Die „Dual Fluid“ Erfindung

oder Verschwörungstheoretiker versus Erfindermesse

Seit ein paar Wochen tobt im Internet ein Streit zwischen den „Reaktorerfindern“ des Instituts für Festkörper-Kernphysik gGmbH (http://dual-fluid-reaktor.de) und den „Preisstiftern“ des Greentec-Awards 2013 (http://www.greentec-awards.com). Soweit ein Außenstehender nachvollziehen kann, geht es um die Bewerbung von A bei B um irgendeine Auszeichnung. Leider wurde der „Dual Fluid Reaktor“ von A nachträglich durch B disqualifiziert, weil er angeblich die Ausschreibungsbedingungen gar nicht erfüllt. Damit hätte sich das Interesse des Autors bereits vollständig erschöpft, wenn nun nicht in allen möglichen Blogs Partei für die eine oder andere Seite ergriffen würde. Inzwischen wird die Angelegenheit zum Glaubenskrieg Pro oder Kontra Kernenergie hochstilisiert. Von beiden Lagern wird soviel Blödsinn verbreitet, daß es dem Autor notwendig erscheint, ein paar erklärende Worte zu versuchen.

Grundsätzliches

Jedes Kernkraftwerk braucht einen Brennstoff und ein Arbeitsmedium. Für die (großtechnische) Stromerzeugung hat sich bis zum heutigen Tag nur der von einer Turbine angetriebene Generator durchgesetzt. Bei den Turbinen überwiegt die Dampfturbine und in wenigen Fällen die „Luftturbine mit innerer Verbrennung“, meist kurz „Gasturbine“ genannt. Für Kernkraftwerke scheidet die zweite aus. Deshalb funktionieren alle Kernkraftwerke mit Dampfturbinen. Wie bestimmend der Wasser-Dampf-Kreislauf für Kernkraftwerke ist, hat sich vor nicht all zu langer Zeit wieder an der Weiterentwicklung des mit Helium gekühlten Kugelhaufenreaktors gezeigt: China und Deutschland haben erfolgreich auf Dampfturbinen gesetzt, das Konsortium in Südafrika ist kläglich an der Entwicklung einer mit Helium betriebenen Gasturbine gescheitert.

Beim Brennstoff wird die Sache schon bedeutend vielfältiger: Man hat unterschiedliche Stoffe (z. B. Uran, Thorium, Plutonium) in unterschiedlichen chemischen Verbindungen (Uranoxid, -nitrid, -karbid, metallisch) und Aggregatzuständen (feste Tablette, wässrige Lösung, geschmolzene Salze) verwendet. Jede Brennstoffart hat ihre ganz charakteristischen Vor- und Nachteile, die in jedem konkreten Anwendungsfall abgewogen werden müssen. Den idealen Brennstoff gibt es nicht!

Ein wenig Neutronenphysik

Prinzipiell kann man jedes „schwere Element“ mit Neutronen spalten. Allerdings ist die Wahrscheinlichkeit für eine Spaltung nicht nur eine Stoffeigenschaft, sondern hängt auch von der Geschwindigkeit der auftreffenden Neutronen ab. Man unterscheidet deshalb in der Neutronenphysik bei jedem Isotop noch Absorptions-, Streu- und Spaltquerschnitte als Maß für die Wahrscheinlichkeit, was nach einem Zusammenstoß mit einem Atomkern passiert. Diese Querschnitte sind darüber hinaus keine einzelnen Werte, sondern Funktionen der Neutronengeschwindigkeit. Umgangssprachlich ausgedrückt: Wild gezackte Kurven.

Im Zusammenhang mit der „Atommüllproblematik“ kann also festgestellt werden, man kann alle Aktinoide – also insbesondere, die gefürchteten, weil sehr langlebigen Bestandteile der benutzten Brennelemente, wie Plutonium etc. – in (speziellen) Reaktoren spalten und damit unwiederbringlich aus der Welt schaffen. Alle Spaltprodukte wären nach rund 300 Jahren verschwunden. Es geht also nicht um ein etwas anderes Endlager, sondern um eine Beseitigung unter gleichzeitiger Energiegewinnung. Erforderlich ist bei einem solchen „Reaktor zur Beseitigung von langlebigen Aktinoiden“ ein hartes Neutronenspektrum. Die Neutronen dürfen nach ihrer Entstehung möglichst wenig abgebremst werden. Wie alle Erfahrungen international gezeigt haben, läßt sich das am wirksamsten mit einem natriumgekühlten schnellen Reaktor realisieren. Dafür ist kein „Salzbad“ zwingend notwendig.

