus zu fliegen, ohne überhaupt auf einen weiteren spaltbaren Kern zu treffen. Sie sind nicht nur für den Reaktor verloren, sondern können auch schädlich sein (z. B. Versprödung des Reaktordruckgefäßes oder zusätzlicher Strahlenschutz). Es gibt hierfür zahlreiche Strategien, dem entgegen zu wirken: Unterschiedliche Anreicherung, Umsetzung im Reaktor, abbrennbare Neutronengifte, Reflektoren etc. Verschiedene Hersteller bevorzugen unterschiedliche Strategien.

Brennstäbe

Die Brennstäbe müssen einige sich widersprechende Anforderungen erfüllen:

  • Je dünnwandiger die Hüllrohre sind, desto weniger Neutronen können dort eingefangen werden und je kleiner muß die treibende Temperaturdifferenz innen zu außen sein, damit die enormen Wärmemengen an das Kühlwasser übertragen werden können. Je dünner aber, je geringer die Festigkeit und die Dickenreserve gegen Korrosion.
  • Der Brennstoff selbst soll möglichst stabil sein. Uranoxid erfüllt diesen Anspruch, hat aber eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit. Die Brennstäbe müssen deshalb sehr dünn sein, was nachteilig für ihre mechanische Stabilität ist. Es kann bei Leistungssprüngen sehr schnell zum Aufschmelzen im Innern des Brennstoffes kommen, obwohl es am Rand noch recht kalt ist. Dadurch kommt es zu entsprechenden Verformungen und Ausgasungen, die sicher beherrscht werden müssen.
  • Das umgebende Wasser ist nicht nur Moderator, sondern auch Kühlung für den Brennstab. Eine ausreichende Kühlung ist nur durch eine Verdampfung auf der Oberfläche möglich. Kernreaktoren sind die „Maschinen“ mit der höchsten Leistungsdichte pro Volumen überhaupt. Das macht sie so schön klein, verringert aber auch die Sicherheitsreserve bei einem Störfall. Fallen sie auch nur einen Augenblick trocken, reicht selbst bei einer Schnellabschaltung die Nachzerfallswärme aus, um sie zum Glühen oder gar Schmelzen zu bringen. In dieser Hitze führt die Reaktion der Brennstoffhülle mit dem vorhandenen Dampf zur sofortigen Zersetzung unter Wasserstoffbildung. Beides geschah in den Reaktoren von Harrisburg und Fukushima.
  • Der Zwischenraum mit seiner Wasserfüllung als Moderator erfüllt eine wichtige Selbstregelfunktion. Damit überhaupt ausreichend Kerne gespalten werden können, müssen die Neutronen im Mittel die „richtige“ Geschwindigkeit haben. Diese wird durch den Zusammenstoß mit einem Wasserstoffatom erreicht. Damit dies geschehen kann, müssen sie eine gewisse Anzahl von Wassermolekülen auf ihrem Weg passiert haben. Da die Spalte geometrisch festgeschrieben sind, hängt die Anzahl wesentlich von der Dichte ab. Mit anderen Worten: Vom Verhältnis zwischen Dampf und Wasser im Kanal. Macht die Leistung einen Sprung, verdampft mehr Wasser und die Dichte nimmt ab. Dadurch werden weniger Neutronen abgebremst und die Anzahl der Spaltungen – die der momentanen Leistung entspricht – nimmt wieder ab.
  • Der Brennstoff wird bei Leichtwasserreaktoren nur in der Form kompletter Brennelemente gewechselt. Da aber kontinuierlich Spaltstoff verbraucht wird, muß am Anfang eine sog. Überschußreaktivität vorhanden sein. Wenn am Ende des Ladezyklus noch so viel Spaltstoff vorhanden ist, daß eine selbsterhaltende Kettenreaktion möglich ist, muß am Anfang zu viel davon vorhanden gewesen sein. Dieses zu viel an Spaltstoff, muß über sog. Neutronengifte kompensiert werden. Das sind Stoffe, die besonders gierig Neutronen einfangen und sie somit einer weiteren Spaltung entziehen. Je nach Reaktortyp kann das durch Zusätze im Brennstoff oder Kühlwasser geschehen.
  • Die Leistungsregelung eines Reaktors geschieht hingegen über Regelstäbe, die in Leerrohre in den Brennelementen eingefahren werden können. Die Regelstäbe bestehen ebenfalls aus Materialien, die sehr stark Neutronen einfangen. Fährt man sie tiefer ein, fangen sie mehr Neutronen weg und die Anzahl der Spaltungen und damit die Leistung, wird geringer. Zieht man sie heraus, können mehr Neutronen ungestört passieren und die Leistung steigt. Bei einer Schnellabschaltung werden sie alle – möglichst schnell – voll eingefahren.

Die eigentliche Stromerzeugung

In einem Kernkraftwerk wird – wie in jedem anderen Kraftwerk auch – die elektrische Energie durch einen Generator erzeugt. Dieser Generator wird in einem Kernkraftwerk durch eine sogenannte Nassdampfturbine angetrieben. Das ist ein wesentlicher Unterschied zu einem fossil befeuerten Kraftwerk. Bei denen wird möglichst heißer Dampf (bis 580 °C) auf die Turbine geschickt. Dieser wird nach einer gewissen Arbeitsleistung sogar wieder entnommen und noch einmal im Kessel neu erhitzt (z. B. Zwischenüberhitzung bei 620 °C). Prinzipiell erhöhen diese Maßnahmen den Wirkungsgrad und machen vor allem die Turbine kleiner und preiswerter.

Das Hauptproblem einer Nassdampfmaschine sind die großen Dampfvolumina und der Wassergehalt des Dampfes. Turbinen von Leichtwasserreaktoren haben üblicherweise einen Hochdruck und drei doppelflutige Niederdruckstufen auf einer gemeinsamen Welle. Trotzdem sind die Endstufen damit über 2 m lang und drehen sich mit Überschallgeschwindigkeit. Dadurch wirken auf jedes Blatt Fliehkräfte von über 500 to. In den Kondensatoren herrscht Hochvakuum, wodurch der Dampf mit der zugehörigen Schallgeschwindigkeit strömt. Die sich bereits gebildeten Wassertröpfchen wirken wie ein Sandstrahlgebläse auf die Turbinenschaufeln. Grundsätzlich gilt, je „kälter“ man mit dem Dampf in die Turbinenstufe rein geht, desto höher wird der Wasseranteil bei vorgegebenem Enddruck.

Die Entwässerung ist bei einer Nassdampfmaschine sehr aufwendig und damit teuer. Man versucht möglichst viel Wasser aus den Leitstufen abzusaugen und verwendet auch noch zusätzliche Tröpfchenabscheider außerhalb der Turbine. Vor den Niederdruckstufen überhitzt man den Dampf noch durch Frischdampf. All diese Maßnahmen verursachen aber Druckverluste und kosten nutzbares Gefälle.

Instrumentierung

Es ist von entscheidender Bedeutung, daß das Bedienungspersonal in jedem Augenblick einen möglichst genauen und detaillierten Überblick über die Zustände im Kraftwerk hat. Nur bei genauer Kenntnis der tatsächlichen Lage, können die richtigen Schlüsse gezogen werden und wirksame Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Dies ist die leidige Erfahrung aus allen Störfällen. Der Meßtechnik kommt deshalb große Bedeutung zu. Sie muß in ausreichender Auflösung (Stückzahl) vorhanden sein und zuverlässige Informationen in allen Betriebszuständen liefern.

In diesem Sinne spielen die Begriffe „Redundanz“ und „Diversität“ eine zentrale Rolle:

  • Alle wichtigen Betriebsgrößen werden mehrfach gemessen. Dies gibt Sicherheit gegen Ausfälle. Zusätzlich kann man bei einer mehrfachen – üblicherweise 4-fachen – Messung, Vertrauen zu den Meßwerten herstellen. Bei sicherheitsrelevanten Meßwerten (z. B Druck und Temperatur im Reaktordruckgefäß), die über eine Schnellabschaltung entscheiden, gilt das 3 von 4 Prinzip: Jede Größe wird gleichzeitig 4-fach gemessen. Anschließend werden die Meßwerte verglichen und es werden nur die drei ähnlichsten als Grundlage weiterer Auswertungen verwendet. Man erkennt damit augenblicklich, welche Meßstelle gestört ist und an Hand der Abweichungen untereinander, wie glaubwürdig die Messung ist.
  • Jedes Meßverfahren liefert nur in bestimmten Bereichen Ergebnisse mit hinreichender Genauigkeit. Dies ist eine besondere Herausforderung in einer Umgebung, die sich ständig verändert. So sind z. B. bestimmte Meßverfahren für den Neutronenfluß stark temperaturabhängig. Es ist deshalb üblich, unterschiedliche physikalische Methoden gleichzeitig für dieselbe Messgröße anzuwenden. Damit sind einfache Plausibilitätskontrollen möglich. Dies ist besonders bei Störfällen wichtig, bei denen die üblichen Bereiche schnell verlassen werden.

Digitalisierung und Sicherheit

Es gibt bei einem Kernkraftwerk alle möglichen Grenzwerte, die nicht überschritten werden dürfen. Wird ein solcher Grenzwert erreicht, wird vollautomatisch eine Schnellabschaltung ausgelöst. Jede Schnellabschaltung ergibt nicht nur einen Umsatzausfall, sondern ist auch eine außergewöhnliche Belastung mit erhöhtem Verschleiß. Das Problem ist nur, daß die Vorgänge in einem solch komplexen System extrem nichtlinear sind. Gemeint ist damit, daß „ein bischen Drehen“ an einer Stellschraube, einen nicht erwarteten Ausschlag an anderer Stelle hervorrufen kann.

Die moderne Rechentechnik kann hier helfen. Wenn man entsprechend genaue mathematische Modelle des gesamten Kraftwerks besitzt und entsprechend leistungsfähige Rechner, kann man jede Veränderung in ihren Auswirkungen voraussagen und damit anpassen bzw. gegensteuern. Nun haben aber auch Computerprogramme Fehler und sind schwer durchschaubar. Es tobt deshalb immer noch ein Glaubenskrieg zwischen „analog“ und „digital“. Dies betrifft insbesondere die geforderte Unabhängigkeit zwischen der Regelung und dem Sicherheitssystem.

