Atomwaffen als Preis für Klimaschutz?

Michael Shellenberger bezeichnet sich selbst als „Umweltaktivist“ der sich für „CO2 freie Energie“ zur „Klimarettung“ einsetzt. Er sagt von sich selbst, daß er ursprünglich ein Anhänger von „Atomkraft-Nein-Danke“ war und heute aktiv für die Erhaltung von Kernkraftwerken kämpft — vom Saulus zum Paulus sozusagen. Gerade deswegen genießt er hohes Ansehen unter Aktivisten für die Kernenergienutzung.

Nun hat er sich mit dem Artikel Wer sind wir, daß wir schwachen Nationen Kernwaffen vorenthalten, die sie für ihre Selbstverteidigung benötigen? und einer noch dolleren Fortsetzung Für Nationen die Kernenergie anstreben ist der Bau von Kernwaffen eine Fähigkeit und kein Fehler im Forbes-Magazin auf sehr abschüssiges Gelände begeben. In Anbetracht der großen Auflage und dem Bekanntheitsgrad des Autors kann man seine Thesen nicht unkommentiert lassen. Dafür wird einfach zu viel durcheinander gerührt. Der geübte Erzähler beginnt seinen Artikel mit der Schilderung einer Szene aus einem Hollywoodfilm, in der die SS brutal eine jüdische Familie im besetzten Frankreich abschlachtet. Er läßt seine Schilderung mit der selbst beantworteten Frage enden, warum sich die französische Familie überhaupt im Keller verstecken mußte: Sie hatten keine Abschreckung. Er spannt den erzählerischen Bogen weiter über den July 1942, in dem die kollaborierende französische Polizei fast 13000 Juden in einem Stadion zusammenpferchte und anschließend nach Deutschland deportieren ließ. Es folgt die Feststellung, daß von den fast 76000 französischen Juden die Gaskammern von Ausschwitz nur 2000 überlebt haben. Dramaturgisch geschickt, aber äußerst geschmacklos — wenn man erst einmal die spätere Gleichsetzung von Israel und Iran gelesen hat — kommt er zu seiner ersten These:

Die Atombombe als Waffe der Schwachen.

Wie hätte ein schwacher Staat wie Frankreich der 1930er Jahre die Ungleichheit gegenüber dem nationalsozialistischen Deutschland aufheben können? Durch den Besitz einer Waffe, mit der er ihre größten Städte hätte ausradieren können. Wow! Mal abgesehen, daß solche historischen Betrachtungen genauso sinnvoll sind, wie die Fragestellung, was wäre aus der Welt geworden, wenn die Saurier schon Konserven gehabt hätten, ist dies schon der erste Widerspruch in seiner gesamten Argumentation. Shellenberger hat die Nukleare-Abschreckung, wie sie z. B. im Kalten-Krieg vorlag, gar nicht verstanden: Sie funktioniert nur, wenn jeder genug Waffen hat, den Gegner auch dann sicher auszulöschen, wenn dieser bereits sein ganzes Arsenal abgefeuert hat (Zweitschlagfähigkeit). Nur in der Märchenwelt verfügt ausschließlich der Edle und Schwache über Schwert und Rüstung — was ihn automatisch nicht mehr schwach sein läßt. Solange also nicht jeder Staat über das Potential verfügt, die ganze Welt zu vernichten, gibt es keine funktionierende Abschreckung. Wer ist ernsthaft für solch einen Irrsinn?

Das ganze Vorspiel mit Frankreich bekommt plötzlich Sinn, wenn man die Überleitung mit Charles de Gaulle über die nukleare Bewaffnung von Frankreich liest. Shellenberger sieht sie als logische Konsequenz des Überfalls von Frankreich durch Deutschland. Aus dieser Position leitet er die vermeintlich unmoralische Haltung der USA 1962 ab: Das französische Ansinnen sei „töricht oder teuflisch — oder beides“ (frei nach Kennedy). Warum konnten die USA Frankreich den Wunsch absprechen, sich selbst zu verteidigen? Eine moralisch triefende rhetorische Frage, die er für seine weitere Argumentation braucht. Er blendet einfach die historischen Tatsachen aus: Die Panzer der Sowjetunion standen an der Elbe — also unmittelbar vor den Toren Frankreichs. Charles de Gaulle sprach in diesem Zusammenhang bewußt von Lyon und Hamburg. Er wollte das Europa der Vaterländer — zusammen mit dem „Erbfeind“ Deutschland — als Bollwerk gegen weitere innereuropäische Kriege und die äußere Bedrohung durch den Kommunismus. Demgegenüber stand die nordatlantische Wertegemeinschaft mit dem atomaren Schutzschirm der USA als Alternative.

Der nukleare Schutzschirm

Damit kommen wir zu seiner zweiten These, mit der er Kernwaffen für jeden Staat begründet: Kein Staat würde einen „Atomkrieg“ riskieren, wenn einer seiner Verbündeten durch einen anderen Staat mit Atomwaffen angegriffen würde. Ausgerechnet den deutschen Professor Christian Hacke führt er hierfür als Zeuge an. Ein Typ, die schon mal gerne Donald Trump in einem Interview mit dem Deutschlandfunk (Wo auch sonst, als im GEZ-Funk?) als „Kotzbrocken, der für die Unterseite der amerikanischen Zivilisation steht“ bezeichnet. Schlimmer noch, diese Lichtgestalt eines deutschen Politologen verbreitet seine kruschen Thesen auch noch international:

Germany is, for the first time since 1949, without nuclear protection provided by the United States, and thus defenseless in an extreme crisis. As such, Germany has no alternative but to rely on itself. A nuclear-armed Germany would be for deterrence only. A nuclear Germany would stabilize NATO and the security of the Western World, but if we cannot persuade our allies then Germany should go it alone.

Kurz und knapp: Wegen der neuerdings unzuverlässigen USA — die staatliche Propaganda des GEZ-Rundfunks zeigt zumindest bei diesem Herrn Früchte — braucht Deutschland eigene Kernwaffen!

Die Politik der USA hat sich bisher nicht verändert: Es sind zahlreiche US-Truppen in Deutschland stationiert. Zusätzlich wurde der Schutzschirm noch bis in die baltischen Staaten ausgedehnt. Dies ist der „Pearl-Harbor-Knopf“ der USA! Putin-Versteher bezeichnen das als Bedrohung Russlands durch die „Nato-Ost-Erweiterung“. Zum Glück ist Putin als KGB-Offizier in der dritten Generation nicht ein solcher Einfaltspinsel. Gleichwohl ist das Säen von Zwietracht ein ewiges Bemühen dieser Organisation und ihrer Helfer im Westen. Wer sich dafür interessiert, dem sei z. B. ein Studium des „NATO-Doppelbeschlusses“ empfohlen. Noch heute kämpft die SED-Nachfolgepartei gegen die Lagerung von US-Atombomben auf deutschem Grund. Sie sollten nach Freigabe durch die USA von Bundeswehrflugzeugen gegen die Sowjetarmee eingesetzt werden können. Nichts weiter, als ein deutliches Argument, daß das Spiel „New York gegen Berlin“ nicht funktioniert. Nukleare Abschreckung ist halt etwas komplexer als mancher Politologe glaubt zu wissen.

