Neutronen als Spürhund

Neutronen sind schon seltsame Geschöpfe. Sie haben eine recht große Masse und keine elektrische Ladung. Sie sind deshalb in der Lage, viele Materialien nahezu ungehindert zu durchdringen. Ganz im Gegenteil zu den Protonen — ihren Gegenstücken im Kern — die eine positive Ladung besitzen. Sie haben zwar fast die gleiche Masse, werden aber wegen ihrer elektrischen Ladung stark beim Durchtritt durch Materie beeinflußt. Elektronen sind nur leicht und sind elektrisch negativ geladen. Wegen ihrer Ladung sind sie gut zu beschleunigen und auszurichten, dringen aber wegen ihrer geringen Masse nur wenig in Materialien ein. Sie werden deshalb z. B. zum Schweißen verwendet. Ein Partikelstrahl aus Neutronen würde den Stahl einfach durchdringen, ihn aber nicht zum Schmelzen bringen.

Da Neutronen keine Ladung besitzen, lassen sie sich nicht beschleunigen und in ihrer Flugrichtung beeinflussen. Sie lassen sich nur „mechanisch“ durch Zusammenstöße abbremsen. Sinnigerweise nur leicht, wenn sie mit schweren Kernen zusammenstoßen und sehr stark, wenn sie mit möglichst leichten Kernen zusammentreffen. Ihre „Reaktionsfreude“ hängt wiederum von ihrer Energie, d. h. ihrer Geschwindigkeit ab. Aufgrund dieses Zusammenhanges entsann der Mensch die Neutronenwaffe: Schnelle Neutronen sollten nahezu ungehindert Panzer durchdringen und erst mit den darin sitzenden Menschen (tödlich) reagieren.

Neutronen zur Analyse

Wenn Neutronen mit Atomkernen reagieren, entstehen immer irgendwelche charakteristischen γ-Quanten. Diese kann man recht einfach und sehr genau messen. Sprengstoffe bestehen wesentlich aus Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff in bestimmten chemischen Verbindungen. Wird ein solcher Stoff mit Neutronen beschossen, ergibt sich ein eindeutiger „Fingerabdruck“ in der Form des gemessenen γ-Spektrums. Sehr genau und sehr zuverlässig. Man kann nicht nur sagen, daß es Sprengstoff ist, sondern genau die Sorte angeben. Fehlalarme sind nahezu ausgeschlossen — wenn man genug Neutronen hat und über die erforderliche Meßtechnik verfügt.

In der Forschung — und teilweise der Forensik — ein seit Jahrzehnten erfolgreich angewendetes Verfahren. Man kann z. B. noch Gifte in Konzentrationen finden, bei denen chemische Analyseverfahren längst versagen. Solche Untersuchungen finden meist in kerntechnischen Einrichtungen statt, denn man benötigt neben der Meßtechnik Zeit und viele geeignete Neutronen — üblicherweise aus einem Forschungsreaktor.

Während des Irak-Krieges erlitten die Truppen die meisten Verluste durch „Eigenbau-Sprengfallen“ die unmittelbar neben den Straßen gelegt wurden. Wenn eine LKW-Kolonne vorbeifuhr, wurden sie (meist über Funk) ausgelöst. Schutz gegen solche Sprengfallen bieten nur gepanzerte Fahrzeuge. Die größten Verluste hatten deshalb nicht die kämpfenden Truppen an der Front, sondern die Versorgungseinheiten, die in Kolonnen durch endloses Feindesland fahren mußten. Nach amerikanischem Muster wurde deshalb richtig Geld in die Hand genommen, um dieses Problem zu lösen. Eine Lösung ist heute die Neutronenaktivierungsanalyse: Sie wirkt auch gegen versteckte und eingegrabene Sprengkörper aus schwer detektierbaren Materialien wie z. B. Kunststoff und Holz in einer vermüllten Umwelt. Für eine praktische Anwendung ist die sichere und schnelle Erkennung aus einem (langsam) fahrenden Fahrzeug und sicherer Entfernung von etlichen Metern erforderlich. In der Messdauer und der Entfernung liegt aber die Herausforderung.

Die „Neutronenkanone“

Will man größere Mengen Neutronen in einer möglichst kleinen Anlage erzeugen, bleibt praktisch nur die Kernfusion. Man schießt in einem Beschleuniger z. B. H2 – Kerne auf H3 – Kerne, wodurch ein Neutron mit hoher Energie freigesetzt wird. Das Problem solch einer Kernreaktion ist aber, daß die entstandenen Neutronen sich in einer beliebigen Richtung davonmachen. Ganz ähnlich wie die Lichtquanten einer Glühbirne. Es ist gleichmäßig hell im gesamten Raum um die Glühbirne. Diese großräumige Verteilung hat zur Folge, daß die Helligkeit sehr schnell mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt. Will man eine bestimmte Stelle „ausleuchten“, muß man den Lichtstrahl darauf konzentrieren. Genau dies ist aber bei Neutronen nicht so einfach. Ein Spiegel funktioniert — anders als bei Licht — praktisch nicht. Eine Ablenkung durch Magnetfelder funktioniert wegen der nicht vorhandenen Ladung — anders als bei dem Elektronenstrahl einer Röhre — auch nicht. Eine solch einfache Neutronenquelle hätte nur eine sehr geringe Reichweite und wäre damit unbrauchbar.