Seit Anbeginn der Reaktortechnik ist die Aufmerksamkeit und Übung des Betriebspersonals ein dauerhaftes Diskussionsthema. Insbesondere im Grundlastbetrieb ist die Leitwarte eines Kernkraftwerks der langweiligste Ort der Welt: Alle Zeiger stehen still. Passiert etwas, verwandelt sich dieser Ort augenblicklich in einen Hexenkessel. Die Frage ist, wie schnell können die Menschen geistig und emotional Folgen? Wie kann man sie trainieren und „aufmerksam halten“? Die allgemeine Antwort lautet heute: Ständiges Üben aller möglichen Betriebszustände und Störfälle im hauseigenen Simulator. Das Schichtpersonal eines Kernkraftwerks verbringt heute wesentlich mehr Stunden im Simulator, als jeder Verkehrspilot. Die zweite „Hilfestellung“ ist im Ernstfall erst einmal Zeit zu geben, in der sich das Personal sammeln kann und sich einen Überblick über die Lage verschafft. Dies sind die Erfahrungen aus den Unglücken in Harrisburg und Tschernobyl. Dort haben Fehlentscheidungen in den ersten Minuten die Lage erst verschlimmert. Eine ganz ähnliche Fragestellung, wie bei Flugzeugen: Wer hat das sagen, der Pilot oder die Automatik? Eine Frage, die nicht eindeutig beantwortet werden kann, sondern immer zu Kompromissen führen muß.

Ausblick

Wer bis hier durchgehalten hat, hat nicht vergebens gelesen. Ganz im Gegenteil. In den folgenden Beiträgen werden die Reaktoren jeweils einzeln vorgestellt. Um die Unterschiede klarer zu machen, wurden hier vorab einige grundlegende Eigenschaften behandelt. Zuerst werden die Druckwasserreaktoren EPR von Areva und AP-1000 von Westinghouse behandelt und dann die Siedewasserreaktoren ABWR und der ESBWR von GE-Hitachi. Das entspricht in etwa dem derzeitigen Ausbauprogramm in Großbritannien. Soweit Zeit und Lust des Verfassers reichen, werden noch die russischen (Türkei, Finnland, Ungarn) und die chinesisch/kanadischen Schwerwasserreaktoren (Rumänien) folgen.

Halbzeit bei GenIV

Nach zehn Jahren der internationalen Zusammenarbeit bei der Entwicklung von Reaktoren der sogenannten „vierten Generation“ erschien eine Überarbeitung der Ursprünglichen Fahrplanes aus dem Jahre 2002 erforderlich.  In der letzten Dekade ist viel geschehen: Dies betrifft die Zusammensetzung und Forschungsintensität der Mitglieder, die bereits gewonnenen Erkenntnisse und nicht zuletzt die Veränderung der äußeren Randbedingungen (Shale Gas Boom, Fukushima, etc.).

Es ist bei den ursprünglich ausgewählten sechs Konzepten geblieben. Neue sind nicht hinzugekommen. Mehrere teilnehmende Länder haben bedeutende Mittel in die Entwicklung natriumgekühlter Reaktoren mit einem schnellen Neutronenspektrum (sodium-cooled fast reactor, SFR) und gasgekühlten Reaktoren mit möglichst hoher Betriebstemperatur (very-high-temperature reactor, VHTR) investiert.

Die restlichen vier Konzepte: Mit Wasser im überkritischen Zustand gekühlte Reaktoren (SCWR), bleigekühlte Reaktoren mit schnellem Neutronenspektrum (LFR), gasgekühlte Reaktoren mit schnellem Neutronenspektrum (GFR) und mit Salzschmelzen gekühlte Reaktoren wurden – mehr oder weniger – auf Sparflamme entwickelt.

Ziele

Weiterhin gelten als zentrale Anforderungen an die sogenannte vierte Generation folgende vier Bereiche:

  • Nachhaltigkeit
  • Sicherheit und Verfügbarkeit
  • Wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit
  • nicht zur Produktion von Waffen geeignete Technologien und ein physikalischer Schutz gegen jedwede Einwirkungen von Außen (Naturkatastrophen, Terrorismus etc.).

Interessant ist in diesem Zusammenhang die Definition der vier Generationen: Die ersten Reaktoren der Baujahre 1950–1960 (z. B. Shippingport, Dresden, MAGNOX usw.) werden als Demonstrationskraftwerke verstanden und sind bereits stillgelegt. Die zweite Generation umfaßt die Baujahre 1970–1990 und stellt die überwiegend heute im Betrieb befindlichen Leichtwasser- und Schwerwasserreaktoren dar. Die dritte Generation wird als die Leichtwasserreaktoren der Baujahre 1990–2000 definiert, wobei die Reaktoren nach dem Jahr 2000 als Generation III+ bezeichnet werden. Sie stellen eine evolutionäre Weiterentwicklung der Druck- und Siedewassertechnologie dar. Die Vielzahl unterschiedlichster Reaktortypen der Anfangsjahre hat sich also auf lediglich zwei Bauarten verengt. Die Weiterentwicklungen der schwerwassermoderierten, der gasgekühlten und der metallgekühlten Reaktoren ist – zumindest, was die Stückzahlen anbetrifft – auf das Niveau von Demonstrationsanlagen zurückgefallen. Erst ab dem Jahr 2030 wird von der Einführung einer vierten Generation ausgegangen.

Als die zentralen Ziele für die vierte Generation wird dabei die Verringerung der Gesamtkosten über den Lebenszyklus eines Kraftwerks, eine nochmals verbesserte Sicherheit, ein möglichst großer Schutz vor missbräuchlicher Nutzung (Waffen, Terrorismus) und eine erhebliche Verringerung des (Atom)mülls gesehen.

Abgebrannte Brennelemente

Nach einer gewissen Zeit ist jedes Brennelement in einem Reaktor nicht mehr nutzbar und muß ausgetauscht werden. Im Sprachgebrauch der „Atomkraftgegner“ ist es dann „Atommüll“ der zudem auch noch für Jahrtausende tödlich sein soll. In Wirklichkeit sind in einem „abgebrannten“ Brennelement eines Leichtwasserreaktors noch über 95% Brennstoff enthalten. Dieser Brennstoff muß und kann recycled werden. Aber selbst die übrig bleibenden Spaltprodukte sind keinesfalls wertlos. Aus wirtschaftlichen Gründen lohnt meist keine sofortige Aufbereitung. Es empfiehlt sich daher, diesen Atommüll (Müll in Bezug auf eine energetische Verwertung) für längere Zeit sicher zu lagern um ein Abklingen der Radioaktivität abzuwarten. Durch eine Nachbehandlung des Abfalls in geeigneten Reaktoren (mit schnellem Neutronenspektrum oder sog. Transmutation) kann diese notwendige Lagerzeit auf wenige hundert Jahre beschränkt werden. Eine „Endlagerung“ ist weder nötig noch sinnvoll. Das übrig bleibende „Erz“ – mit hohem Gehalt wertvollster Materialien – kann anschließend dem normalen Wirtschaftskreislauf zugeführt werden.

Die Aufgabe der nahen und mittleren Zukunft liegt in der Entwicklung und Realisierung solcher Kreisläufe mit möglichst geringen Kosten. Das bisher vorliegende „Henne-Ei-Problem“ beginnt sich gerade von selbst zu lösen: Es gibt inzwischen weltweit große Mengen abgebrannter Brennelemente, die eine Aufbereitung mit unterschiedlichsten Verfahren im industriellen Maßstab möglich machen. Viele dieser Brennelemente sind bereits soweit abgelagert (die Strahlung nimmt in den ersten Jahren besonders stark ab), daß sich ihre Handhabung stark vereinfacht hat.

Ein „Endlager“ – besser ein Lager mit sicherem Einschluß über geologische Zeiträume – ist nur für die Abfälle nötig, deren Aufbereitung zu kostspielig wäre. Dieser Weg wird bereits für Abfälle aus der Kernwaffenproduktion beschritten. Dafür reicht aber maximal ein „Endlager“ pro Kernwaffenstaat aus.

In naher Zukunft wird sich ein weltweiter Austausch ergeben: Es wird unterschiedliche Wiederaufbereitungsanlagen in verschiedenen Ländern geben. Die Kraftwerksbetreiber können diese als Dienstleistung nutzen. Die dabei wiedergewonnen Wertstoffe werden auf speziellen Märkten gehandelt werden. Wer zukünftig beispielsweise einen „Brutreaktor“ bauen möchte, kann sich das für die Erstbeladung notwendige Plutonium auf diesem Markt zusammenkaufen. Wem die Mengen langlebiger Aktinoiden zu groß werden (Lagerkosten) kann diese an Betreiber von schnellen Reaktoren oder Transmutationsanlagen zur „Verbrennung“ abgeben. Es wird sich genau so ein Markt für „nukleare Müllverbrennungsanlagen“ etablieren, wie er heute für Industrie- und Hausmüll selbstverständlich ist.

Ebenso wird es kommerzielle „Endlager“ geben, die gegen (teure) Gebühren Restmengen aufnehmen, die sich anderweitig nicht mehr wirtschaftlich verwenden lassen. Gerade Deutschland ist weltweit führend in Erwerb und Endlagerung von hoch toxischen Abfällen in ehemaligen Salzbergwerken. Hier ist es auch sprachlich gerechtfertigt, von Endlagern zu sprechen, da die dort eingelagerten Stoffe – anders als radioaktive Stoffe – nie verschwinden werden. „Gefährlich“ ist (zumindest in Deutschland) halt nur eine Frage des ideologischen Standpunktes.

Die sechs Systeme

Im Jahre 2002 wurden aus über 100 Vorschlägen sechs Konzepte ausgewählt. Leitgedanke dabei war, aus verschiedenen Reaktortypen symbiotische Systeme zu bilden. Beispielsweise durch die Verknüpfung von Leichtwasserreaktoren mit Reaktoren mit schnellem Neutronenspektrum, sodaß der „Abfall“ des einen Reaktortyps als Brennstoff für den anderen dienen kann. In diesem Sinne, konzentrierte man sich nicht auf die Entwicklung eines einzelnen neuen Reaktors, sondern wählte sechs Konzepte aus, aus denen ein weltweites Netz aufgebaut werden könnte. Jeder einzelne dieser sechs ausgewählten Konzepte hat ganz spezielle Vor- und Nachteile, die es jedem Land ermöglichen sollte, für seinen speziellen Bedarf, das geeignete Modell auswählen zu können. Es geht also eher darum, Möglichkeiten zu eröffnen, als Konzepte fest zu schreiben. Dies ist ein sehr flexibler und (theoretisch) Kosten sparender Ansatz, da jedes Land seine besonderen Stärken (Werkstofftechnik, Fertigungstechnik, Datenverarbeitung etc.) in die gemeinsame Forschung und Entwicklung einbringen kann, ohne sich ein komplettes Entwicklungsprogramm für einen einzelnen Reaktor aufbürden zu müssen. Insbesondere auch kleinen Ländern, mit beschränkten Ressourcen steht es offen, sich zu beteiligen.