Alle Staaten sollen gleich sein

Staaten sind nicht gleich gefährlich. Es ist wie mit Messern, Schusswaffen und allem anderen auch: Es ist z. B. ein Unterschied, ob ein Pfadfinder ein Messer bei sich hat oder ein „männlicher unbegleiteter Migrant“ auf einem Volksfest. Insofern ist es bestenfalls naiv, alle Staaten in einen Topf zu werfen.

Man mag ja noch verstehen, daß in Nord Korea die Kernwaffen letztendlich nur zur Ausbeutung und Unterdrückung des eigenen Volkes durch seinen Diktator dienen sollen: Wenn ihr mir mein Volk wegnehmen wollt, beschmeiß ich euch mit Atombomben. Aber Iran und Israel in einen Topf zu schmeißen, ist schon nicht mehr unverständlich: Israel ist eine Demokratie — Iran ein antisemitisches Mullah-Regime, das immer wieder mit der Auslöschung Israels droht; Israel hat bisher ausschließlich unter großen Opfern lokale Verteidigungskriege führen müssen — Iran führt aus religiösem Antrieb Krieg in Jemen, Irak und Syrien und unterstützt aktiv Terroristen. Man hätte wirklich kein dämlicheres Beispiel für die Befriedung durch frei verfügbare Kernwaffen finden können. Iran ist erst durch sein Streben nach Kernwaffen zum Problem geworden. Mit Rationalität im Zusammenhang mit gläubigen Schiiten sollte man auch nicht zu erwartungsvoll sein: Was soll ein Gleichgewicht des Schreckens jemandem sagen, der davon überzeugt ist, 72 Jungfrauen zu bekommen, wenn er sich selbst in die Luft sprengt?

Libyen, Irak und die Ukraine sind ebenfalls schlechte Beispiele zur Untermauerung der These von „Frieden schaffen durch Kernwaffen“. Libyen und Irak hätten es aus eigener Kraft gar nicht geschafft Kernwaffenstaat zu werden. Dafür haben ihre technischen und finanziellen Möglichkeiten nicht ausgereicht. Die Ukraine hat lediglich die sowjetischen Kernwaffen, die auf ihrem Territorium stationiert waren, an den Nachfolgestaat Rußland zurück gegeben. Der Unterhalt hätte sie nur finanziell aufgefressen. Putin hätte sich von einer Destabilisierung auch durch ein paar olle Raketen nicht abhalten lassen. Auf Grund seiner praktischen Erfahrung als KGB-Offizier in der DDR, kann er einfach kein freies und wirtschaftlich erfolgreiches Land als Leuchtfeuer in seiner Nähe dulden.

Warum uns Kernwaffen friedlich machen sollen

Atomwaffen dienen nicht zur Verteidigung sondern als Strafe“. Wieder so ein markanter Irrtum. „Friedensbewegte“ würden lieber von der drohenden atomaren Apokalypse sprechen. Wieso eigentlich? Hiroshima und Nagasaki sind schon lange wieder belebte Städte. Einzig und allein die Fähigkeit einen Gegner mit Sicherheit auch im Zweitschlag zu vernichten, kann eine Abschreckung auslösen. Aber kann Korea die USA auslöschen oder China Indien? Für eine nukleare Strafaktion wäre es wohl viel zu spät. China und Pakistan haben daher ständig Grenzscharmützel, nur wird hier darüber kaum berichtet. Frieden jedenfalls, sieht anders aus.

Ferner sind Kernwaffen nicht alles. Da ist z. B. eine funktionierende Raketenabwehr, über die im Moment praktisch nur die USA und Israel verfügen. Glaubt jemand ernsthaft daran, daß es (zumindest heute und in naher Zukunft) Korea gelingen würde, eine Interkontinentalrakete zum amerikanischen Festland durchzubringen?

Selbst eine so simple Eigenschaft wie die Fläche eine Landes spielt eine Rolle: Für Breschnew war Deutschland stets ein Problem von drei Wasserstoffbomben. Israel könnte wohl kaum eine aushalten. Dem großen Führer von Nord Korea wäre es wohl egal, ob sein Land in einen Parkplatz umgewandelt würde, solange er in irgendeinem Bunker überleben könnte. Iran ist zwar ziemlich groß, aber seine Führungsclique erstrebt ohnehin einen Platz im eingebildeten Paradies.

Kernkraftwerke und die Bombe

Die abgedroschene Behauptung der Verknüpfung von Kernkraftwerken und nuklearer Aufrüstung ist schlicht weg Unsinn. Der einzige Fall einer Verknüpfung (über die Nutzung von Schwerwasserreaktoren zur Produktion von waffengrädigem Plutonium) war und ist Indien. Die Welt hat daraus gelernt (z. B. „123-Abkommen“ mit den Vereinigten Emiraten). Selbst Korea, Iran und vormals Süd-Afrika haben ein eigenes Waffenprogramm unterhalten. Eher das Gegenteil ist der Fall: Ein paralleles Programm zum Aufbau von friedlicher und militärischer Nutzung ist für die meisten Länder der Welt schlicht zu kostspielig. Auch Saddam Hussein, Muammar al-Gaddafi und Assad konnten nur an der Bombe basteln. Wie wichtig Geld ist, zeigt das Beispiel Vietnam, dort mußte man von dem geplanten Bau von Kernkraftwerken auf Kohlekraftwerke umschwenken. Wären die Theorien von Shellenberger zutreffend, hätte Vietnam alles daran setzen müssen Kernkraftwerke zu bauen, befindet es sich doch in einem latenten Kriegszustand mit China.

Der Brennstoffkreislauf

In der Tat ist der Aufbau eines Brennstoffkreislaufes wesentlich sensibler. Dies betrifft sowohl die Anreicherung von Uran auf Waffenfähigkeit (Pakistan) wie auch die Wiederaufbereitung (Indien). Sowohl die USA (Vereinigte Emirate), wie auch Rußland (Türkei, Ägypten) achten beim Verkauf von Kernkraftwerken durch die Lieferung und Rücknahme des benötigten Brennstoffs auf eine Einschränkung des Kreises.