Das einzige, in der Natur vorkommende Isotop, welches in der Lage ist eine Kettenreaktion einzuleiten, ist Uran-235. Hinzu kommen noch die beiden künstlich hergestellten Isotope Plutonium-239 (gewonnen aus Uran-238) und gegebenenfalls Uran-233 (gewonnen aus Thorium). Ohne wenigstens eines der drei, funktioniert kein Reaktor! Will man darüber hinaus einen Reaktor zur Beseitigung von (allen) Aktinoiden bauen, müssen diese Isotopen in hoher Konzentration (mindestens zweistellig) vorliegen, da ihre Einfangquerschnitte für diese Neutronengeschwindigkeiten sehr klein sind. Das andere Ende der Möglichkeiten, wie z. B. Schwerwasserreaktoren, können sogar mit Natururan (U-235 – Gehalt 0,7%) und Thoriummischungen betrieben werden. Unsere heutigen Leichtwasserreaktoren werden optimal mit einer Anreicherung von etwa 3 bis 5% betrieben.

Die Uranfrage

In der 1950er-Jahren gab es weltweit eine Uranknappheit. Man glaubte daher, ohne „Brüter“ keine friedliche Nutzung der Kernenergie schaffen zu können. Man kannte das Dilemma, daß man ausgerechnet für „Brüter“, also Reaktoren, die mehr Plutonium herstellen, als sie bei der Kernspaltung selbst verbrauchen, große Mengen Spaltmaterial benötigte. „Verdoppelungszeit“ war das Wort der Stunde. Gemeint ist damit der Zeitraum, der vergeht, bis so viel Plutonium erbrütet, wiederaufbereitet und verarbeitet ist, bis man damit einen zweiten Reaktor zusätzlich in Betrieb nehmen kann.

Eine Analyse des Problems führte zu flüssigen Brennstoffen. Bei einer Flüssigkeit kann man kontinuierlich einen Strom abzweigen und wieder aufbereiten. Wässrige Uranlösungen waren nicht zielführend, da man die unkontrollierbaren Ablagerungen im Reaktor nicht in den Griff bekam. Man ging zu geschmolzenem Salz über. In diesen Salzbädern konnte man auch Thorium – als weitere Rohstoffquelle – erschließen.

Thorium als Alternative

Um es gleich vorweg zu nehmen, um Thorium zu nutzen, braucht man keinen Salzbadreaktor. Dies hat Kanada/Indien (CANDU) und Deutschland (THTR) erfolgreich unter Beweis gestellt. Andererseits braucht man für Salzbadreaktoren nicht zwingend Thorium. Es geht auch mit Uran. Ein Mißverständnis, das oft in der Öffentlichkeit zu hören ist.

Zurück zum „Brüten“. Viele Spaltstoffe sind „parasitär“. Sie absorbieren einen Teil der bei der Spaltung frei gewordenen Neutronen. Diese sind dann sowohl für eine weitere Spaltung – um die Kettenreaktion überhaupt in Gang zu halten – oder eine Umwandlung von Uran oder Thorium unwiederbringlich verloren. Neutronen sind aber äußerst kostbar. Bei der Spaltung werden nur zwei bis drei freigesetzt. Eines braucht man für die nächste Spaltung (Kettenreaktion), die anderen könnten „brüten“. An dieser Stelle wird klar, warum es so schwer ist einen „Brüter“ zu bauen, bzw. die „Verdoppelungszeit“ grundsätzlich sehr lang ist: Zwei Neutronen sind weg (für die nächste Spaltung und um das gespaltene Atom zu ersetzen), es bleibt für einen Mehrwert nur die Stelle hinter dem Komma.

Zurück in die 1950er-Jahre: Man glaubte an eine Knappheit von Natururan, welches auch noch strategisch wichtig war (atomare Aufrüstung im kalten Krieg). Man wußte ferner, daß die „Verdoppelungszeiten“ für „schnelle Brüter“ sehr lang waren und deshalb der Ausbau der Nutzung der Kernenergie gefährdet schien. Ferner wußte man, daß die Vorräte an Thorium etwa vier mal so groß, wie die Welt-Uranvorräte sein mußten. Wenn dies auch nichts über die wirtschaftliche Gewinnung aussagt.