Die ursprünglich ausgewählten Konzepte sind alle in den letzten zehn Jahren verfolgt worden und sollen auch weiter entwickelt werden. Allerdings haben sich durch neue Erkenntnisse und einem unterschiedlichen finanziellen Einsatz in den beteiligten Ländern, der ursprünglich geplante Zeitplan etwas verschoben. Die Entwicklung wurde in jeweils drei Phasen unterteilt.

Zeitplan

Für alle sechs Reaktortypen sollten die Machbarkeitsstudien als erste Phase bereits abgeschlossen sein. Bei der Machbarkeitsstudie sollten alle relevanten Probleme geklärt worden sein und insbesondere für kritische Eigenschaften, die später sogar eine Aufgabe erforderlich machen könnten, zumindest Lösungswege aufgezeigt werden. Für Salzbadreaktoren glaubt man diese Phase nicht vor 2025 und für gasgekühlte Reaktoren mit schnellem Neutronenspektrum, nicht vor 2022 abschließen zu können.

In der Durchführungsphase sollten alle Materialeigenschaften, Berechnungsverfahren etc. entwickelt und als Prototypen getestet und optimiert sein. Diese Phase wurde bisher bei keinem Konzept abgeschlossen. Am weitesten vorn im Zeitplan, liegen der mit Natrium gekühlte schnelle Reaktor (erwartet 2022) und der mit Blei gekühlte schnelle Reaktor (erwartet 2021).

Aus heutiger Sicht wird deshalb kein Reaktor die Demonstrationsphase bis zum Jahr 2030 abschließen können. Bevor eine kommerzielle Anlage in Angriff genommen werden kann, muß wenigstens ein Demonstrationskraftwerk (einschließlich dem erforderlichen Genehmigungsverfahren!) errichtet worden sein und einige Jahre Betriebserfahrung gesammelt haben. Selbst in Ländern mit durchweg positiver Einstellung zur Nutzung der Kernenergie und einem gewissen Pioniergeist (ähnlich der 1950er Jahre) dürfte dies ein ehrgeiziges Ziel sein. Zumal kein wirklicher Zeitdruck vorliegt: Es gibt genug Natururan zu günstigen Preisen, die Mengen abgebrannter Brennelemente sind immer noch so gering, daß kein Kostendruck zur Beseitigung von „Atommüll“ existiert und der Bedarf an Prozeßwärme mit hoher Temperatur kann problemlos durch kostengünstiges Erdgas gedeckt werden. Es bleibt die Erzeugung elektrischer Energie: Die kann aber problemlos und kostengünstig (im Vergleich zu Kohlekraftwerken mit Abgaswäsche) durch konventionelle Leichtwasserreaktoren erzeugt werden. China stellt dies eindrucksvoll unter Beweis.

Fukushimas Auswirkungen

Fukushima hat die Bedeutung für eine nach den Regeln der Technik entsprechende Auslegung und Bauweise gezeigt. Die Lehren aus dem Unglück beeinflussen nicht nur die in Betrieb befindlichen Kraftwerke, sondern auch zukünftige der vierten Generation. Schädigende Einflüsse von außen müssen bauartbedingt von den Reaktoren fern gehalten werden (z. B. Baugrund oberhalb von möglichen Flutwellen) und die Nachzerfallswärme muß auch über längere Zeit und in jedem Falle sicher abgeführt werden (z. B. passive Wasserkühlung aus oberen Tanks ausreichender Dimension).

Für die Reaktoren der vierten Generation sind umfangreiche Forschungsarbeiten zur Beantwortung dieser Fragen notwendig. Dies betrifft insbesondere das Verhalten der andersartigen Kühlmittel (Helium, Natrium, Blei etc.) und die teilweise wesentlich höheren Temperaturen (Werkstoffe, Temperaturschocks etc.). Hinzu kommt die höhere Energiedichte in den Kernen und etwaige Brennstoffkreisläufe in unmittelbarer Nähe.

Gasgekühlter schneller Reaktor (GFR)

Bei dem GFR (Gas-cooled Fast Reactor) handelt es sich um einen mit Helium gekühlten Reaktor mit schnellem Neutronenspektrum. Durch schnelle Neutronen lassen sich alle Aktinoiden – also alle radioaktiven Elemente mit langen Halbwertszeiten – spalten. Dies ist heute der Hauptgrund, warum man diese Entwicklung verfolgt. Man könnte mit solchen Reaktoren die „Endlagerfrage“ eindeutig beantworten: Man braucht faktisch kein Endlager mehr, weil sich das Problem der potentiellen „Gefahr durch strahlenden Atommüll“ auf technische Zeiträume von weniger als 300 Jahren reduziert. Damit ist auch klar, warum sich die „Anti-Atomkraftbewegung“ mit besonderer Vehemenz – und auch Gewalttätigkeit – gegen den Bau solcher Reaktoren gewandt hat. Würden solche Reaktoren mit Wiederaufbereitung abgebrannter Brennelemente eingesetzt, wäre ihnen ihr Totschlagargument von angeblich über Millionen Jahre zu sichernden Endlagern entzogen. Die (deutsche) Scharade einer „Standortsuche“ wäre schlagartig zu Ende.

Ein mit Helium gekühlter Reaktor mit schnellem Neutronenspektrum hat jedoch einen systembedingten Nachteil: Wegen des angestrebten Neutronenspektrums darf ein solcher Reaktor nur geringe Mengen an Materialien enthalten, die Neutronen abbremsen. Idealerweise würde er nur aus Brennstoff und Kühlmittel bestehen. Seine Fähigkeit „Wärme“ zu speichern, ist sehr gering. Jede Leistungsänderung führt somit zu starken und schnellen Temperaturänderungen. Ein ernster Nachteil bei einem Verlust des Kühlmittels. Allein die Nachzerfallswärme könnte zu schwersten Schäden führen. Ebenso ist eine passive Nachkühlung kaum realisierbar. Helium ändert – anders als Wasser – nur geringfügig seine Dichte bei Temperaturänderungen. Man wird daher immer auf aktive Nachkühlung angewiesen sein. Die Ereignisse von Fukushima haben die Genehmigungsfähigkeit dieses Reaktorprinzips nicht unbedingt erhöht.

In nächster Zukunft müssen Gebläse bzw. Turbinen entwickelt werden, die Helium mit hoher Temperatur (Betriebstemperatur 850 °C) und unterschiedlichen Drücken (zwischen 1 und 70 bar) zuverlässig befördern können. Für die Kreisläufe zur Abführung der Nachzerfallswärme sind sicherheitsrelevante Ventile zu entwickeln und zu testen. Es sind zuverlässige Antriebskonzepte für die Notkühl-Gebläse zu entwickeln. Nach den Erfahrungen in Fukushima keine ganz einfache Aufgabe.

Die infrage kommenden Legierungen und Keramiken für die Brennelemente sind ausgiebig zu testen. Gleiches gilt für die Hüllrohre. Es müssen im Störfall Temperaturen von etwa 2000 °C sicher beherrscht werden.

Mit der bisherigen Entwicklung sind die Probleme eher größer geworden. Es wird deshalb nicht mit einem Abschluss der Machbarkeitsstudien in den nächsten zehn Jahren gerechnet. Wegen der Langfristigkeit ist der Einsatz der Mittel eher verringert worden.

Bleigekühlter schneller Reaktor (LFR)

Bei dem Lead-cooled Fast Reactor (LFR) handelt es sich um einen Reaktor, der flüssiges Blei als Kühlmittel verwendet. Blei besitzt einen sehr hohen Siedepunkt (1743 °C), sodaß man mit diesem Reaktortyp sehr hohe Temperaturen ohne nennenswerten Druckanstieg erzeugen kann. Allerdings ist Blei bei Umgebungsbedingungen fest, weshalb man den gesamten Kreislauf stets auf über 328 °C halten muß. Es gibt also zusätzlich den neuen Störfall „Ausfall der Heizung“. Blei ist chemisch recht beständig und reagiert – wenn überhaupt – ohne große Wärmefreisetzung mit Luft oder Wasser. Es schirmt Gammastrahlung sehr gut ab und besitzt ein gutes Lösungsvermögen (bis 600 °C) für Jod und Cäsium. Ferner trägt die hohe Dichte von Blei eher zu einer Rückhaltung als einer Verteilung von radioaktiven Stoffen bei einem schweren Störfall bei. Allerdings stellt die Undurchsichtigkeit und der hohe Schmelzpunkt bei allen Wartungsarbeiten und Sicherheitsinspektionen eine echte Herausforderung dar. Die hohe Dichte von Blei erschwert den Erdbebenschutz und erfordert neue (zugelassene) Berechnungsverfahren. Nach wie vor, ist die Korrosion von Stahl in heißem Blei mit Sauerstoff ein großes Problem. Hier ist noch sehr viel Forschung und Entwicklung nötig, bis ein dem heutigen Niveau von Leichtwasserreaktoren entsprechender Zustand erreicht wird.

In sowjetischen U-Booten wurden Reaktoren mit einem Blei-Wismut-Eutektikum (niedrigerer Schmelzpunkt) verwendet. Die dort (meist schlechten) gesammelten Erfahrungen sind nicht direkt auf das LFR-Konzept übertragbar. Die Reaktoren sind wesentlich kleiner, haben eine geringere Energiedichte und Betriebstemperatur und eine geringere Verfügbarkeit. Außerdem arbeiteten sie mit einem epithermischen und nicht mit einem schnellen Neutronenspektrum. Der Vorteil des geringeren Schmelzpunktes einer Blei-Wismut-Legierung ist nicht ohne weiteres auf eine zivile Nutzung übertragbar, da durch den Neutronenbeschuß Polonium-210 gebildet wird. Es handelt sich dabei um einen starken Alphastrahler (Halbwertszeit 138 Tage), der den gesamten Kühlkreislauf kontaminiert.

Im Moment werden im Projekt drei verschiedene Konzepte verfolgt: Ein Kleinreaktor mit 10 bis 100 MWel in den USA (Small Secure Transportable Autonomous Reactor or SSTAR), ein Reaktor mit 300 MWel in Russland (BREST) und ein Reaktor mit mehr als 600 MWel in Europa (European Lead Fast Reactor or ELFR – Euratom).

Wenn man einen solchen Reaktor als Brüter betreiben will, benötigt man eine Mindestleistung. Je größer, je effektiver. Ein kleiner Reaktor, wie z. B. der SSTAR, ist nur als reiner „Aktinoidenbrenner“ geeignet. Allerdings kann er sehr lange ohne einen Brennstoffwechsel betrieben werden. Will man Spaltmaterial erbrüten, ist ein häufiger Brennstoffwechsel unvermeidlich. Es empfiehlt sich deshalb, einen entsprechenden Brennstoffzyklus zu entwickeln. Es wird auf den Bau mehrere Reaktoren mit einer gemeinsamen Wiederaufbereitungsanlage hinauslaufen. Das Verfahren zur Wiederaufbereitung hängt wiederum von dem Brennstoffkonzept des Reaktors ab.