Umgekehrt kann man nicht den Schluß ziehen, daß jedes Land mit einem Brennstoffkreislauf auch Kernwaffen anstrebt. Paradebeispiel dafür war gerade Deutschland. Wie unverantwortlich und dämlich daher beispielsweise das Politologengeschwafel eines Christian Hacke ist, zeigt bereits Shellenbergers Artikel: Er listet nur drei Staaten (Polen, Ungarn und Finnland) auf, denen er kein Streben nach Kernwaffen unterstellt.

Ebenso sollte man eigentlich denken, daß die Gleichsetzung von Plutonium und Kernwaffen langsam aus der Welt ist. Sehr ungerecht ist in diesem Zusammenhang gerade die Erwähnung von Japan. Japan hat sich für einen geschlossenen Brennstoffkreislauf entschieden. Hat aber bisher seine abgebrannten Brennelemente in Frankreich und GB aufarbeiten lassen. Diese beiden Länder sind die Garanten, daß es sich bei den zitierten 6000 to ausschließlich um Reaktorplutonium und keinesfalls um waffengrädiges Plutonium handelt.

Nachwort

Kernwaffen sind Massenvernichtungswaffen, deren militärischer Nutzen ohnehin eingeschränkt ist — Friedensstifter sind sie keineswegs. Sie gehören genauso geächtet wie Chemiewaffen. Da aber die reale Welt ist wie sie ist, können nur beharrliche Abrüstungsverhandlungen zum Ziel führen. Bis dahin ist konsequent die Weiterverbreitung zu verhindern oder wenigstens zu behindern. Es ist zumindest ein Zeitgewinn.

Was Michael Shellenberger anbetrifft: Man kann ja gerne glauben, daß CO2 zur „Klimakatastrophe“ führt. Es ist auch ein lobenswerter Entwicklungsschritt, wenn man zur Erkenntnis gekommen ist, daß man nicht mit Wind und Sonne die Welt mit ausreichend Energie versorgen kann. Insofern sei sein jahrelanger Einsatz für die Nutzung der Kernenergie keinen Millimeter geschmälert. Es ist aber schlichtweg nicht zulässig, wenn man zur „Klimarettung“ Kernwaffen als Friedensstifter glorifiziert.

U-Battery aus Europa

Auch in Europa geht (noch) die Reaktorentwicklung weiter. Es begann 2008 an den Universitäten: University of Manchester (UK) und Technology University of Delft (NL). Es ging um die Entwicklung eines Reaktors zur Stromerzeugung und zur gleichzeitigen Auskopplung von Wärme (mit Temperaturen bis 750 °C) für Heiz- und industrielle Zwecke. Vorgabe war eine optimale Lösung für das Dreieck aus: Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und Umweltfreundlichkeit zu finden.

Interessant ist schon mal die Erschließung völlig neuer Marktsegmente durch die Reaktorleistung (hier 10 MWth und 4 MWel) und die nutzbare Temperatur (hier 750 °C). Diese neue Klasse wird als MMR (.micro modular reactor) bezeichnet. Wie schon die Bezeichnung „Uran-Batterie“ andeutet, wird ferner eine ununterbrochene Betriebszeit von mindestens 5 – 10 Jahren vorgesehen. Hiermit wird das Marktsegment der Kraft-Wärme-Kopplung auf der Basis von „Schiffsdieseln“ und kleinen Gasturbinen angestrebt. Ein sich in der Industrie immer weiter (steigende Strompreise und sinkende Versorgungssicherheit durch Wind und Sonne) verbreitendes Konzept. Hinzu kommen die Inselnetze in abgelegenen Regionen (Kleinstädte), Bergwerke und Produktionsplattformen auf dem Meer, Verdichterstationen in Pipelines usw. Hierfür kann ebenfalls auch die hohe Betriebstemperatur — selbst bei reiner Stromproduktion — von Vorteil sein, da sie problemlos Trockenkühlung (Wüstengebiete) erlaubt.

Die treibende Kraft hinter diesem Projekt ist — in diesem Sinne sicherlich nicht ganz zufällig — das Konsortium URENCO. Ein weltweiter Betreiber von Urananreicherungsanlagen. Solche Kaskaden aus Zentrifugen brauchen kontinuierlich gewaltige Mengen elektrische Energie. Man sucht also selbst nach einer Lösung für die immer teurere Versorgung.

Der Reaktor

Wieder ein neuer „Papierreaktor“ mehr, könnte man denken. Ganz so ist es aber nicht. Man hat von Anfang an auf erprobte Technik gesetzt. Es ist reine Entwicklungsarbeit — insbesondere für die Nachweise in einem erfolgreichen Genehmigungsverfahren — aber keine Forschung mehr zu leisten. Insofern ist der angestrebte Baubeginn 2024 durchaus realisierbar.

Fangen wir mit dem Brennstoff an. Es sind [TRISO] (TRISO) Brennelemente vorgesehen. Dieser Brennstofftyp ist bereits in mehreren Ländern erfolgreich angewendet worden. Diese Brennelemente überstehen problemlos Temperaturen von 1800 °C. Dadurch sind solche Reaktoren inhärent sicher. Gemeint ist damit, daß die Kettenreaktion auf jeden Fall infolge des Temperaturanstiegs zusammenbricht und eine Kernschmelze durch die Nachzerfallswärme (Fukushima) ausgeschlossen ist. Man braucht somit keine Notkühlsysteme, dies spart Kosten und vor allem: Was man nicht hat, kann auch nicht kaputt gehen oder falsch bedient werden. Der Sicherheitsgewinn ist dadurch so groß, daß sich alle denkbaren Unfälle nur auf den Reaktor und sein schützendes Gebäude beschränken. Nennenswerte Radioaktivität kann nicht austreten und damit beschränken sich alle Sicherheitsanforderungen nur noch auf das Kraftwerksgelände selbst. Eine „revolutionäre Feststellung“, der sich die Genehmigungsbehörden langsam anschließen. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf die möglichen Standorte, Versicherungsprämien etc. Ein nicht mehr umkehrbarer Schritt auf dem Weg zu einem „normalen Kraftwerk“ oder einer „üblichen Chemieanlage“. Die Errichtung solcher Reaktoren in unmittelbarer Nähe zu Städten (Fernwärme) oder Industrieanlagen (Chemiepark, Automobilwerk etc.) ist nur noch eine Frage der Zeit.

