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).

Peaceful Nuclear Explosives (PNE)

Am Wochenende sind mir wieder einige mehr als zwanzig Jahre alte Veröffentlichungen über die Energieerzeugung durch kontrollierte Kernexplosionen in die Hände gefallen. Sie erscheinen mal wieder erwähnenswert, weil offensichtlich vergessen. Darüber hinaus bieten sie einige Erkenntnisse zu Salzbädern, Brüt- und Hybridkonzepten. Zur Einstimmung einige Fragen: Ist es möglich durch kontrollierte Kernexplosionen – quasi Wasserstoffbomben – elektrische Energie zu erzeugen? Könnte man solch einen „Reaktor“ als Brutreaktor benützen, um Spaltmaterial für konventionelle Reaktoren zu erzeugen? Wäre das „politisch korrekt“? Die ersten beiden Fragen lassen sich ziemlich eindeutig mit ja beantworten, die letzte ebenso eindeutig mit nein – heute jedenfalls noch!

Fusion

Bei der Kernfusion werden zwei leichte Elemente zu einem neuen Element „verschweißt“. Hierfür sind extrem hohe Drücke und/oder Temperaturen nötig. Um diese erstmal zu erzeugen, sind gewaltige Energien nötig. Bisher ist es deshalb noch nicht gelungen, eine Fusionsmaschine zu bauen, die kontinuierlich mehr Energie erzeugt, als sie verbraucht. Durch die hohen Temperaturen und den hohen Druck ist das Medium sehr stark bestrebt, sich wieder auszudehnen. Bisher gibt es nur das Konzept eines extremen Magnetfelds zum dauerhaften Einschluß. Die zweite Entwicklungsschiene ist der Trägheitseinschluss: Man schießt mit mehreren Laserstrahlen gleichzeitig auf ein Wasserstoffkügelchen. Dieses Verfahren ist aber diskontinuierlich, da man immer nur einen Schuss ausführen kann. Insofern dürfte es sich weniger zur Stromerzeugung als zur Grundlagenforschung eignen.

Gleichwohl, wird bei der Kernfusion Energie erzeugt. Viel versprechend ist die Fusion von Deuterium und Tritium zu Helium. Deuterium kommt als „schweres Wasser“ in der Natur vor. Tritium hingegen, muß wegen seiner geringen Halbwertszeit von rund 12 Jahren vorher erbrütet werden.

Kernspaltung

Schwere Atomkerne können durch Neutronen gespalten werden. Bei der Spaltung werden einige Neutronen frei, wodurch eine Kettenreaktion aufrecht erhalten werden kann. Wenn man zusätzlich noch „Spaltmaterial“ z. B. U233 aus Th232 erbrüten will, muß man neben dem für die nächste Spaltung notwendigen, noch ein weiteres Neutron zur Verfügung haben. Da man aber auch unvermeidliche Verluste hat, ist es gar nicht so einfach, Brutreaktoren zu bauen.

Hybride

Wenn man beispielsweise einen Urankern spaltet, setzt man rund 200 MeV Energie und im Mittel etwa 2,2 Neutronen frei. Wenn man einen Helium-4 Kern durch Fusion erzeugt, gewinnt man nur etwa 14 MeV Energie und ein Neutron. Will man also die gleiche Energie erzeugen, muß man dafür etwa 14 mal so viele Kerne fusionieren und erhält dadurch aber auch etwa 7 mal so viele Neutronen. Mit anderen Worten: Man hat genug zum „Brüten“ übrig.

Kernexplosion

Will man nun eine Kernexplosion einer Fusion einleiten, muß man die zur Zündung erforderliche Leistung durch eine vorausgehende Kernspaltung bereitstellen. Dies ist das klassische Konzept einer „Wasserstoffbombe“. Die Kernspaltung dient dabei nur als Zünder. Sie sollte daher so klein, wie technisch möglich sein. Der gewaltige Neutronenüberschuß kann zum „Erbrüten“ von Tritium aus Lithium und Uran-233 aus Thorium genutzt werden. Beide können in einem geschlossenen Kreislauf für die nächsten Schüsse verwendet werden. Je weniger Material man zur Zündung spalten muß, je weniger Spaltprodukte erzeugt man.

Der Kernexplosions-Reaktor

Wie gesagt, „Wasserstoffbomben“ zu bauen, ist Stand der Technik. Eine Weiterentwicklung müßte nur der Kostensenkung und der Sicherheit gegen Mißbrauch dienen. Beides geht in die gleiche Richtung: In einem Kern-Explosions-Kraftwerk kommt es nur auf das „Brennelement“ an. Aus Sicherheitsgründen sollen ja gerade keine funktionstüchtigen Kernwaffen verwendet werden. Die Einleitung der Kettenreaktion bei der Zündung sollte durch eine stationäre „Maschine“ erfolgen. Insofern würde sich das „Diebstahlsrisiko“ auf das bekannte Risiko des Diebstahls von Spaltmaterial reduzieren.