Ein besonderes Konzept, im Zusammenhang mit Blei, ist die Entwicklung einer Spallationsquelle (Japan, MYRRHA in Belgien usw.). In einem Beschleuniger wird ein Strahl von Protonen auf über 1 GeV beschleunigt und auf flüssiges Blei geschossen. Beim Auftreffen auf ein Bleiatom „verdampft“ dieses seine Kernelemente. Es wird eine große Anzahl von Neutronen frei. Diese Neutronen werden von einem Mantel aus Aktinoiden absorbiert. Diese eingefangenen Neutronen führen teilweise zu einer Spaltung oder einer Umwandlung. Durch die Spaltungen wird – wie in jedem Kernreaktor – Wärme frei, die anschließend konventionell genutzt werden kann. Es entsteht aber keine selbsterhaltende Kettenreaktion. Wird der Beschleuniger abgeschaltet, brechen auch sofort die Kernreaktionen in sich zusammen. Es handelt sich hierbei also um eine Maschine, die primär der Stoffumwandlung und nicht der Energieerzeugung dient. Durch die Verwendung von Blei als „Neutronenquelle“ und Kühlmittel sind aber alle Erfahrungen und Probleme unmittelbar übertragbar.

Am weitesten scheint die Entwicklung in Russland vorangeschritten zu sein. Man entwickelt einen bleigekühlten Reaktor mit 300 MWel (BREST-300) und betreibt die Weiterentwicklung der U-Boot-Reaktoren mit Blei-Wismut-Eutektikum als Kühlmittel (SVBR-100). Beide Reaktoren sollen bis zum Ende des Jahrzehnts erstmalig kritisch werden. In Europa plant man eine Demonstrationsanlage mit 300 MWth (Advanced Lead Fast Reactor European Demonstrator, ALFRED).

Salzbadreaktoren (MSR)

Salzbadreaktoren (Molten Salt Reaktor, MSR) werden in zwei Gruppen eingeteilt: Reaktoren, bei denen der Spaltstoff im Salz selbst gelöst ist und Reaktoren, bei denen das flüssige Salz nur als Kühlmittel dient (Fluoride salt-cooled High-temperature Reactor, FHR).

Zwischen 1950 und 1976 gab es in den USA ein umfangreiches Entwicklungsprogramm, aus dem zwei Prototypen erfolgreich hervorgingen (Aircraft Reactor Experiment, ARE und Molten Salt Reactor Experiment, MSRE). Anfangs konzentrierte man sich in der Entwicklung auf Salzbadreaktoren mit thermischem Neutronenspektrum.

Ab 2005 entwickelte sich eine Linie, die von in Salz gelöstem Brennstoff und Spaltprodukten ausging. Als Kühlmittel soll ebenfalls Salz dienen. Das Neutronenspektrum soll schnell sein. Von dieser Kombination verspricht man sich einerseits das Erbrüten von Spaltstoff (z. B. Uran-233 aus Thorium-232) und andererseits das kontinuierliche „Verbrennen“ von Minoren-Aktinoiden mit dem Ziel eines relativ kurzlebigen „Atommülls“, der nur noch aus Spaltstoffen besteht. Durch das Salzbad möchte man hohe Betriebstemperaturen bei nahezu Umgebungsdruck erreichen. Bis zum Bau eines Reaktors, ist jedoch noch ein langer Weg zurück zu legen: Es müssen die chemischen (Korrosion) und thermodynamischen Zustandsdaten für solche n-Stoff-Salze bestimmt werden. Es müssen Verfahren zur kontinuierlichen Entgasung der Salzschmelze entwickelt werden, da ein großer Teil der Spaltprodukte (zumindest bei der Betriebstemperatur) gasförmig ist. Für das flüssige Salzgemisch müssen gekoppelte neutronenphysikalische und thermohydraulische Berechnungsverfahren geschaffen werden. Für die radioaktiven Salzgemische sind zahlreiche Sicherheitsversuche zur Datensammlung und Absicherung der Simulationsmodelle nötig. Die Chemie und Verfahrenstechnik der Aufbereitung während des Reaktorbetriebs muß praktisch noch vollständig getestet werden.

Natriumgekühlter schneller Reaktor (SFR)

Der Sodium-cooled Fast Reactor (SFR) verwendet flüssiges Natrium als Kühlmittel. Natrium hat nahezu ideale Eigenschaften: Relativ geringer Schmelzpunkt (98 °C), aber hoher Siedepunkt (890 °C), sehr gute Wärmeleitfähigkeit (140 W/mK) bei annehmbarer Wärmekapazität (1,2 KJ/kgK). Es hat keine korrosiven Eigenschaften, reagiert aber heftig unter Wärmefreisetzung mit Luft und Wasser. Bisher wurden bereits 17 Reaktoren gebaut und drei weitere befinden sich in Russland, Indien und China im Bau.

Ursprüngliches Ziel war die Erschaffung eines „schnellen Brüters“. Mit ihm sollte mehr (thermisch) spaltbares Plutonium erzeugt werden, als dieser Reaktortyp zu seinem Betrieb benötigte. Dieses zusätzlich gewonnene Plutonium sollte dann zum Start weiterer Reaktoren verwendet werden. Inzwischen gibt es aus dem Betrieb von Leichtwasserreaktoren und der Rüstungsindustrie mehr als genug Plutonium auf der Erde. Darüber hinaus sind die Natururanvorräte nahezu unerschöpflich. Deshalb hat sich die Zielrichtung in den letzten Jahren verschoben. Die benutzten Brennelemente aus Leichtwasserreaktoren werden von „Atomkraftgegnern“ abfällig als „Atommüll“ bezeichnet. In Wirklichkeit sind aber das gesamte enthaltene Uran und Plutonium (weit über 95 %) vollständig zur Energiegewinnung nutzbar. Gerade aus dem wertvollsten Material – dem Plutonium – wird wegen dessen langer Halbwertszeit der Bedarf eines Endlagers und dessen „sicherer Einschluß über Millionen von Jahre“ konstruiert. Selbst die Spaltprodukte – als tatsächlicher Abfall der Energieerzeugung durch Kernspaltung – sind (wirtschaftlich) nutzbar.

Man geht heute von einer Erstbeladung eines schnellen natriumgekühlten Reaktors mit einem Gemisch aus Uran und knapp 20% Plutonium aus. Das Plutonium gewinnt man aus den abgebrannten Brennelementen der Leichtwasserreaktoren. Die abgebrannten Brennelemente eines solchen schnellen Reaktors werden nach angemessener Zwischenlagerung in einem elektrochemischen Prozeß (wie z. B. bei der Kupfer- und Aluminiumproduktion) wieder aufbereitet. Bei diesem Wiederaufbereitungsverfahren liegt der Schwerpunkt in der Gewinnung möglichst reiner (kurzlebiger) Spaltprodukte. Alle langlebigen Aktinoiden werden wieder in den neuen Brennelementen weiter verwendet. Das „verbrauchte“ Uran und Plutonium wird dabei durch „Atommüll“ aus Leichtwasserreaktoren ergänzt. Ein solcher Reaktor gleicht also einer „Müllverbrennungsanlage“, in der ja auch „gefährliche Stoffe“ unter gleichzeitiger Stromerzeugung beseitigt werden.

Natriumgekühlte Reaktoren können in beliebiger Größe gebaut werden. Lediglich wenn man Brennstoff erbrüten will (d. h. mehr Plutonium produzieren als man verbraucht) muß der Reaktor geometrisch groß sein, um Neutronenverluste zu vermeiden. Gerade „Aktinoidenbrenner“ können sehr klein und kurzfristig gebaut werden. Die Entwicklung bezieht sich auf die Kombination aus Brennstoff (oxidisch, metallisch, karbidisch und Nitride möglich) und die Wiederaufbereitung (naßchemisch, pyrotechnisch). Es gilt die optimale Kombination aus Werkstoffen und Verfahren zu finden. Ferner sind homogene Brennstoffe und spezielle heterogene Anordnungen zur Verbrennung von Minoren-Aktinoiden denkbar. Diese Anordnungen koppeln wieder auf die Neutronenphysik, die Regelung und damit letztendlich auf die Sicherheit zurück.

Reaktor mit überkritischem Wasser (SCWR)

Wird Wasser oberhalb des kritischen Punktes (374,12 °C bei 221,2 bar) verwendet, ändert es radikal seine chemischen und physikalischen Eigenschaften. Entscheidend ist die kontinuierliche Änderung der Dichte. Es gibt nicht mehr das gleichzeitige Auftreten von Dampf und Flüssigkeit (z. B. Blasen) in einem Behälter.

Ziel von „überkritischen Kesseln“ ist die Steigerung des Wirkungsgrades. So sind heute in modernen Kohlekraftwerken Wirkungsgrade von 46 % möglich. Für den Supercritical-water-cooled reactor (SCWR) ist ein Wirkungsgrad von 44 % angestrebt. Die leidvolle Entwicklungsgeschichte bei konventionellen Kraftwerken hat jedoch gezeigt, daß die Steigerung von Druck und Temperatur mit erheblichen Werkstoffproblemen und damit Kosten verbunden ist. Solange Kernbrennstoffe so billig wie heute sind, scheint dieser Weg bei Reaktoren zumindest wirtschaftlich nicht sinnvoll.

Die gesamte Sicherheitstechnik muß neu durchdacht und experimentell bestätigt werden. Es gibt keine lokale Selbstregelung durch Dampfblasenbildung mehr. Die Gefahr von überhitzten Stellen im Kern muß schon im Normalbetrieb sicher beherrscht werden. Die Notkühlsysteme müssen bei einem Druckabfall sowohl im überkritischen Zustand, als auch im Zwei-Phasenbereich voll wirksam sein. Man kann sich nicht mehr auf den Wasserstand als Stellgröße verlassen, sondern muß auf den Durchfluß übergehen, was wesentlich schwerer zu realisieren ist. Die Wasserchemie ist im überkritischen Zustand wesentlich anders und schwerer zu beherrschen.

Bisher wurden nur Tests mit Komponenten ausgeführt. Man hofft auf dieser Basis in den nächsten fünf Jahren eine Entscheidung für den Bau eines Prototyps fällen zu können. Bis zu einem kommerziell nutzbaren Reaktor dürften noch weit über 20 Jahre vergehen.