Als Kühlmittel ist Helium vorgesehen. Der Reaktorkern wird aus sechseckigen Brennelementen als massiver Block aufgebaut. Mit dieser Technik besitzt GB eine jahrzehntelange Erfahrung. Kein Land besitzt mehr Betriebsjahre mit Reaktorgraphit. Der Vorteil gegenüber einem Kugelhaufen sind definierte Kanäle für das Kühlmittel und die Regelstäbe. Vor allen Dingen ergibt sich aber kein Staubproblem aus dem Abrieb der Kugeln während des Betriebs. Die notwendigen Rohrleitungen und das Gebläse zur Umwälzung des Heliums bleiben sauber. Dies erleichtert etwaige Wartungs- und Reparaturarbeiten. Der komplette Reaktor kann in einer Fabrik gebaut und getestet werden und mit einem LKW einsatzbereit auf die Baustelle gebracht werden.

Als Brennstoff dient angereichertes Uran. Die Anreicherung (< 20% U235) erlaubt einen mehrjährigen Betrieb ohne einen Brennstoffwechsel („Batterie“). Ob der Brennstoff vor Ort im Kraftwerk gewechselt werden muß oder der gesamte Reaktor zurück zum Hersteller gebracht werden kann, ist noch nicht abschließend geklärt (Strahlenschutz). Der Ansatz einer „Batterie“ verringert jedenfalls die Größe eines etwaigen Brennelementenlagers am Kraftwerk und schließt eine mißbräuchliche Nutzung praktisch aus (Proliferation). Damit ist ein solches Kraftwerk auch problemlos in „zwielichtigen Staaten“ einsetzbar. Ferner verringert sich der Personalaufwand im Kraftwerk. Ein solches Kraftwerk wäre halbautomatisch und fernüberwacht betreibbar. Was den Umfang des erforderlichen Werkschutzes anbelangt, sind die Genehmigungsbehörden noch gefragt. Eine Chemieanlage — egal wie gefährlich — kommt heutzutage mit einem üblichen Werkschutz aus, während von Kernkraftwerken erwartet wird, eine komplette Privatarmee zu unterhalten. Alles Ausgeburten von „Atomkraftgegnern“ um die Kosten in die Höhe zu treiben. Verkauft wird so etwas als Schutz gegen den Terrorismus.

Der konventionelle Teil

Man plant keinen Dampfkreislauf, sondern eine Gasturbine als Antrieb des Generators. Kein ganz neuer Gedanke, aber bisher ist z. B. Südafrika an der Entwicklung einer Heliumturbine gescheitert. Helium ist thermodynamisch zu eigenwillig und außerdem ist bei einem Kugelhaufenreaktor mit einer radioaktiven Staubbelastung zu rechnen. Bei der U-Battery hat man sich deshalb für einen sekundären Kreislauf mit Stickstoff entschieden. Vordergründig kompliziert und verteuert ein zusätzlicher Wärmeübertrager zwischen Reaktorkreislauf (Helium) und Turbinenkreislauf (Stickstoff) das Kraftwerk, aber man hat es sekundärseitig nur noch mit einem sauberen und nicht strahlenden Gas zur beliebigen Verwendung zu tun. Stickstoff ist nahezu Luft (rund 78% N2) und man kann deshalb handelsübliche Gasturbinen verwenden. Auch an dieser Stelle erscheint das wirtschaftliche Risiko sehr gering. Der Wärmeübertrager Helium/Stickstoff übernimmt lediglich die Funktion der Brennkammer eines Flugzeugtriebwerkes (Leistungsklasse). Bei der vorgesehenen hohen Temperatur von 750°C des Stickstoffs bleibt nach der Turbine noch jegliche Freiheit für die Verwendung der Abwärme (Fernwärme, Prozessdampf etc.). Die immer noch hohe Temperatur am Austritt einer Gasturbine erlaubt problemlos eine Kühlung mit Umgebungsluft ohne große Verschlechterung des Wirkungsgrades. Ein immenser Vorteil für alle ariden Gebiete.

Die Projektierer

Eine zügige Verwirklichung scheint durch die Zusammensetzung der beteiligten Unternehmen nicht unwahrscheinlich: Amec Foster Wheeler (über 40000 Mitarbeiter in 50 Ländern) mit umfangreicher Erfahrung in Öl- und Gasprojekten. Cammel Laird als Werft. Laing O’Rourke als Ingenieurunternehmen. Atkins für Spezialtransporte. Rolls Royce als international führender Produzent von Gasturbinen (Flugzeuge und Schiffe), darüberhinaus mit umfangreicher Erfahrung in der Kerntechnik.

Bemerkenswert ist die Ausweitung des Projektes auf den Commonwealth. Kanada und Indien sind bereits dabei. Läßt der „Brexit“ hier grüßen? Nach bisherigem Stand der Dinge, könnte der erste Reaktor in Chalk River in Kanada gebaut werden. Dies ist auch kein Zufall, da in Kanada bereits über 200 potentielle Standorte für einen solchen MMR ermittelt wurden. Für diese potentiellen Kunden ist bereits ein neuartiges Geschäftsmodell in Arbeit: Sie bezahlen nur die gelieferte Wärme und und die elektrische Energie. Das Kraftwerk wird dann von einer Zweckgesellschaft finanziert, gebaut und betrieben. So kann dem Kunden das wirtschaftliche Risiko abgenommen werden. Es ist nicht anzunehmen, daß irgendein Bergwerk oder eine Ölraffinerie bereit ist in das „Abenteuer Kerntechnik“ einzusteigen. Andererseits sind solche sog. „Betreibermodelle“ in der einschlägigen Industrie lange bekannt und erprobt.

Noch ein paar Daten

Der Reaktor hat einen Durchmesser von etwa 1,8 m und eine Länge von etwa 6 m. Er ist damit problemlos auf einem LKW transportierbar. Das Helium soll einen Betriebsdruck von ca. 40 bar haben und eine Austrittstemperatur von 750 °C. Damit ergibt sich eine notwendige Wandstärke von unter 100 mm. Dies ist wichtig, weil hierfür keine speziellen Schmieden bzw. Rohlinge erforderlich sind. Nur wenige Unternehmen weltweit können demgegenüber Druckbehälter für Leichtwasserreaktoren schmieden.

Als Brennstoff soll auf knapp 20% angereichertes Uran (high assay, low enriched uranium (HALEU)) verwendet werden. Damit werden die TRISO-Kügelchen hergestellt, die zu Tabletten mit einer Höhe von ca. 40 mm und einem Außendurchmesser von ca. 26 mm gepreßt werden. Aus diesen werden die sechseckigen Brennelemente mit einer Kantenlänge von 36 cm und einer Höhe von 80 cm aufgebaut. Sie enthalten alle Kanäle für Regelstäbe, Instrumentierung usw. Der Kern des Reaktors besteht aus je 6 Brennelementen in 4 Lagen übereinander. Er beinhaltet etwa 200 kg Uran. Dies reicht für einen ununterbrochenen Vollastbetrieb von 5 Jahren.