Bei Thorium kommt noch der Vorteil hinzu, daß die „Neutronenausbeute“ bei Spaltung durch schnelle oder langsame Neutronen nicht so verschieden ist. Hohe „Konversionsraten“ sind relativ einfach möglich. Dies war der zweite Vorteil – neben der hohen Betriebstemperatur – des deutschen THTR-Reaktor-Konzepts. Man benötigte eine relativ kleine Impfung mit hoch angereichertem Uran oder Plutonium, um den Reaktor zu starten. Der größte Teil der Energie wurde dann aus dem selbst umgewandelten Thorium erzeugt. Hoher Abbrand, bei geringem Einsatz von kostbarem Uran-235 bzw. Plutonium.

Salzbadreaktor

Wenn man einen Reaktor mit flüssigem Brennstoff bauen will, kommt man sehr schnell –und immer wieder – auf die sogenannten FLiBe-Salze. Eine Mischung auf der Basis von Fluor, Lithium und Beryllium. Sie haben geringe Einfangquerschnitte (wirken also kaum parasitär für die Neutronen), besitzen einen geringen Schmelzpunkt (sehr wichtig bei jeder Inbetriebsetzung) und sind (einigermaßen) nicht korrosiv.

Allerdings ist es zumindest diskussionswürdig, ob die in der Öffentlichkeit angeführten Vorteile überhaupt solche sind. Die Herstellung des „Betriebsmediums“ innerhalb eines Kraftwerks ist nicht unproblematisch. Ein Kraftwerk ist keine Chemiefabrik. Es sei nur darauf hingewiesen, daß Beryllium und seine Verbindungen hoch giftig und krebserregend sind. Die Aufrechterhaltung eines stets homogenen Brennstoffs von gleichbleibender chemischer und neutronenphysikalischer Qualität, ist eine echte Herausforderung.

Gut ein Drittel der Spaltprodukte sind Gase. Bei festen Brennelementen ist deren sicherer Einschluß im gasdicht verschweißten Rohr ein zentraler Bestandteil der Sicherheitsphilosophie. Bei einer Flüssigkeit perlen sie naturbedingt und unkontrollierbar aus. Es muß deshalb ständig ein Teilstrom ausgeschleust werden, aus dem durch Strippung mit Helium die gasförmigen (bei dieser Temperatur) Bestandteile abgeschieden werden. Diese sind hochradioaktiv und müssen sicher zurückgehalten werden. Die Abgasstrecke ist schon in einer konventionellen Wiederaufbereitungsanlage eine recht komplexe Angelegenheit. Hier kann aber nicht mit „abgelagertem“ Brennstoff, sondern muß stets mit frischem gearbeitet werden.

Die Salze sind auch nicht ganz billig. Auch hier nur ein Hinweis: Natürliches Lithium besteht aus 92,5% Lithium-7 und 7,5% Lithium-6. Lithium-6 sollte aber nicht verwendet werden, weil aus ihm durch Neutroneneinfang Tritium entsteht. Tritium ist in der Kerntechnik äußerst unbeliebt, da es mit Sauerstoff „radioaktives“ Wasser bildet, das aus dem biologischen Kreislauf praktisch nicht mehr zu entfernen ist. Deshalb muß das natürliche Lithium erst aufwendig angereichert werden. Bisher ging das großtechnisch nur unter Verwendung von Quecksilber. In Oak Ridge ist man seit Jahrzehnten damit beschäftigt, die Quecksilberverseuchung aus der Lithiumanreicherung wieder zu beseitigen.

Aufbereitung durch Pyroprocessing

In letzter Zeit findet bei der Wiederaufbereitung ein Paradigmenwechsel statt. Es steht nicht mehr die Gewinnung von möglichst reinem Uran bzw. Plutonium im Vordergrund, sondern die Gewinnung möglichst reiner Spaltprodukte. Je reiner die Spaltprodukte, je kürzer die Lebensdauer des „Atommülls“. Ein „Endlager“ wäre überflüssig. Je „schmutziger“ das Plutonium, je ungeeigneter zur Waffenproduktion.

Ein Favorit in diesem Sinne, ist das Pyroprocessing. Im Prinzip ist es das gleiche Verfahren, wie bei der Kupfergewinnung. Die Metalle (Uran, Plutonium und im Idealfall alle minoren Aktinoide) wandern von der Atommüll-Elektrode zur Rein-Metalle-Elektrode. Die Spaltprodukte bleiben im Elektrolyt zurück. Das Aktinoidengemisch wird zu neuen Brennelementen verarbeitet. Es ist für die Waffenherstellung ungeeignet.