Hösttemperaturreaktor (VHTR)

Der Very-High-Temperature Reactor (VHTR) ist eine Weiterentwicklung eines mit Helium gekühlten Reaktors mit thermischem Neutronenspektrum. Es gibt die – ursprünglich in Deutschland entwickelte – Anordnung der Brennelemente als Kugelhaufen oder eine prismatischer Anordnung. Ziel war immer das Erreichen von Betriebstemperaturen von nahezu 1000 °C. Dieser Reaktortyp sollte primär als Wärmequelle in der Verfahrenstechnik (Kohleveredlung etc.) dienen. In diesem Sinne war ein Meilenstein immer das Erreichen einer Temperatur von 950 °C, bei der eine rein thermische Zerlegung von Wasser über einen Schwefel-Jod-Prozeß möglich ist. Dies war als Fundament einer „Wasserstoffwirtschaft“ gedacht. In Deutschland wurde das Konzept einer „kalten Fernwärme“ entwickelt, in dem Methan im Kreislauf läuft und beim Verbraucher lediglich chemisch zerlegt wird und die Bestandteile anschließend wieder mit der Hilfe der Wärme des Kernreaktors wieder zusammengesetzt werden. Der Charme dieses Konzepts liegt in der Fähigkeit, Energie über große Entfernungen mit geringen Verlusten (wie ein Erdgasnetz) transportieren und auch speichern zu können. Stellt man das „Erdgas“ synthetisch aus Kohle her, kann man dieses Gas in das vorhandene Erdgasnetz einspeisen. Interessanterweise wird dieser Gedanke in China aus den gleichen Gründen, wie damals in Deutschland, wieder aufgegriffen: Luftverschmutzung durch Kohle, bei (noch) geringen eigenen Erdgasvorkommen.

Die Entwicklung von Höchsttemperaturreaktoren ist im wesentlichen ein Werkstoffproblem. Wobei nicht übersehen werden darf, daß mit steigender Temperatur der Aufwand und die Kosten exponentiell ansteigen. Allerdings kann diese Entwicklung evolutionär durchgeführt werden. China scheint offensichtlich diesen Weg eingeschlagen zu haben. Ausgehend vom (Nachbau) des deutschen Kugelhaufenreaktors begibt man sich schrittweise vorwärts.

SMR Teil 3 – Innovative Reaktoren

Es gibt inzwischen unzählige Reaktorentwürfe. Es gehört praktisch zum guten Ton einer jeden Forschungsstätte sich mit einer neuen Studie zu schmücken. Je nach Mitteln und Background, reichen (meist) auch Variationen bekannter Prinzipien aus.

Es ist daher sinnvoll, auch bei der Betrachtung „kleiner“ Reaktoren (SMR) den potentiellen Markt nicht außer acht zu lassen. Die Domäne der Kernenergie ist und bleibt die Erzeugung elektrischer Energie. Dies liegt einerseits an der universellen Verwendbarkeit von „Strom“ und andererseits an Gewicht und Volumen eines Kernreaktors. Die Untergrenze für den technisch/wirtschaftlichen Einsatz ist ein Schiff.

Zwar ist die Wärmeerzeugung immer noch mit großem Abstand die überragende Energieanwendung, aber nur ein geringer Bedarf entfällt davon auf Hochtemperatur-Wärme (chemische Prozesse). Die „Endlichkeit“ von Kohle, Öl, Erdgas und Uran hat sich längst als Wunschtraum unbelehrbarer Anhänger der Planwirtschaft erwiesen. Längst ist man daher in diesen Kreisen auf eine indirekte Verknappung (Klimaschutz – wir dürfen gar nicht so viel fossile Brennstoffe nutzen, wie wir zur Verfügung haben) umgestiegen. Es lohnt sich nicht, sich damit weiter auseinander zu setzen. Für diese Betrachtungen reicht folgender Zusammenhang vollständig aus:

  • Energieverbrauch und Wohlstand sind die zwei Seiten ein und derselben Medaille. Wer das Recht aller Menschen auf ein Mindestmaß an Wohlstand anerkennt, muß von einem weiter steigenden Energiebedarf ausgehen. Oder andersherum ausgedrückt: Wer eine Senkung des Energieverbrauches fordert – wie es scheinbar immer populärer wird – will die Armut für den größten Teil der Menschheit weiter festschreiben.
  • Mit fortschreitender Entwicklung steigt der Verbrauch elektrischer Energie überproportional an. Der für eine zuverlässige und kostengünstige Stromversorgung einzusetzende Primärenergieaufwand steigt damit weiter an. Ersetzt man die hierfür notwendigen Mengen an Kohle und Erdgas durch Kernenergie, bekommt man mehr als genug dieser Energieträger frei um damit Industrie und Transportsektor zu versorgen. Die USA führen diesen Weg mit der Erschließung unkonventioneller Öl- und Gasvorkommen – bei gleichzeitigem Ausbau der Kernkraftwerke – eindrucksvoll vor.

Hat man diesen Zusammenhang verstanden, wird auch die Entwicklung der „kleinen“ Reaktoren in den nächsten Jahrzehnten vorhersagbar. Das Streben nach „hohen Temperaturen“ hat durch die Entwicklung des Erdgasmarktes (außerhalb Deutschlands!) an Bedeutung eingebüßt. Erdgas – egal aus welchen Vorkommen – ist der sauberste und kostengünstigste Brennstoff zur Erzeugung hoher Temperaturen und zur Gewinnung von Wasserstoff. Zur Stromerzeugung eigentlich viel zu schade!

Das Argument des geringeren Uranverbrauches durch Reaktoren mit höherer Temperatur ist ebenfalls nicht stichhaltig: Die Uranvorräte sind nach menschlichen Maßstäben unerschöpflich und der Minderverbrauch durch höhere Wirkungsgrade wiegt den wirtschaftlichen Mehraufwand bei weitem nicht auf. Ein Anhaltspunkt hierfür, bietet die Entwicklung bei Kohlekraftwerken: Sie liegt heute noch in Regionen mit „billiger“ Kohle eher in der Größenordnung von Leichtwasserreaktoren (ungefähr 33 %) als bei deutschen und japanischen Steinkohlekraftwerken (fast 46 %). Bis Uran so teuer wird, daß sich eine Wirkungsgradsteigerung um 40 % wirtschaftlich lohnt, dürften eher Jahrhunderte, als Jahrzehnte vergehen. Damit dürften alle Hochtemperaturreaktoren eher Nischenprodukte bleiben, was aber gerade dem Gedanken einer Serienproduktion widerspricht. Gleiches gilt auch für sog. „Schnelle Brüter“.

Gleichwohl sind einige gasgekühlte Reaktoren und Reaktoren mit schnellen Neutronen in der Entwicklung. Diese Prototypen sollen im Folgenden etwas näher vorgestellt werden.

NPMC-Reaktor

National Project Management Corporation (NPMC) hat zusammen mit dem Staat New York , der City of Oswego und der Empire State Development einen Antrag auf Förderung für einen heliumgekühlten Kugelhaufen-Reaktor mit 165 MWel.eingereicht. Dem Konsortium hat sich National Grid UK, die New York State Energy Research Development und die Pebble Bed Modular Reactor (PBMR) of South Africa angeschlossen.

Eingereicht wurde ein Gas Turbine Modular High-Temperature Reactor (GT-MHR). Die Entwicklung beruht auf dem in Deutschland entwickelten THTR-Reaktor. Sie wurde in Südafrika fortgesetzt. Anders als in Deutschland und China wollte man aber nicht einen konventionellen Dampfkreislauf sekundärseitig verwenden, sondern wollte zur Stromerzeugung eine Gasturbine einsetzen. Die Entwicklung eines solchen geschlossenen Gasturbinen-Kreisprozesses mit Helium als Arbeitsmittel überstieg aber bei weitem die wirtschaftlichen Möglichkeiten Südafrikas, was letztendlich zur Aufgabe führte.

Eine Gasturbine hat so hohe Austrittstemperaturen, daß problemlos eine trockene Kühlung mit Außenluft möglich wird. Die Schwierigkeit in den Verbrauchsschwerpunkten in Südafrika ist die Bereitstellung von ausreichend Kühlwasser. Unter dem Wassermangel leiden dort alle konventionellen Kraftwerksprojekte (hauptsächlich Kohle). In New York gibt es zwar genug Wasser, aber die (angebliche) Umweltbelastung durch Kühlwasser ist der Hauptansatz gegen die vorhandenen und geplanten Kernkraftwerke. Nichts desto trotz könnten SMR mit geschlossenen Gasturbinen ein Modell für die dezentrale Versorgung in zahlreichen ariden Gebieten auf der Welt sein.

China verfolgt ebenfalls konsequent den Kugelhaufen-Hochtemperatur-Reaktoren weiter. Allerdings sind alle in Bau und Planung befindlichen Kraftwerke mit konventionellen Dampfkreisläufen ausgerüstet.

Energy Multiplier Module (EM2)

Auch General Atomics (GA) hat ein Gas-Turbine Modular Helium Reactor (GT-MHR) Konzept mit 265 MWel eingereicht. Man geht aber nicht von einem Kugelhaufen (siehe oben), sondern von hexagonalen Prismen als Brennelementen aus. Basis ist ein eigenes Modell aus den 1980er Jahren. Das Modul soll bei einer thermischen Leistung von 500 MWth. komplett und fertig mit Brennstoff beladen auf einem LKW zur Baustelle transportiert werden. Die Austrittstemperatur des Heliums soll (extrem hohe) 850 °C betragen. Damit wäre der Einsatz als Wärmequelle in der Verfahrenstechnik, bis hin zur thermischen Wasserstoffproduktion, denkbar. Ein Turbosatz mit hoher Drehzahl wird auf einem zweiten LKW angeliefert. Die Gasturbine und der angeschlossenen Generator laufen mit mehreren 10.000 Umdrehungen pro Minute. Die Umwandlung der elektrischen Energie in „netzfähigen Strom“ erfolgt über elektronische Umformer. Bei der eingereichten Variante handelt es sich um ein reines Kraftwerk zur Stromerzeugung. Im Begleittext wird betont, daß dieser Reaktor lediglich die Abmessungen eines „Schulbusses“ hätte. Hinzu käme ein etwa gleich großes Modul für den Turbosatz. Insofern wäre die Leistungsdichte (umbauter Raum) konkurrenzlos gering. Wegen der hohen Austrittstemperatur hätte dieses Kraftwerk einen elektrischen Wirkungsgrad von 53 %. Das Kraftwerk käme mit Luftkühlung aus und wäre damit äußerst flexibel einsetzbar. Durch den hohen Wirkungsgrad und seine neutronenphysikalischen Eigenschaften wäre selbst ohne Wiederaufbereitung, der „Atommüll“ um 80% geringer als bei üblichen Reaktoren.