Eine Doppelblockanlage (2 x 4 MWel) erfordert einen Bauplatz von ca. 10 x 12 m (Reaktoren, Wärmeübertrager und Turbinen im „Keller“, Halle für Wartungsarbeiten darüber). Hinzu käme noch Platz für Schaltanlagen, Kühler, Büros etc.

Es wird von Baukosten zwischen 45 bis 78 Millionen € für eine Doppelblockanlage ausgegangen (5600 bis 9750 €/KW). Das mag auf den ersten Blick hoch anmuten, aber man bewegt sich mit dieser Leistung von 8 MWel im Marktsegment der sog. Dieselmotoren-Kraftwerke. Hinzu kommen in entlegenen Standorten noch die meist höheren Kosten für den Dieselkraftstoff. Der für die „U-Battery“ ermittelte Strompreis von 9 Cent/KWh dürfte somit für den angepeilten Kundenkreis sehr attraktiv sein.

Inzwischen gibt es eine sehr enge Kooperation zwischen Kanada und GB. Ein paralleles, aber kooperatives Genehmigungsverfahren zeichnet sich ab. Weiterhin sind Indien, Japan, Polen, USA und Neuseeland bereits mit im Boot. Vielleicht schon die erste Morgendämmerung, wohin die Reise von GB nach dem Brexit geht? Jedenfalls nicht in das Rest-Europa, in dem unsere Kanzlerin so gut und gerne lebt.

Weitere Nutzung für „Atommüll“

Während in Deutschland weiterhin abgebrannte Brennelemente als „Atommüll“ verteufelt werden, hat China bereits einen weiteren Weg für deren Nutzung eingeschlagen. Zwischen dem Betreiber von zwei Candu 6 Reaktoren in Quinshan TQNPC (China National Nuclear Corporation subsidy Third Quinshan Nuclear Power Company) und der kanadischen SNC-Lavalin wurde ein Vertrag zur Lieferung von Brennelementen aus 37M NUE (Natural Uranium Equivalent) abgeschlossen. Dies ist das Ergebnis einer mehr als zehnjährigen gemeinsamen Forschung und Entwicklungsarbeit. Seit 2008 werden im Reaktor QP III immer wieder NUE-Brennelemente als Dauertest eingesetzt. Diese praktischen Versuche dienten der Anpassung einiger Sicherheitsparameter und der Durchführung des Genehmigungsverfahrens. Jetzt sind die Arbeiten abgeschlossen und der Betrieb mit recyceltem Uran kann beginnen.

Die Reaktoren

Bei den Candu Reaktoren in Quinshan handelt es sich um mit schwerem Wasser (D2O) gekühlte und moderierte Reaktoren. Dieser Reaktor hat im Gegensatz zu Leichtwasserreaktoren keinen Druckbehälter in dem sich die Brennelemente befinden, sondern viele Druckröhren in denen jeweils nur eine Reihe einzelner Brennelemente stecken. Die Druckröhren sind waagerecht und sitzen wiederum in einem mit Schwerwasser gefüllten drucklosen Tank. Vorteil dieser Konstruktion ist, daß man kein dickwandiges Druckgefäß benötigt, sondern lediglich druckfeste Röhren von etwa 10 cm Durchmesser. Druckbehälter können nur eine Handvoll Schmieden weltweit fertigen. Deshalb kann diesen Reaktortyp z. B. Indien selbst herstellen. Als Nachteil erkauft man sich dieses Prinzip mit einem Gewirr von Rohrleitungen: Jede Druckröhre muß mit Vorlauf- und Rücklaufleitung mit den Dampferzeugern verbunden werden. Insgesamt ist die Herstellung aufwendiger und damit teurer.

Durch den Einsatz von Schwerwasser als Kühlmedium und Moderator gehen wesentlich weniger Neutronen verloren als bei Leichtwasserreaktoren. Man kommt deshalb mit Natururan als Brennstoff aus. Eine Anreicherung ist nicht nötig. Darüberhinaus ist das Konzept so flexibel, daß auch andere Brennstoffe wie Thorium oder eben abgebrannte Brennelemente aus Leichtwasserreaktoren eingesetzt werden können. (Siehe hierzu auch den Artikel Reaktortypen in Europa – Teil6, CANDU in diesem Blog.)

Die Wiederaufbereitung

Wenn Brennelemente „abgebrannt“ sind, müssen sie entnommen werden und durch frische Brennelemente ersetzt werden. Sie sind aber keinesfalls Abfall, sondern können und sollten recycelt werden. Auch in Deutschland war deshalb eine eigene Wiederaufbereitungsanlage nach dem PUREX-Verfahren vorgesehen. Übergangsweise hat man Brennelemente in Frankreich und GB aufbereiten lassen. Aus bekannten ideologischen Gründen ist man davon abgegangen. Der Kampf gegen das Atom ist der zentrale Gründungsmythos von Bündnis 90 / Die Grünen.

Die Kerntechnik war der erste Industriezweig der nicht einfach Abfall produzieren wollte, sondern vielmehr der Begründer des industriellen Recyclings. In einem „abgebrannten“ — oder besser abgenutzten und für seinen ursprünglichen Verwendungszweck nicht mehr geeigneten — Brennelement sind lediglich rund 5 % Spaltprodukte. Das ist die „Asche“ der nuklearen Energieherstellung. Aber über 93% des Urans und zusätzlich rund 1% Plutonium sind für die Energiegewinnung wiederverwendbar!

Bei dem PUREX-Verfahren werden die Brennstäbe aufgelöst und anschließend durch eine mehrstufige flüssig-flüssig Extraktion in möglichst reines Uran und Plutonium zerlegt. Alles andere ist bei diesem Verfahren Abfall, wird in Glas eingeschmolzen und ist zur Endlagerung vorgesehen. Das Plutonium wird seit Jahrzehnten — auch in Deutschland — zusammen mit abgereichertem Uran zu sogenannten Mischoxid-Brennelementen verarbeitet und erneut in Leichtwasserreaktoren zur Energiegewinnung eingesetzt. Das zurückgewonnene Uran wird bisher fast ausschließlich eingelagert. Man kann es als „Ersatz“ für Natururan in Anreicherungsanlagen einsetzen. Es muß dazu aber in Uranhexafluorid umgewandelt werden. Ein, bei den heutigen Preisen für Natururan nicht wirtschaftlicher Weg.