Um die üblichen 1000 MWe eines konventionellen Kernkraftwerks zu erzeugen, müßte man etwa alle sieben Stunden einen 20 kT „Sprengsatz“ (etwa Atombombe über Nagasaki) zünden oder besser alle 40 Minuten einen 2 kT „Sprengsatz“. Dies mag für manchen Laien verblüffend sein, daß ein 1000 MWe Kraftwerk täglich mehr Energie erzeugt, als drei Nagasaki-Atombomben mit ihrer bekannten zerstörerischen Wirkung: Es ist der Unterschied zwischen Leistung und Energie. Eine Atombombe setzt ihre Energie in Bruchteilen von Sekunden frei. Allein dieser Zeitunterschied führt zu der verheerenden Explosion. Ganz neben bei, auch ein eindringliches Beispiel für den Unsinn, bei Windrädern und Sonnenkollektoren stets Leistung und Energie durcheinander zu rühren. Ein Windrad kann eben nicht x Personen-Haushalte versorgen, weil es den Leistugsbedarf nicht ständig erzeugen kann.

Aber nichts desto trotz, hat eine Kernwaffe eine ganz schöne Sprengkraft. Wie soll es funktionieren, damit ein Kraftwerk zu betreiben? Man fährt unterirdisch eine Kaverne auf. Für ein 1000 MWe Kraftwerk mit 2 kT-Explosionen müßte sie etwa einen Radius von 20 m und eine Höhe von 100 m haben. Um auch über einen Betrieb von geplant 30 Jahren die Stabilität zu erhalten, sollte sie komplett mit einem 1 cm Stahlblech-Containment ausgekleidet sein. Ist das Containment fest anliegend mit dem umliegenden Fels verschraubt, ergibt sich eine sehr standfeste Konstruktion. Der eigentliche Trick ist aber die Verdämmung der Explosionen. Wenn man von dem Kavernendach einen dichten Vorhang Flüssigkeitstropfen (es geht sogar Wasser) herabregnen läßt und die Explosion in diesem Schauer stattfinden läßt, wird der Feuerball regelrecht aufgefressen. Nahezu die gesamte Energie der Explosion führt auf den zahlreichen Oberflächen der Tropfen zu einer schlagartigen Verdampfung. Wählt man eine Salzschmelze mit ihrer extrem hohen Verdampfungstemperatur, wird dadurch die Explosionswelle in wenigen Metern abgebaut. Das Ergebnis ist eine Druckspitze von weniger als 30 bar, die auf die Wände wirkt. Innerhalb kürzester Zeit kondensiert der Dampf wieder und gibt seine Energie an die Salzschmelze ab. Sie ist jetzt erheblich heißer geworden. Die Salzschmelze wird kontinuierlich durch einen Wärmeübertrager gepumpt, in dem sie Dampf erzeugt. Ab dieser Stelle, beginnt ein ganz konventioneller Kraftwerksteil zur Stromerzeugung.

Die Salzschmelze

Als Salz wird das bekannte Eutektikum FLiBe Li2 – BeF4 aus 67% Berylliumfluorid BeF2 und 32,9% Lithiumfluorid LiF mit einem Schmelzpunkt von 363 °C verwendet, sodaß sich eine Arbeitstemperatur um 500 °C einstellt. Es können einige Prozent Thoriumfluorid ThF4 darin gelöst werden. Zusätzlich kann der Sprengkörper mit einer Schicht aus Beryllium als Neutronenmultiplikator und Thorium als Brutstoff umgeben werden. Wird die Salzschmelze reduzierend, das heißt mit einem Fluoridmangel angesetzt, kommt das Tritium als Tritiumgas vor und kann kontinuierlich abgezogen werden. Das erbrütete Uran-233 bildet ebenfalls Uransalz UF4. Es kann recht einfach abgeschieden werden, indem es z. B. in das gasförmige Uranhexafluorid UF6 umgeformt wird.

Bei diesem Reaktor kann der Anteil der Energieproduktion aus Spaltung und Fusion in weiten Grenzen verschoben werden. Bis zu 90 % Energie können theoretisch aus der Fusion gewonnen werden. Dies bedeutet neben einem geringen Anteil von Spaltprodukten eine sehr hohe Brutrate wegen des sehr hohen Neutronenüberschusses. Es ist zu erwarten, daß bereits auf der Basis heutiger Uran- und Strompreise, der wesentliche Erlös aus dem Verkauf von Spaltmaterial kommen würde. Dieses Reaktorkonzept bietet sich daher besonders für den Fall eines „verschlafenen“ Einstiegs in eine Brüterflotte, bei plötzlich steigenden Uranpreisen an.