Noch innovativer als der Turbosatz, ist das Brennstoffkonzept: Der Reaktor wird in der Fabrik mit Brennstoff beladen und komplett nach 30 Jahren Laufzeit wieder in die Fabrik zurückgeliefert. Das ganze ähnelt also eher einer Batterie, als einem klassischen Kraftwerk. Dieses Konzept würde die gesamte Stromversorgung revolutionieren. Ein „Energieversorger“ mietet sich quasi für 30 Jahre eine „Stromerzeugungseinheit“ und gibt diese nach Gebrauch komplett wieder zurück. Durch die speziellen Sicherheits- und Betriebsanforderungen löst sich auch das Problem der Personalkosten: Verkleinert man einfach heutige Reaktorkonzepte, steigt der spezifische Personalaufwand stark an. Das ist leider die Umkehrung der Betriebskostendegression mit zunehmender Kraftwerksgröße. Die Kombination aus geringen Investitionskosten, kaum Betriebskosten, kaum Netzkosten, keine „Atommüllprobleme“…, könnte einen ähnlichen Quantensprung, wie die Einführung des PC in der Datenverarbeitung auslösen. Davon dürften sicherlich nicht alle begeistert sein!

Die Brennelemente besitzen eine Umhüllung aus einem Siliziumcarbid-Faser-Verbundwerkstoff. Das Material verträgt Temperaturen von weit über 2000 °C und reagiert wegen seiner keramischen Eigenschaften praktisch nicht mit Luft und Wasser. Der Brennstoff ist inhärent sicher und selbstregelnd: Steigt die Temperatur zu stark an, bricht die Kettenreaktion in sich zusammen (Dopplereffekt). Auch die Nachzerfallswärme kann dem Brennstoff praktisch nichts anhaben, da er sich gefahrlos so weit aufheizen kann, daß schon die Wärmeabgabe durch Strahlung (Kühlmittelverluststörfall) dauerhaft ausreicht. Dieses Verhalten ist unzählige male experimentell bestätigt worden.

Jeder Reaktor wird erstmalig mit etwa 20 to abgebranntem Brennstoff aus Leichtwasserreaktoren oder abgereichertem Uran beladen. Hinzu kommt als „Starter“ rund 22 to auf 12% angereichertes Uran. Nach 30 Jahren Betriebszeit werden in einem speziellen Aufbereitungsprozess die entstandenen etwa 4 to Spaltprodukte entfernt und durch 4 to abgebrannten Brennstoff aus Leichtwasserreaktoren ergänzt.

General Atomic ist eines der führenden Unternehmen (nicht nur) der Kerntechnik. Am bekanntesten dürften die weltweit gelieferten 66 TRIGA-Reaktoren (Training, Research, Isotopes, General Atomic) sein. Zusätzlich gehören zu dem Bewerbungskonsortium noch zwei der weltweit führenden Anlagenbauer: CB&I und Mitsubishi Heavy Industries und die Mutter der schnellen Reaktoren und der Wiederaufbereitung: Das Idaho National Laboratory (INL). Es fehlt also nicht an Kapital und Sachverstand. Größte Hürde dürfte das NRC mit seinem „unendlichen“ Genehmigungsverfahren sein. Aber auch auf dem Sektor des Bürokratismus bewegt sich in den USA etwas: Nicht nur, wegen der Drohkulisse, die China am Horizont aufbaut.

PRISM

Ein weiterer „schneller“ Reaktor, aber mit Flüssigmetallkühlung, ist der von General Electric und Hitachi Nuclear Energy (GEH) propagierte Power Reactor Innovative Small Module (PRISM). Es handelt sich ebenfalls um einen vollständig vorgefertigten und transportierbaren Reaktor mit einer thermischen Leistung von 840 MWth und 311 MWel. Es ist geplant, je zwei solcher Einheiten auf einen konventionellen Turbosatz (typisches Kohlekraftwerk) mit 622 MWel. zusammenzuschalten.

Das PRISM-Konzept bricht ziemlich radikal mit der heutigen Nutzung der Kernenergie und ihrem Brennstoffkreislauf. Es senkt konsequent den Einsatz von Natururan und entlässt als Abfall wesentlich geringere Mengen mit deutlich kürzerem Gefährdungszeitraum. Um dieses Ziel zu erreichen, ist nicht nur der Übergang auf „schnelle“ Neutronen nötig, sondern auch auf einen völlig neuen Brennstoffkreislauf. Durch die Verwendung von Neutronen mit hoher Energie (hoher Geschwindigkeit) kann man praktisch alle Aktinoide spalten – allerdings um den Preis einer geringeren Wahrscheinlichkeit. Man braucht deshalb eine wesentlich höhere Konzentration von U235 bzw. Pu239 um überhaupt eine Kettenreaktion in Gang setzen zu können. Außerdem muß man auf Wasser als Kühlmittel verzichten. Ein in diesem Sinne ideales Kühlmittel, ist das Metall Natrium. Geht man auf ein flüssiges Metall als Kühlmittel über, macht es Sinn, auch den Brennstoff in metallischer Form zu verwenden. Eine Legierung aus Uran, Zirconium und – gegebenenfalls allen möglichen – Transuranen, hat sich als besonders geeignet erwiesen. Wenn man aber schon einen Brennstoff in metallischer Form vorliegen hat – und keinerlei Ambitionen hegt, Kernwaffen zu bauen – bieten sich die erprobten Verfahren der Elektrometallurgie (Aluminium-, Kupferproduktion etc.) an. Vereinfacht gesagt, löst man den zerstückelten „abgebrannten“ Brennstoff in geschmolzenem Lithiumchlorid auf und legt eine Spannung von 1,34V an. Nun wandert das Uran und alle sonstigen Aktinoide zur Kathode und scheiden sich dort ab. Die Spaltprodukte bleiben im Lithiumchlorid zurück. Die Kathode wird eingeschmolzen und daraus neue Pellets hergestellt. Diese werden in Stahlrohre (H9) gesteckt, mit flüssigem Natrium zur besseren Wärmeleitung ausgegossen und mit einem Gaspolster aus Helium versehen, zu einem neuen Brennstab verschweißt. Im Prinzip ist diese Technik so simpel und automatisierter, daß sie in ein (größeres) Kraftwerk integriert werden könnte. Die übrig geblieben Spaltprodukte – etwa 1 kg für jedes 1 MWel. produziert über ein ganzes Jahr – kann man „irgendwo“ lagern, da sie nach wenigen hundert Jahren auf die Intensität des ursprünglichen Uranerzes abgeklungen sind – also die Gefahr, wieder voll und ganz, natürlich ist.

Sicherheitstechnisch betrachtet, hat sich dieser Reaktortyp als äußerst gutmütig erwiesen. Selbst, wenn man alle Regelstäbe voll gezogen hatte, regelte er sich selbst herunter, da durch den starken Temperaturanstieg die nukleare Kettenreaktion unverzüglich zusammenbricht. Für die Leistungsregelung gibt es Regelstäbe aus Borkarbid (B~4 C). Zusätzliche Regelstäbe hängen an Magneten. Fällt der Strom aus oder geht der Magnetismus infolge zu hoher Temperaturen verloren, fallen sie in den Reaktor und stellen ihn dauerhaft ab.

Allerdings hat Natrium einen entscheidenden Nachteil: Es reagiert sowohl mit Luft als auch mit Wasser sehr heftig. Deshalb sind der Reaktorkern, die zwei Wärmeübertrager und die vier elektromagnetischen Pumpen (ohne rotierende Teile) alle zusammen in einem mit Natrium gefüllten Topf eingebettet. Dieses Gefäß ist zusammen mit dem Sicherheitsbehälter am Deckel fest verschweißt. Sowohl das Reaktorgefäß, wie auch der Sicherheitsbehälter haben keine Durchbrüche. Die etwa 20 cm Zwischenraum und der Arbeitsraum über dem Deckel sind mit Argon – unter leichtem Überdruck zur Kontrolle auf etwaige Leckagen – befüllt. Da Natrium durch Neutronenbeschuß strahlend wird (Halbwertszeit etwa 1 Minute), wird die Wärme durch die Wärmeübertrager im Reaktorgefäß an einen zweiten Kreislauf mit Natrium übertragen. Dieses Natrium ist nicht radioaktiv und wird ständig überwacht. Das Natrium gelangt durch Rohr in Rohr Leitungen zum überirdischen Dampferzeuger. Der Dampferzeuger ist ein hoher, zylindrischer Behälter, der vollständig mit Natrium gefüllt ist. In diesem Behälter verlaufen schraubenförmige Rohrleitungen, in denen das Wasser zum Antrieb der Turbine verdampft wird. Im Normalbetrieb sorgen zwei elektromagnetische Pumpen für die Umwälzung des Natriums. Zur Abführung der Nachzerfallswärme nach Abschaltung des Reaktors, würde der sich einstellende Naturumlauf ausreichen. Wegen der vorliegenden Temperaturspreizungen (Kerneintritt: 360 °C, Kernaustritt: 499 °C, Dampferzeuger Eintritt: 477 °C, Austritt 326 °C) besteht ein ausreichend großes Sicherheitsgefälle.

Der Reaktor benötigt keinerlei elektrische Energie nach einer Schnellabschaltung. Ein Unglück wie in Fukushima ist daher ausgeschlossen. Die Nachzerfallswärme kann auf drei Wegen abgeführt werden:

  1. Über einen Bypass der Turbine durch den normalen Dampfkreislauf des Kraftwerks.
  2. Zwischen dem Dampferzeuger und seiner Isolierung befindet sich ein Luftspalt. Ist der Weg 1 nicht möglich (z. B. Bruch einer Dampfleitung), kann über den Naturzug die Wärme an die Umgebung abgegeben werden.
  3. Zwischen Sicherheitsbehälter und Betongrube befindet sich ebenfalls ein Luftspalt. Dieser ist mit Abluftkaminen oberhalb der Erde verbunden. Die durch die Nachzerfallswärme des Reaktors aufgeheizte Luft kann in diesen aufsteigen und wird durch nachströmende kühle Umgebungsluft ersetzt (Reactor Vessel Auxiliary Cooling System RVACS).

Anders, als bei Leichtwasserreaktoren, werden die abgebrannten Brennelemente nicht in einem separaten Brennelementelagerbecken gelagert, sondern verbleiben mindestens für einen weiteren Zyklus (Ladezyklus 12 bis 24 Monate, je nach Betriebsweise) im Reaktorbehälter. Dazu entfernt die automatische Lademaschine das gewünschte Brennelement, ersetzt es durch ein neues und stellt das alte zur Zwischenlagerung in das „obere Stockwerk“ des Reaktorbehälters. Erst, wenn die Brennelemente zur Wiederaufbereitung sollen, werden sie von der Lademaschine aus dem Reaktor gezogen, gereinigt und übergeben. Sie sind dann bereits soweit abgekühlt, daß sie problemlos „an die Luft können“, da die Brennstäbe aus Stahlrohren gefertigt sind.