Der NUE-Weg

Das Uran für Leichtwasserreaktoren hat eine ursprüngliche Anreicherung von 3% bis 5% U235. Im Reaktor wird sowohl U235 als auch Pu239 gespalten. Das Plutonium bildet sich kontinuierlich aus dem U238 durch das (parasitäre) Einfangen von Neutronen. Ein Teil davon, wird sofort wieder im Reaktor gespalten. Deshalb kann nicht alles U235 aufgebraucht werden bevor die zulässige Betriebsdauer des Brennelements erreicht ist. Oft hat das recycelte Uran noch einen höheren Anteil davon als das Natururan (0,7% U235). Es kann daher noch in Schwerwasserreaktoren eingesetzt werden. Allerdings ist die Natur immer etwas komplizierter als die Theorie. Nicht jeder U235 Kern wird auch gespalten, wenn er von einem Neutron getroffen wird. Es bildet sich auch U236 und sogar Spuren von U234. Alle diese Isotope haben ihre charakteristischen neutronenphysikalischen Eigenschaften. Es wird deshalb durch Verschneiden mit abgereichertem Uran ein dem „Natururan entsprechendes Äquivalent“ (NUE) hergestellt. Dies ist aber eine reine Frage der Analyse (welche Isotopenzusammensetzung?), der Rechnung (neutronenphysikalische Bestimmung) und der Mischung. Ein vergleichbar geringer Aufwand, verglichen z. B. mit einer Anreicherung.

Man kann etwa mit dem recycelten Uran aus vier Leichtwasserreaktoren einen zusätzlichen Schwerwasserreaktor betreiben. Die zusätzliche Energie wird ohne zusätzlichen Verbrauch von Natururan erzeugt — Energie aus „Atommüll“. China betrachtet ihr kerntechnisches Programm offensichtlich von Anfang an als System. Im Zentrum stehen die Leichtwasserreaktoren und eine Wiederaufbereitung des „Atommülls“. Nach dem Vorbild von Frankreich wird dadurch der endgültig zu lagernde Abfall beträchtlich entschärft und verringert. Das anfallende Plutonium wird über Mischoxid wieder den Leichtwasserreaktoren zugeführt. Das zurückgewonnene Uran den Schwerwasserreaktoren. Mittelfristig soll eine weitere Nutzung über natriumgekühlte Reaktoren mit schnellem Neutronenspektrum erfolgen. Beachtenswert ist die Vorgehensweise: Zwar in voller Breite aller am Weltmarkt erhältlichen Reaktortypen, aber stets in kleinen Schritten in enger Kooperation mit internationalen Partnern. Ganz nebenbei ist dadurch eine der bedeutendsten kerntechnischen Industrien der Welt aufgebaut worden. Ein nicht zu unterschätzender und bewußt angestrebter Nebeneffekt. Kerntechnik ist eine Schlüsseltechnologie, die weit in die industrielle Welt ausstrahlt. So war es einst auch in Deutschland, aber hier wird dieser Vorteil zusehends aufgebraucht. Manch ein Grüner wird sich noch die Augen reiben, wie schnell der „Exportweltmeister“ zu einem mittelmäßigen Industriestandort verkommen sein wird.

Wie soll Plutonium beseitigt werden?

Durch den Baustopp der Mischoxid-Anlage zur Vernichtung von überschüssigem „Waffenplutonium“ in den USA, ist dort wieder eine Grundsatzdebatte losgetreten worden. Nach den Zahlen des International Panel on Fissile Materials (IPFM) gibt es zur Zeit etwa 216 to „Waffenplutonium“ (in Kernwaffen verbaut und als Reserve) und etwa 271 to „ziviles Plutonium“ aus der Wiederaufbereitung von Kernbrennstoffen weltweit. Das Ganze ist also beileibe kein rein akademisches Problem.

Die Kernwaffen-Frage

Wenn man wirkliche Abrüstung will und nicht nur das Einlegen einer Pause, dann muß man nicht nur Trägersysteme und Kernwaffen verschrotten, sondern auch das „Bombenmaterial“ vernichten. Gerade dessen Herstellung — ob Plutonium oder höchst angereichertes Uran — ist der zeit- und kostenaufwendigste Teil bei einer „atomaren Aufrüstung“. Insofern war der Vertrag zwischen den USA und Rußland ihr Überschussplutonium zu vernichten, der einzig richtige Weg. Die Russen gehen nun den Weg — mit vollerZustimmung der USA — ihren Anteil an Überschüssen in ihren schnellen, natriumgekühlten Reaktoren als Brennstoff zu verwenden. Ganz so einfach und schnell geht das aber auch nicht. Selbst der größte „Brüter“ mit 800 MWel braucht überschlägig weniger als 5 to Plutonium für seine Erstbeladung. Es wird deshalb auch dort noch einige Jahre bis Jahrzehnte dauern, bis zumindest der Überschuß soweit „denaturiert“ ist, daß man ihn nie mehr zur Produktion von Kernwaffen einsetzen kann.

Die zivile Herkunft

Für die zivile Produktion von Plutonium aus abgebrannten Brennstäben gab es drei Beweggründe:

  1. Als Erstbeladung für schnelle Brüter
  2. Zur Streckung des Uranverbrauchs über MOX-Elemente
  3. Um das Volumen des „Atommülls“ zu verringern und die „Endlager-Anforderungen“ drastisch zu senken.

Brüter

Noch in den 1960er Jahren ging man von sehr begrenzten Vorräten an förderbarem Natururan aus. Man befürchtete eine baldige Preisexplosion. Gerade „Atomkraftgegner“ haben immer wieder dieses Argument für ihre Propaganda mißbraucht. In Wirklichkeit hängen die förderbaren Vorräte — wie beim Öl — immer vom Uranpreis selbst und von der technologischen Entwicklung ab. Nach heutigen Erfahrungen sind die Natururanvorräte nahezu unendlich. Sehr viel wichtiger ist das Verhältnis zwischen „Strompreis“ und „Brennstoffpreis“. Je 100 $US pro kg Natururan schlägt es mit 0,002 $US pro kWh (!) auf die Stromerzeugungskosten nieder. Wenn schon die Sonne keine Rechnung schickt, tut es die Uranader auch nicht.

Jedenfalls haben wir schon heute mit über 271 to Plutonium aus der Wiederaufbereitung abgebrannter Brennelemente weltweit einen beachtlichen Vorrat für den Start in die Technologie mit schnellen Reaktoren. Wir könnten damit auf einen Schlag 30.000 MWel Schnelle-Brüter bauen.