Sicherheit

Wenn wirklich alles schief geht, hat man einen unterirdischen „Kernwaffentest“. Die Anlage ist dann unwiederbringlich Totalschaden. Aber das war’s auch schon. Allein die USA haben über 800 unterirdische Testexplosionen in Sichtweite von Las Vegas ausgeführt. Im Spitzenjahr 1962 praktisch an jedem dritten Tag eine.

Das Inventar an Spaltprodukten liegt bei diesem Reaktortyp unter einem Prozent gegenüber einem konventionellen Leichtwasserreaktor. Dies liegt einerseits daran, daß ein erheblicher Teil der Energie aus der Fusion mit dem Endprodukt Helium stammt und andererseits durch die Wiederaufbereitung zur Spaltstoffgewinnung auch ständig Spaltprodukte dem Kreislauf entzogen werden. Wie Simulationsrechnungen gezeigt haben, ist auch nach 30 Betriebsjahren und der Berücksichtigung von Aktivierungen durch Neutronenbeschuß von Stahlhülle und umliegenden Gestein, die Radioaktivität so gering, daß man den Rest einfach unter Beton beerdigen könnte. An dieser Stelle sei daran erinnert, daß bei der Verwendung von Thorium praktisch keine langlebigen Aktinoide entstehen.

Das Inventar an Tritium wäre unter 100 Ci, da es ja ständig abgezogen werden muß, um es verbrauchen zu können. Ein vollständiges Entweichen durch einen Unfall wäre kein besonderes Problem.

Proliferation

Es wäre ein Irrtum zu glauben, daß eine solche Anlage für Terroristen oder „Schurkenstaaten“ ein Objekt der Begierde sein könnte. Die bei diesem Reaktortyp verwendeten Sprengkörper sind als Waffe ziemlich ungeeignet. Sie wären kaum zu transportieren oder zu lagern. Sie müßten wegen ihrer Vergänglichkeit eher vollautomatisch gefertigt und unmittelbar verbraucht werden. Ebenso wird man kaum den Weg der Zündung über chemische Sprengstoffe gehen. Dies wäre viel zu teuer. Man wird eher den Weg über eine stationäre Zündmaschine gehen. Die wird aber so groß werden, daß man sie kaum stehlen könnte.

Nachwort

Manchem mag das alles wie Science Fiction vorkommen. Ist es aber gar nicht. Es gibt kaum etwas, was besser erforscht ist als Kernwaffen. Es gibt auch nach wie vor kaum ein Fachgebiet was besser ausgestattet ist. Wo stehen denn stets die schnellsten Rechner, die besten Labors, die größten Laser etc.? Wenn man wollte, könnte man diesen Reaktortyp innerhalb von zehn Jahren bauen. Es wäre ein sicherer Einstieg in die Kernfusion und es wäre für die einschlägigen „Fachabteilungen“ zumindest in USA und Rußland ein Routineauftrag. Weniger Forschung als Entwicklung.

Es geht hier nicht darum, Werbung für ein exotisches Kraftwerk zu machen. Es sollte nur an einem Beispiel gezeigt werden, wie unendlich breit das Gebiet der Kernenergie ist und welche Möglichkeiten es bieten würde. Eher geht es darum, daß der Blickwinkel – gegenüber unseren Vätern – sehr verengt worden ist. In den 1950er und 1960er Jahren hatte man noch eine Kreativität, wie sie heute vielleicht noch in der IT-Branche vorhanden ist. Technik war noch nicht negativ besetzt.

Es gab auch noch eine Hoffnung auf, und einen Willen zu einer besseren Zukunft. Die Angst- und Neidindustrie war noch gar nicht erschaffen. Der ganze Blödsinn von bald versiegenden Ölquellen, Uranvorkommen, „Treibhauseffekten“, „Ozonlöchern“ etc. konnte die Menschen noch nicht ängstigen. Es ist allerdings kein Zufall, daß sich alle Systemveränderer immer wieder auf die Energietechnik stürzen. Sie haben mehr als andere erkannt, daß Energie die „Master Resource“ ist, ohne die nichts geht, aber mit deren Hilfe, fast alles möglich ist.

Niemand zwingt uns Menschen, mit Wind und Sonne wieder zurück ins Mittelalter zu gehen. Die resultierende Armut und die entgangenen Chancen wären freiwillig gewählt.

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.