Neu, ist die ganze Technik überhaupt nicht. Allein der Experimental Breeder Reactor EBR-II hat 30 Jahre erfolgreich gelaufen. Wenn sich jetzt mancher fragt, warum solche Reaktoren nicht längst gebaut werden, ist die Antwort einfach: Wir haben einfach noch nicht genug von dem, was „Atomkraftgegner“ als „Atommüll“ bezeichnen! Eine Serienproduktion macht wirtschaftlich nur Sinn, wenn die Stückzahl ausreichend groß ist. Dieser Reaktor braucht zur Inbetriebnahme 11% bis 17% spaltbares Plutonium und kann 18% bis 23% Transurane vertragen. Um 100 Reaktoren erstmalig zu befüllen, benötigt man daher geschätzt 56.000 bis 70.000 Tonnen Schwermetall in der Form abgebrannter Brennelemente aus Leichtwasserreaktoren. Es ist jetzt der richtige Zeitpunkt, mit Planung und Bau eines Prototypen zu beginnen. Diesen kann man gut mit „Bomben-Plutonium“ aus der Abrüstung oder bereits vorhandenem Plutonium aus Wiederaufbereitungsanlagen bauen. Die Zeit läuft nicht weg: Natururan ist noch billig und je länger die abgebrannten Brennelemente lagern, um so einfacher lassen sie sich aufbereiten. Geht man von kostenlos erhältlichem „Atommüll“ aus – manche meinen ja sogar, man benötige ein Milliarden teueres Endlager für abgebrannte Brennelemente – liegen die kompletten Brennstoffkosten (einschließlich geologischem Lager für die Spaltprodukte) für diesen Reaktortyp weit unter 1/2 Cent pro kWh elektrischer Energie. Spätestens jetzt sollte jedem klar sein, warum man die abgebrannten Brennelemente so sorgfältig in so aufwendigen Behältern verpackt „zwischenlagert“. Sehen so Mülltonnen aus? Die Lagerhalle von Gorleben beispielsweise, ist eher ein Goldschatz.

ALFRED

Das einzige europäische Projekt ist der Advanced Lead Fast Reactor European Demonstrator (ALFRED). Er wird zur Zeit von dem Konsortium aus ENEA und Ansaldo Nuclear aus Italien und der rumänischen ICN verfolgt. Es wird auch Fostering Alfred Construction FALCON genannt. Die über 1 Milliarde Euro Kosten sollen wesentlich von der EU, aus verschiedenen Töpfen aufgebracht werden. Der Standort soll in Mioveni in der Nähe von Pitesti in Rumänien sein. Baubeginn ist für 2017 und eine Fertigstellung bis 2025 gedacht. Er soll eine Leistung von 125 MWel bei 300 MWth. haben. Es ist wohl eine reine Demonstrationsanlage. An eine Serienfertigung ist eher nicht gedacht.

Die Verwendung von Blei als Kühlmittel ist ein Abfallprodukt der europäischen Entwicklung eines, durch einen Beschleuniger angetriebenen, unterkritischen Reaktors. Zum Betrieb eines „schnellen“ Reaktors ist Blei ein eher exotisches Kühlmittel. Alle anderen Nationen verwenden ein Eutektikum aus Blei-Bismut als Kühlmittel. Die längste – und negativste Erfahrung – mit Blei und Blei-Bismut hat Rußland. Dort wurden sie zum Antrieb von Atom-U-Booten der sog. Alpha-Klasse in den 1950er Jahren entwickelt. Wegen ständiger Schäden – bis hin zum Totalverlust – verwendet auch die russische Marine inzwischen Leichtwasserreaktoren.

Als Vorteil von Blei bzw. Blei-Bismut werden immer wieder gerne, folgende Vorteile plakativ in den Vordergrund gestellt:

  • Blei reagiert nicht mit Wasser (gemeint ist, im Gegensatz zu Natrium) und es könnten daher die Dampferzeuger angeblich gefahrlos im Reaktorgefäß integriert werden.
  • Sehr hohe Siedetemperatur (1745 °C) bei sehr geringem Dampfdruck. Daraus wird ein günstiger Blasenkoeffizient der Reaktivität abgeleitet, der einen angeblichen Sicherheitsvorteil ergibt.
  • Blei wäre ein besonders schlechter Moderator und besässe besonders kleine Absorptionsquerschnitte.

Ansonsten fallen einem leider nur Nachteile ein:

  • Blei wird überhaupt erst bei 327 °C flüssig. Darum haben die Russen von Anfang an mit einem Eutektikum aus Blei und Bismut (Schmelzpunkt 124 °C) gearbeitet. Wartungs- und Inspektionsarbeiten bei so hohen Temperaturen sind Neuland. Der Reaktor muß ständig beheizt werden. Es gibt den neuen Störfall „(lokale) Unterkühlung“ mit entsprechenden Konsequenzen für das Genehmigungsverfahren.
  • Flüssiges Blei ist korrosiv. Die Russen haben dieses Problem nie so richtig in den Griff bekommen. Die Wege über den Sauerstoffgehalt und Beschichtungen waren nicht zielführend – ein überhöhter Verschleiß (Lebensdauer) ist die Folge. Darüber hinaus, ist flüssiges Blei auch noch abtragend. Die Strömungsgeschwindigkeit muß deshalb klein gehalten werden.
  • Durch die grosse Masse des Bleis im Reaktor, sind besondere Schutzmaßnahmen gegen Erdbeben notwendig.
  • Durch die hohe Dichte des Bleis werden die Regelstäbe von unten eingeschwommen (völlig neues Prinzip, Genehmigungsverfahren) oder von oben pneumatisch eingeschossen (nicht passiv).
  • Als Brennstoff sind Uranoxid oder Urannitrid vorgesehen. Wegen der gegenüber metallischen Brennstoffen schlechten Wärmeleitung, besteht (wieder) die Gefahr der (lokalen) Kernschmelze. Der Effekt einer inhärenten Sicherheit scheint nur schwer nachweisbar. Eine Kühlung über unterkühltes Blasensieden (wie auch in jedem Druckwasserreaktor) scheidet durch den hohen Siedepunkt (der ja immer als Vorteil bezeichnet wird) aus.
  • Bisher gibt es bei ALFRED kein echtes Notkühlsystem. Die Nachzerfallswärme müßte immer über die innenliegenden Dampferzeuger abgeführt werden. Der Nachweis – auch nach einer physikalischen Dampfexplosion oder eines abschnittsweisen Verstopfens durch Einfrieren –. dürfte sich schwierig gestalten.

Bis ein mit flüssigem Blei gekühlter Reaktor in einem westlichen Land genehmigungsfähig ist, dürften noch Jahrzehnte Forschungs- und Entwicklungsarbeit nötig sein. Insofern dürften sie außerhalb der Konkurrenz mit anderen SMR-Entwürfen stehen. Manchmal fragt man sich wirklich, warum sich manche Kerntechniker immer selbst im Wege stehen müssen. Man könnte fast sagen: Gott schütze uns vor diesen Forschern, mit den „Atomkraftgegnern“ werden wir schon selber fertig.

Vorläufiges Ende

Hier ist das vorläufige Ende des Drei-Teilers erreicht. Es wurden die im derzeitigen Rennen um Förderung für SMR vorne liegenden Typen vorgestellt. Was noch fehlt, wären z. B. der Super-Safe, Small and Simple, 4S von Toshiba; die Encapsulated Nuclear Heat Source ENHS; der Flibe Energy Salzbadreaktor; der International Reactor Innovative & Secure IRIS Druckwasserreaktor; der Purdue Novel Modular Reactor PNMR Siedewasserreaktor; der Travelling Wave Reactor TWR; der ANTARES von Areva, der Advanced Reactor Concept ARC-100 und wer weiß noch, welche sonst alle….

 

 

Neuer Temperaturrekord für Brennstoffe gemeldet

Forscher am Idaho National Laboratory (INL) und beim Oak Ridge National Laboratory (ORNL) meldeten einen neuen Meilenstein bei der Entwicklung von Brennstoffen für einen Reaktor der sog. vierten Generation. Sie erreichten einen neuen Rekord von 1800 °C . „Ein sicherer und effizienterer Kernbrennstoff zeichnet sich am Horizont ab“ war die Meldung betitelt. Der weiterentwickelte TRISO-Brennstoff (tristructural-isotropic, Bilderstrecke hierzu) hätte sich als noch robuster als gedacht erwiesen. Die Entwicklung dieses Brennstoffes ist Bestandteil einer Reaktorentwicklung für besonders hohe Betriebstemperaturen (Very High Temperature Reactor Technology Development Office). Es ist die Wiederaufnahme einer Entwicklungsschiene zur Nutzung von Kernenergie in der Chemie. Insbesondere zur Umwandlung von Kohle in umweltfreundlichere Produkte oder zur großtechnischen (chemischen) Wasserstoffgewinnung. Am konsequentesten und weitesten wurde diese Schiene einst in Deutschland (THTR) entwickelt. Mußte aber – wie so vieles andere – aus politischen Gründen aufgegeben werden. Inzwischen wurde auch die Entwicklung in Südafrika mangels finanzieller Möglichkeiten fast vollständig eingestellt. Nur das andere „Kohleland“ China, verfolgt noch mit merklichem Einsatz die Weiterentwicklung. Die USA – auch das Saudi Arabien der Kohle genannt – betreiben mit allen eine enge Kooperation, insbesondere auf dem Sektor der Brennstoffentwicklung.

Der heutige Stand, ist das Ergebnis von 11 Jahren Entwicklung am INL und ORNL. Wobei diese Forschung, schon auf den deutschen Ergebnissen aus den 1980er Jahren aufbauen konnte. Dies nur mal so am Rande, wie lang Entwicklungszeiträumen in der Kerntechnik dauern. Dabei handelt es sich hier nur um ein Teil – dem Brennelement – eines neuen, gasgekühlten Hochtemperaturreaktors. Alle Teile koppeln aber später im Betrieb gegenseitig aufeinander zurück. Erinnert sei nur, an das Einfahren der Steuerstäbe in den Kugelhaufenreaktor in Hamm-Üntrop, welches zu unerwartetem Verschleiß geführt hatte. Die hier beschriebenen TRISO-Elemente waren drei Jahre zur Bestrahlung in einem Testreaktor (im Advanced Test Reactor des INL). Ziel war ein Abbrand von etwa 20%. Dies entspricht etwa dem doppelten Wert, der damals in Deutschland verwendeten Brennelemente. Je höher der Abbrand ist, um so mehr Spaltprodukte sind in den Brennelementen vorhanden und um so höher war die Strahlenbelastung.