MOX-Elemente

Die Verwendung von einer Mischung aus Uranoxid und Plutoniumoxid (MOX) in Leichtwasserreaktoren (LWR) kann nur eine Übergangslösung sein. Zwar kann man dadurch Natururan ersetzen, aber der Aufwand steht in keinem wirtschaftlichen Verhältnis zum Nutzen. Zur Verringerung der Plutonium Vorräte trägt es auch nur wenig bei, da in einem LWR etwa für 10 Kerne die gespalten werden, gleichzeitig 6 neue Plutoniumkerne gebildet werden.

Außerdem verschlechtert sich die Isotopenzusammensetzung: Es bilden sich immer mehr Minore Aktinoide, was sowohl die Verarbeitung erschwert, als auch den „Restmüll“ aus der Wiederaufbereitung immer langlebiger macht.

Schon bei der Herstellung von MOX-Brennstäben bleiben etwa 10 bis 15% nach der erforderlichen Reinigung des Eingangsmaterials übrig. Diese gehen meist direkt in den Abfallstrom zur Endlagerung. Es lohnt einfach nicht, aus diesem Abfall noch das Rest-Plutonium zu extrahieren.

Hier sieht man auch den Vorteil metallischen Brennstoffs als Uran-Plutonium-Zirconium-Legierung, wie sie z. B. in PRISM-Reaktoren verwendet werden soll: In ihr kann aller „Dreck“ mit verarbeitet werden und erneut dem Reaktor zur Behandlung zugeführt werden.

Wiederaufbereitung

Abgebrannte Brennelemente enthalten immer noch rund 95% Uran und etwa 1% Plutonium. Anders herum, sind im Sinne der Energieerzeugung nur etwa 4% Abfall. Dies ist die Asche der Kernenergie, die sicher deponiert werden muß. Durch das Recycling ergibt sich eine erhebliche Reduzierung des Abfalls. Man vergleiche dies einmal mit z. B. Altpapier oder gar Plastik.

Eine Wiederaufbereitung ist ein rein chemischer Prozeß. Es wird — anders als im Reaktor — keine Radioaktivität erzeugt, sondern schlimmstenfalls bereits vorhandene radioaktive Stoffe verschleppt. Dies kann aber durch Dekontamination wieder beseitigt werden. Wenn man früher alle Rohre, Schutzkleidung, Werkzeuge, Chemikalien etc. einfach weggeworfen hat, geschah dies aus Kostengründen.

„Atomkraftgegner“ versuchen diese Tatsachen immer noch zu leugnen. Ist doch die „angeblich ungelöste Atommüll-Frage“ ziemlich das letzte Argument, was ihnen gegen die friedliche Nutzung der Kernenergie geblieben ist. Wird dieser Schwindel auch in breiten Bevölkerungskreisen erkannt, ist es aus mit der Angstindustrie. Sie braucht dann dringend neue Phantome um ihre Einnahmen zu sichern.

Nachhaltigkeitsproblematik

In der Szene der „Atomkraftgegner“ ist das Neusprechwort „Nachhaltigkeit“ eine Grundvokabel der Propaganda. Zwar ist diese Försterweisheit [Wenn du mehr Bäume abholzt, als gerade nachwachsen, ist der Wald irgendwann futsch. Nur, gäbe es heute gar kein Deutschland, wenn die alten Germanen schon dem statischen Denken der Melonen-Partei verfallen gewesen wären] schon immer fragwürdig gewesen, hört sich aber gut an.

Wenn man 1 gr Plutonium spaltet, ist es nicht nur unwiederbringlich weg, sondern hat auch noch etwa 22800 kWh Energie geliefert. Wenn man also 70 to überflüssig gewordenes „Waffen-Plutonium“ in Kernreaktoren spaltet, entspricht das dem Energiegehalt von 210 Millionen to Kohle oder 910 Millionen barrel Öl. Damit ließen sich rund 630 TWh elektrische Energie erzeugen (mehr als ein Jahresverbrauch von Deutschland). Eine hübsche Friedensdividende, wenn nicht die verdammte „Grüne Ideologie“ davor stehen würde.

Geht nun Gefahr von Plutonium aus oder doch nicht?

Was „Waffen-Plutonium“ betrifft, ist die Frage eindeutig zu beantworten: Die Sicherheit — im Sinne von Diebstahl etc. — ist zwingend einzuhalten. Es ist ähnlich, wie mit Sprengstoffen: Sie sind an und für sich harmlos — wenn man damit nicht Menschen in die Luft sprengen könnte.

Wie verhält es sich aber mit Plutonium an sich? An den Lagerfeuern von Gorleben erzählt man sich die schaurigsten Geschichten von „wenigen Gramm, die die ganze Menschheit töten können“. Dies ist absoluter Blödsinn! Reines Plutonium ist ein α-Strahler, man kann es deshalb gefahrlos in die Hand nehmen. Dies geschah und geschieht in zahlreichen Labors und in der Waffenproduktion täglich. Schäden sind nicht bekannt. Solange man es nicht als Feinstaub einatmet oder mit der Nahrung zu sich nimmt, passiert rein gar nichts. Selbst bei einer Aufnahme in den Körper, spielt die chemische Verbindung eine große Rolle, in der es vorliegt. Seine (chemische) Wirkung als ein Schwermetall übertrifft meist sogar seine Strahlungswirkung.

Damit ergibt sich für „Atomkraftgegner“ ein schwierig zu lösendes Dilemma: Ist Plutonium ganz, ganz gefährlich, müßte man es zwingend aus der Welt schaffen. Dummerweise erzeugt aber Kernspaltung große Mengen an Energie. Ist es aber nicht so gefährlich, könnte man es problemlos lagern. Die „weltweit ungelöste Endlagerfrage“ — das zentrale Argument der Angstindustrie in Deutschland — platzt wie eine Seifenblase. Es bleibt daher nur der erprobte und erfolgreiche Weg, die Kosten in die Höhe zu treiben, um anschließend sagen zu können, die friedliche Nutzung der Kernenergie sei leider total unwirtschaftlich. Eigentlich ganz leicht zu durchschauen.