Wenn es aber trotzdem gelänge den größten Teil der Neutronen gezielt auf ein Objekt zu lenken anstatt sie sinnlos im Raum zu verteilen, sehe die Sache anders aus. Je mehr Neutronen den Sprengkörper treffen, um so stärker sendet dieser seine charakteristischen γ-Quanten aus und die erforderliche Messdauer verkürzt sich, was dem Suchfahrzeug eine höhere Geschwindigkeit erlaubt. Neutronen sind zwar schwer auf Kurs zu bringen, dafür halten sie aber um so sturer ihren Kurs (große Masse und keine Ladung) und fliegen mit einer Geschwindigkeit von über 40 000 km/s davon.

Neutronen kann man praktisch nicht mehr beeinflussen. Dies ist ein Vorteil und Nachteil zugleich: Positiv ist, daß sie gegenüber allen anderen Partikeln eine außergewöhnliche Reichweite besitzen, da sie durch die Luftmoleküle nahezu unbeeinflußt hindurch fliegen. Neutronen sind gegenüber Atomen winzig klein, sodaß die Atmosphäre für sie ein nahezu leerer Raum ist. Die vielen Elektronen die um die Kerne schwirren, sind für sie kein Hindernis, da sie selbst keine elektrische Ladung besitzen und ihre Masse (Zusammenstoß) gegenüber den Elektronen riesig anmutet. Man muß sie nur einheitlich ausrichten um einen wirksamen Partikelstrahl zu erhalten.

Dies geht jedoch über einen Trick aus der Quantenphysik. Neutronen besitzen einen sog. Spin: Anschaulich gesagt, rotieren sie wie ein Kreisel um ihre Achse. Ein solcher Spin ist eine Erhaltungsgröße, d. h. der Spin eines Atomkerns überträgt sich nach dem Aussenden des Neutrons aus dem fusionierten Kern auf dieses Neutron. Normalerweise sind die Spins der Atomkerne nicht einheitlich. Deshalb schwirren die Neutronen normalerweise in alle Richtungen des Raumes davon. Wenn man jedoch vor der Fusion allen Atomkernen den gleichen Spin aufzwingt und sie wie eine Perlenkette ausrichtet, fliegen auch alle Neutronen wie ein Strahl von der Neutronenquelle davon. Dies alles gelingt inzwischen in so kleinen Gerätschaften, daß man sie einschließlich der nötigen Energieversorgung etc. auf einem Klein-LKW unterbringen kann. Diese „Neutronenkanonen“ erzeugen einen mehr als tausendfachen Neutronenfluß in eine Richtung.

Die Teilchenstrahlungswaffe

Momentan ist die „Neutronenkanone“ so klein und einsatzbereit, daß sie mit allem notwendigen Zubehör auf einen Kleinlastwagen zum Auffinden von Sprengfallen am Straßenrand in den Einsatz geht. Die Entwicklung wird aber massiv in die Richtungen: Kleiner, leistungsfähiger und billiger vorangetrieben. Der nächste Schritt ist ein Gerät, welches sich in ein Flugzeug einbauen läßt.

Vordringlich ist aber ein weiteres Einsatzfeld: Die Analyse von Kernwaffensprengköpfen. Eine einfache Maßnahme gegen die immer erfolgreichere Raketenabwehr ist das Ausstoßen von zusätzlichen Attrappen. Bei den bisherigen Raketenabwehrsystemen muß man sich noch auf das Erreichen des Scheitelpunktes einer ballistischen Rakete beschränken. Erst dann kann man erst sicher die Flugbahn berechnen und das Ziel voraussagen. Eine einfache Abwehrmaßnahme ist der gleichzeitige Ausstoß von mehreren Attrappen. Heute kann man noch nicht Sprengkopf und Attrappen unterscheiden. Man müßte also alle Objekte sicher abschießen, was schnell eine Raketenabwehr — zumindest wirtschaftlich — überfordern würde. Hier kommt wieder die „Neutronenkanone“ ins Spiel. Genau wie eine Sprengfalle könnte man den Sprengkopf sicher identifizieren.

An dieser Stelle drängt sich eine weitere Lösung auf. Ein Sprengkopf ist nicht einfach ein Klumpen aus Plutonium, sondern ist vollgestopft mit Elektronik (Zünder), Sprengstoff und sonstigen Hilfsmitteln. Wenn der Neutronenstrahl stark genug wäre, könnte er den Sprengkopf nicht nur identifizieren sondern sogar unbrauchbar machen.

Neutronen können gerade auf Halbleiter eine verheerende Wirkung haben. In moderne Phasenradargeräten (Raketen- und Flugabwehr) werden Halbleiter aus Galliumnitrid (GaN) verwendet. Ein Beschuß mit Neutronen kann diese Halbleiter schnell zerstören. Dies bezieht sich nicht nur auf das Rausschlagen von Elektronen, sondern Gallium hat auch recht große Einfangquerschnitte, was bedeutet, daß durch Kernumwandlung und Strahlung der Halbleiter dauerhaft zerstört wird.

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.

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.