Auch hierfür ist kein Salzbadreaktor erforderlich. Es wurde erfolgreich für den mit Natrium gekühlten IFR eingesetzt. Man könnte sogar konventionelle Brennelemente aus Leichtwasserreaktoren damit aufbereiten. Es ist lediglich eine Zusatzstufe zur Reduktion der Uranoxide notwendig. Die Koreaner arbeiten mit Hochdruck an dieser Schiene. Sie benötigen dieses Aufbereitungsverfahren, wegen der besonderen politischen Situation auf der koreanischen Halbinsel.

Fazit

In der Kürze eines solchen Artikels läßt sich die Breite der Kerntechnik nur anreißen. Es gibt in der Technik kein gut, sondern lediglich ein besser oder schlechter geeignet – und das ist in jedem einzelnen Anwendungsfall neu zu beurteilen. Es nutzt überhaupt nichts, wenn irgendwelche Trolle Diskussionen führen, wer den besseren Reaktor kennt. Solche Diskussionen sind genauso kindisch, wie die üblichen Argumentationsschlachten der Sonnenmännchen für ihre „regenerativen Energien“. Was die „Erfindung des Dual Fluid Reaktors“ betrifft, handelt es sich eher um den Entwurf für ein neues Perry Rhodan Heft, als um ein Patent für einen genehmigungsfähigen Reaktor. Dies ändert aber auch nichts an der Schwachsinnigkeit der Begründung der Ablehnung. Warum sagt „GreenTec Awards“ nicht einfach: Wir mögen keine Kernenergie, basta! Dies wäre völlig legitim. Unanständig wird die Sache erst dadurch, daß man die Entscheidung krampfhaft versucht zu begründen und dabei sogar Tatsachen verdreht.

Bestellung 5 bis 8

Türkei, wer denkt da nicht an Sonne bis zum Abwinken oder Segelurlaub im Mittelmeer? Wahrscheinlich haben unsere Politiker ein wenig geträumt, als sie in ihrer unendlichen Weisheit den Ausstieg aus der Kernenergie beschlossen haben. Sollte Deutschland nicht vorangehen, damit uns die anderen folgen können? Nun, die Türkei als Schwellenland ist offensichtlich nicht bereit, in die Abgründe der „Energiewende“ abzutauchen. Am 3. Mai wurde auf höchster Ebene ein Abkommen zwischen Japan, Frankreich und der Türkei zum Bau und Betrieb von vier Kernreaktoren (Typ ATMEA1 mit je 1200 MWe) in Sinop an der Schwarzmeerküste geschlossen. Der erste Reaktor soll 2023 und der vierte 2028 den Betrieb aufnehmen. Errichtet wird das Kraftwerk von Mitsubishi Heavy Industries und betrieben von einem Konsortium aus GDF Suez (geplant 75% Anteil) und dem staatlichen Energieversorger Turkish Electricity Generation Corporation (geplant 20 bis 45% Anteil). Ganz neben bei, ist das der erste Auftrag über einen Neubau eines Kernkraftwerks für ein japanisches Unternehmen nach dem Fukushima Desaster. Auftragswert 22 Milliarden US$. Dafür müssten die Sonnenmännchen eine ganze Menge Windmühlen oder Sonnenkollektoren verkaufen. Macht aber nix, der Deutsche Michel wird weiterhin fest an die Schaffung von Arbeitsplätzen durch Wind und Sonne glauben.

Bestellung 1 bis 4

Begonnen hat das türkische Kernenergieprogramm im Mai 2010 mit dem Auftrag für vier Gidropress AES-2006 Reaktoren (mit je 1200 MWe) in Akkuyu am Mittelmeer. Mit der Baustellenvorbereitung wurde bereits begonnen und der offizielle Baubeginn ist für Ende 2013 vorgesehen. Das Kraftwerk soll 2019–2022 in Betrieb gehen. Ganz interessant ist das Finanzierungsmodell: Das Kraftwerk wird schlüsselfertig und zum Festpreis (über 15 Milliarden EUR) von Rosatom für eine Zweckgesellschaft errichtet. In dieser Zweckgesellschaft besitzt Rosatom mit 51% die Mehrheit. Bis zu 49% sollen von türkischen Gesellschaften gehalten werden. Diese Gesellschaft übernimmt für 60 Jahre den Betrieb des Kraftwerks. Zur Refinanzierung der langfristigen russischen Investitionen garantiert die Turkish Electricity Trade and Contract Corporation (TETAS) die Abnahme von 70% der Stromproduktion der Blöcke 1 und 2 und 30% der Produktion der Blöcke 3 und 4 zu einem garantierten Festpreis von 12,35 US-Cent pro kWh über 15 Jahre. Der Rest soll frei am Markt verkauft werden. Bei diesem Modell wird die Kreditlinie der Türkei kaum belastet, da Russland maßgeblich die Finanzierung übernimmt. Für Russland stellt sich die Investition wie eine langfristige Anleihe mit stetigem Zahlungsstrom aus der Türkei dar. Gleichzeitig ergibt sich jedoch eine enge unternehmerische Verknüpfung beider Länder. Anders – als beim deutschen EEG-Modell – wird nicht die volle Energiemenge über die gesamte Lebenszeit, zu einem Festpreis garantiert abgenommen, sondern lediglich eine (auch noch abnehmende) Teilmenge. Der Betreiber muß sich von Anfang an, an dem üblichen Risiko von Absatzmenge und erzielbaren Preisen beteiligen. Andererseits hat er aber auch die Chance auf zusätzlichen Erfolg.