Nach der Bestrahlung wurden sie in einem Ofen auf die Testtemperatur erhitzt. Hauptzweck eines solchen Versuches ist, zu messen, wieviel Spaltprodukte, von welcher Sorte, „ausgeschwitzt“ werden und wie stark die anderen Eigenschaften (Festigkeit, Korrosion etc.) nachlassen. Aus solchen Versuchen kann man wertvolle Erkenntnisse für die Optimierung des Herstellungsprozesses ableiten. Die Meßergebnisse sind so positiv, daß man sogar Tests bei noch höheren Temperaturen erwägt. Wichtig für die Sicherheitstechnik ist, daß bereits die jetzigen Temperaturen etwa 200 Grad über den möglichen Höchsttemperaturen bei einem Störfall liegen.

Unterschiede zu konventionellen Brennelementen

Ein Brennelement enthält den Spaltstoff (Uran, Plutonium) und soll später die bei der Kernspaltung entstehenden Produkte möglichst gut festhalten. Das Brennelement muß gekühlt werden. Bei einem Leichtwasserreaktor ist das Kühlmittel auch das Arbeitsmedium (Dampfturbine). Bei einem klassischen Hochtemperaturreaktor, dient Helium als Wärmeübertrager zwischen den Brennelementen und dem eigentlichen Dampfkreislauf. Verwendet man Helium als Kühlmittel und wünscht trotzdem ein thermisches Neutronenspektrum, benötigt man noch einen zusätzlichen Moderator. Diese Funktion übernimmt der Kohlenstoff in den TRISO-Elementen.

Ein Brennelement eines Druck- oder Siedewasserreaktors besteht aus vielen einzelnen Brennstäben (üblich 14 x 14 und 17 x 17). Jeder Brennstab ist mit Tabletten (kleine Zylinder mit etwa 1 cm Durchmesser und Höhe) aus Uranoxid gefüllt. Die Hülle besteht aus einem beidseitig verschlossenen Rohr aus einer Zirkonlegierung. Uranoxid ist in Wasser praktisch unlöslich und hat einen hohen Schmelzpunkt von über 2800 °C. Dies erscheint sehr hoch, kann aber relativ schnell im Innern eines Brennstabs erreicht werden, da Uranoxid ein schlechter Wärmeleiter ist. Es kommt deshalb bei einem Verlust des Kühlwassers – wie in Harrisburg und Fukushima – partiell zur „Kernschmelze“. Infolgedessen reagiert die Brennstabhülle mit Wasserdampf bei hoher Temperatur und es bilden sich beträchtliche Mengen Wasserstoff, die in Verbindung mit Luft explodieren können. Die ursprünglich im Brennstab zurückgehaltenen Spaltprodukte können freigesetzt werden. Dabei ist zu beachten, daß viele Spaltprodukte bei den hohen Temperaturen gasförmig sind. Sie breiten sich deshalb zumindest im Reaktor aus. Dies führt zu einer erheblichen Strahlenbelastung, die menschliche Eingriffe für lange Zeit unmöglich macht. Man muß also längere Zeit warten, bis man mit den Aufräumarbeiten beginnen kann. Dies war das Problem in Harrisburg und ist heute das Problem in Fukushima.

Die Kombination Uranoxid, eingeschweißt in einer Hülle aus einer Zirkonlegierung (Zirkalloy) ist für den „normalen“ Betrieb eine sehr gute Lösung. Solche Brennelemente sind sogar für Jahrzehnte problemlos in Wasserbecken oder Spezialbehältern (trocken) lagerbar. Anders verhält es sich, wenn sie – insbesondere aus dem vollen Betrieb heraus – „trocken fallen“: Die Temperatur des Brennstabs steigt sofort über den gesamten Querschnitt an. Dies liegt an der relativ gleichmäßigen Verteilung der Spaltprodukte (Nachzerfallswärme) und der schlechten Wärmeleitung von Uranoxid. Der Brennstab fängt regelrecht an zu glühen und kann in seinem Inneren bereits aufschmelzen. Ohne den Phasenübergang von Wasser zu Dampf (Verdampfungsenthalpie) ist der gewaltige Wärmestrom (dafür reicht schon die Nachzerfallswärme kurz nach Abschaltung) nicht aus dem Brennstab zu transportieren. Mit anderen Worten: Ist der Brennstab erst einmal von Dampf umgeben, heizt er sich immer weiter auf. Nun setzen zwei fatale Prozesse ein: Infolge der steigenden Temperatur verliert das Brennelement seine mechanische Festigkeit und das Material der Brennstoffhülle „verbrennt“ im heißen Wasserdampf und produziert dadurch beträchtliche Mengen Wasserstoff. In diesem Moment wird ein Teil der vorher eingeschlossenen radioaktiven Stoffe zumindest im Reaktordruckgefäß (Unfall in Harrisburg) oder sogar im Sicherheitsbehälter (Fukushima) freigesetzt. Die produzierte Menge Wasserstoff kann so groß sein, daß sie ein ganzes Kraftwerk zerstört. Die Bilder von der Explosion in Fukushima sind hinlänglich bekannt. Ist das passiert, wird auch eine beträchtliche Menge radioaktiver Stoffe in die Umwelt freigesetzt.

Man kann also zusammenfassend sagen: Die Konstruktion der Brennelemente eines Leichtwasserreaktors funktioniert nur so lange, wie sie ständig von flüssigem Wasser umgeben sind. Sind sie nicht mehr vollständig von Wasser benetzt, nimmt die Katastrophe innerhalb von Sekunden ihren Lauf und endet – zumindest – im Totalschaden des Reaktors. Die Sicherheit steht und fällt mit der Aufrechterhaltung einer „Notkühlung“. Ein „trocken fallen“ muß sicher verhindert werden. Dabei spielt es keine Rolle, ob dies von außen ausgelöst wird (Tsunami), durch technisches Versagen im Kraftwerk (Rohrbruch) oder auch durch menschliches Versagen (Bedienungsfehler). In diesen Zusammenhängen liegt die Begründung für die passiven Sicherheitseinrichtungen bei Reaktoren der sog. Generation III+.

Das TRISO-Konzept

Beim Tristructural-isotropic (TRISO) Brennstoff geht man nicht von einer Tablette mit einem Durchmesser von etwa 1 cm als Baustein aus, sondern von winzigen Körnern, im Bereich von zehntel Millimetern. Diese Körnchen werden mit vier Schichten umhüllt und besitzen anschließend einen Durchmesser von etwa einem Millimeter. Die erste Schicht besteht aus porösem Kohlenstoff. Sie kann wie ein Schwamm die Ausdehnungen des Brennstoffkerns ausgleichen und kann aus ihm entwichene Spaltprodukte (Gase) aufnehmen. Diese Schicht ist von einer weiteren Schicht aus dichtem pyrolitischem Kohlenstoff (PyC) umgeben. Nun folgt eine Schutzschicht aus Siliziumkarbid (SiC). Dieses Material ist sehr hart und chemisch widerstandsfähig. Außen folgt eine weitere Schicht Kohlenstoff. Ein solches Korn „Verbundwerkstoff“ ist gleichzeitig nahezu unzerbrechlich und äußerst temperaturbeständig. In diesem „Tresor“ sind Spaltstoff und Spaltprodukte für Jahrzehnte fest eingeschlossen. In Deutschland plante man die „abgebrannten“ Kugeln in Edelstahlbehälter einzuschweißen und diese dann in ein Endlager zu bringen.

Aus diesen kleinen TRISO-Körnern kann man in einem weiteren Verfahrensschritt handhabbare Brennelemente „backen“. Bei einem Kugelhaufenreaktor sind das etwa Tennisball große Kugeln aus solchen TRISO-Körnern, die durch weiteren Kohlenstoff miteinander verbunden sind. Das erforderliche Verhältnis, ist durch die Neutronenphysik vorgegeben, da bei diesem Reaktortyp der Kohlenstoff auch die Funktion des Moderators übernehmen muß. Das durch den Kugelhaufen strömende Helium dient nur dem Wärmetransport. Da weder Zirkalloy, noch Wasser vorhanden ist, kann bei einem Störfall auch keine größere Menge Wasserstoff gebildet werden. Eine Explosion, wie im Kraftwerk Fukushima, wäre ausgeschlossen.

Wie diverse Versuche mit Kugelhaufenreaktoren eindrucksvoll gezeigt haben, sind sie „inhärent sicher“. In China hat man beispielsweise in einem öffentlichen Versuch dem Reaktor bei voller Leistung die Wärmesenke entzogen. Der Reaktor „ging von alleine aus“ und verharrte in einem stabilen Zustand. Die Kettenreaktion wurde durch den extrem negativen Temperaturkoeffizienten des Reaktorgraphit und dem Dopplereffekt des Brennstoffs augenblicklich unterbrochen. Durch die Nachzerfallswärme verharrt der Reaktor in diesem „überhitzten Zustand“ für viele Stunden, ohne jedoch eine für den Brennstoff kritische Temperatur zu überschreiten (Eine maximale Brennstofftemperatur von 1600 °C wurde nach drei Tagen erreicht). Der Reaktor blieb unbeschädigt und konnte nach dem Versuch wieder in Betrieb gesetzt werden. Diese Demonstration war wichtig, da dieser Reaktortyp unmittelbar in Raffinerien als Wärmequelle eingesetzt werden soll.

Ein Reaktor mit TRISO-Brennstoff und Helium als Kühlmittel macht hauptsächlich zur Erzeugung von Hochtemperatur-Prozeßwärme Sinn. Der gegenüber Leichtwasserreaktoren höhere Kapitalaufwand, wiegt die Brennstoffeinsparung durch höhere Wirkungsgrade bei der Stromerzeugung nicht auf. Bei kleinen Reaktoren dieses Typs, ist wegen des günstigen Verhältnisses von Volumen zu Oberfläche, eine „Notkühlung“ nicht notwendig. Die geringe Leistung (einige Hundert Megawatt) ist für die Anwendung „Prozeßwärme“ kein Nachteil, da der Bedarf von Hochtemperaturwärme an einem Standort ohnehin begrenzt ist. Wegen der relativ geringen Stückzahlen ist eine Wiederaufbereitung eher unwirtschaftlich. Die Stabilität der TRISO-Elemente kommt einer direkten „Endlagerung“ entgegen. Geschieht diese rückholbar, kann das irgendwann bei Bedarf geschehen.

Wie in Deutschland eindrucksvoll gezeigt wurde, eignet sich dieses Reaktorkonzept hervorragend, um Thorium nutzbar zu machen. Bei Kugelhaufen ist eine Anreicherung von 8 bis 10% Spaltmaterial und für das US-Konzept der Prismenanordnung von 14 bis 19% erforderlich. Es wäre sogar eine Verwendung von „teilaufgearbeitetem“ Leichtwasserbrennstoff möglich. Wegen des hohen Abbrandes wären hiermit etwa 70% des vorhandenen „Atommülls“ nutzbar. Ein Konzept, ähnlich dem koreanischen DUPIC-Verfahren (Nachnutzung in Schwerwasserreaktoren).