Darüber hinaus, kann die Türkei „sanft“ in eine neue Zukunftstechnologie hineinwachsen. Zu diesem Konzept passt auch die Vergabe des ersten Kraftwerks an den (ehemaligen) „Ostblock“ und die Vergabe des zweiten Kraftwerks an den „Westen“. So kann von beiden Denkschulen der Kerntechnik gelernt werden. Ausdrücklich gewünscht, ist die Entwicklung des bereits geplanten dritten Kraftwerks (ab etwa 2020) durch türkische Ingenieurbüros. Das Modell erscheint ein wenig als Kopie des koreanischen Wegs. Bedenkt man das Selbstverständnis der Türkei als Beispiel für einen modernen islamischen Staat mit Vorbildfunktion, erscheint das durchaus nicht abwegig. Jedenfalls kann man die Türkei nicht als technikfeindlich bezeichnen. Sie hat klar die Bedeutung der Kerntechnik als Triebfeder einer modernen Industriegesellschaft erkannt. Die Beschäftigung mit „angepasster Technologie“ (so hieß Sonne, Wind und Bio noch vor 20 Jahren) überlässt man getrost saturierten Gesellschaften wie Deutschland.

Randbedingungen

Was treibt die Türkei zum Bau von zwölf Reaktoren? Die Frage ist recht leicht zu beantworten: Der Energiehunger eines aufstrebenden Landes. Im ersten Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts betrug das jährliche Wirtschaftswachstum etwa sechs Prozent. Durch die zunehmende Industrialisierung und den wachsenden Wohlstand hat sich der pro Kopf Verbrauch an elektrischer Energie fast verdoppelt. Es ist das Dilemma aller Schwellenländer: Ohne ausreichend elektrische Energie, kein angestrebtes Wirtschaftswachstum; durch den dringend benötigten steigenden Wohlstand eine zusätzlich angeheizte Nachfrage nach Energie. Dagegen ist ein Rückgang im Primärenergieverbrauch ein typisches Anzeichen stagnierender Volkswirtschaften. Man kann es zwar politisch korrekt als „Energieeffizienz“ verbrämen, aber am Ende ist es nichts anderes als Wohlstandsverlust.

Für die Türkei stellt sich daher die gleiche Frage, wie für China, Brasilien etc.: Wie kann der zusätzliche Energiebedarf kostengünstig gedeckt werden? Öl und Gas sind bereits heute sehr teuer und für eine Stromerzeugung schlicht weg zu schade. Ihr Verbrauch wird durch zunehmenden Verkehr und Industrialisierung ohnehin weiter ansteigen. Eher muß der Mehrverbrauch in diesen Sektoren durch elektrische Energie ersetzt werden. Letztendlich bleibt nur Kohle und Kernenergie. Will man Kohle umweltfreundlich verstromen, wird dies sehr viel teurer, wie man auch dies hervorragend in Deutschland studieren kann.

In allen Mittelmeerländern kommt mit steigendem Wohlstand und steigenden Bevölkerungszahlen noch ein weiteres Problem hinzu: Ausreichend Süßwasser für Mensch, Landwirtschaft und Industrie. Als Ausweg bleibt nur die Meerwasserentsalzung, die aber viel (billige) Energie benötigt. Man kann es deshalb drehen und wenden wie man will: Der Bau von zwölf Reaktoren allein in der Türkei, erscheint sehr sinnvoll – um nicht zu sagen alternativlos.