WIPP, das Gorleben der USA

In den USA gibt es überall große Mengen von „Atommüll“ aus den staatlichen Forschungslabors und der Kernwaffenproduktion. Manchmal sind ganze Landstriche noch Sperrgebiet. Es stand außer Frage, daß diese Gebiete nach und nach saniert werden müssen. Aber wohin mit dem Abfall? Ein Endlager mußte her, wollte man das Problem nicht den nachfolgenden Generationen aufbürden. Es entstand das Waste Isolation Pilot Plant (WIPP) in Carlsbad, New Mexico. Ein Endlager, in dem der gesamte hochaktive Müll aus Forschung und (militärischer) Wiederaufbereitung verschwinden soll. Ausdrücklich auch Plutonium. Dies ist nicht ganz unwichtig, denn wir haben es damit mit wesentlich langlebigerem „Atommüll“ zu tun, als dem aus z. B. der französischen Wiederaufbereitung von Kernbrennstoffen. Auch dies wird in Deutschland gern verschwiegen. Ist doch hier aus ideologischen Gründen der „Ausstieg aus der Atomenergie“ gefordert. Diesem Diktat haben sich selbstverständlich Sicherheit und Kosten unter zu ordnen. Die Stützung einer kleinen Partei — als potentiellem Koalitionspartner zum Erhalt des Machtgefüges — hat absoluten Vorrang.

Die Ironie an der Geschichte ist, daß das WIPP ein Abbild des Endlagers in Gorleben ist. Man hat es in einem Salzstock in 655 m Tiefe als Kavernenfeld von 1,6 x 1,4 km angelegt. Es werden dort Kammern bergmännisch aus dem Salz aufgefahren, in denen die „Müllbehälter“ gestapelt werden. Wichtig ist, es handelt sich hier nicht um ein altes Salzbergwerk wie bei den Schachtanlagen Asse und Morsleben, sondern eine ausschließlich für die Endlagerung geplante und neu gebaute Anlage. Es ist aber auch kein Zufall, daß man einst in USA und Deutschland einen Salzstock als das ideale Wirtsgestein für ein Endlager angesehen hat. Salz ist plastisch und umschließt langfristig „selbstabdichtend“ den Atommüll. Außerdem ist es ein Rohstoff, der im Überfluß vorhanden ist, was eine etwaige spätere Nutzung ausschließt. Die Baukosten betrugen in den 1980er Jahren rund 700 Millionen $US. Ein geradezu lächerlicher Betrag, wenn man ihn mit der „Geldvernichtungsmaschine“ Gorleben vergleicht.

In Deutschland fängt man gerade an, „ergebnisoffen“ einen neuen Standort zu suchen: Alles außer Gorleben, den Wallfahrtsort der Öko-Sozialistischen Bewegung. Wie putzig dieses neue Suchverfahren abläuft, sieht man schon an dem geforderten „strikten Bohrverbot“ für Gebiete, die von der „Endlagerkommission“ für potentiell würdig erachtet werden. Fährt man auf der kilometerlangen Zufahrtsstraße zum WIPP, hat man tunlichst auf zwei Dinge zu achten: Die halbwilden Rinder, die links und rechts grasen und die LKW und Tanklaster, die in unendlichem Strom zu den Bohrstellen rasen. Der Salzstock liegt mitten in einem Ölfördergebiet — was für Geologen nicht weiter verwunderlich ist. In Sichtweite rund um das WIPP sieht man zahlreiche Bohrtürme. Kein Mensch stört sich daran. Auch nicht die Rancher, deren überlebenswichtige Wasservorräte (Wüstengebiet) durchbohrt oder mit Atommüll unterfüttert werden.

Ausblick

Die letzte Folge dieser kleinen Serie wird sich mit den verschiedenen „Immobilisierungen“ für Plutonium beschäftigen.

Thorcon – neue Reaktoren aus/mit Indonesien?

Das US-Unternehmen Thorcon will Salzbadreaktoren in Indonesien bauen.

Indonesien

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

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

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

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

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

Indonesiens Weg in die Kernenergie

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

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

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

Das ThorConIsle-Konzept

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

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

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

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

Der Reaktor

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

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

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

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

Das Salz

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

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

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

Das Sicherheitskonzept

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

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

Schlussbetrachtung

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

Evolution der Brennstäbe

Auch die kontinuierliche Weiterentwicklung einzelner Bauteile kann die Sicherheit von Reaktoren erhöhen. Dies gilt besonders nach den Erfahrungen aus dem Unglück in Fukushima.

Brennstäbe heute

Brennstäbe für Leichtwasserreaktoren haben eine Durchmesser von nur 11 mm bei einer Länge von fast 5 m. Sie sind deshalb so instabil, daß sie zu sog. Brennelementen fest zusammengebaut werden. Dort werden sie durch Abstandshalter und Befestigungsplatten in ihrer Position gehalten. Zusätzlich enthalten die noch Einbauten für Regelstäbe, Messeinrichtungen usw. Wichtig in diesem Zusammenhang ist, daß solche Brennelemente mit sehr engen Toleranzen gefertigt werden müssen, da z. B. die sich ergebenden Abstände sehr entscheidend für die Strömungsverhältnisse (Kühlung) und die Abbremsung der Neutronen sind.

Die Brennstäbe bestehen aus Hüllrohren aus Zirkalloy mit Wandstärken von weniger als einem Millimeter und sind mit Tabletten aus Urandioxid gefüllt. Auf die Konsequenzen aus dieser Materialwahl wird später noch eingegangen werden. Die Tabletten sind gesintert („gebrannt“ wie eine Keramik) und anschließend sehr präzise im Durchmesser geschliffen; an den Stirnflächen konkav gearbeitet, um Ausdehnungen im Betrieb zu kompensieren usw. All dieser Aufwand ist nötig, um die Temperaturverteilung im Griff zu behalten.

Das Temperaturproblem

Brennstäbe dürfen nicht schmelzen, denn dann ändert sich ihre mechanische Festigkeit und ihre Abmessungen (Kühlung und Neutronenspektrum). Keramiken sind zwar chemisch sehr beständig, besitzen aber gegenüber Metallen nur eine sehr schlechte Wärmeleitung. Jeder kennt den Unterschied, der schon mal heißen Kaffee aus einem Metallbecher getrunken hat. Außerdem sind Keramiken sehr spröde.

Die gesamte Wärme kann nur über den Umfang an das Kühlwasser abgegeben werden. Sie entsteht aber ziemlich gleich verteilt innerhalb des Brennstabes, da er für Neutronen ziemlich durchsichtig ist. Dies hat zur Folge, daß es einen sehr starken Temperaturunterschied zwischen Zentrum und Oberfläche gibt. Zusätzlich verschlechtert sich auch noch die Wärmeleitfähigkeit mit zunehmender Temperatur. All das führt dazu, daß der Brennstab in seinem Innern bereits aufschmelzen kann, obwohl er an seiner Oberfläche noch relativ kalt ist. Die Temperaturdifferenz zwischen Oberfläche und Kühlwasser ist aber in dieser Phase die bestimmende Größe für die Wärmeabfuhr.

Steigt die Oberflächentemperatur über die Verdampfungstemperatur des Kühlwassers, fängt das Wasser (an der Oberfläche) an zu verdampfen. Die Dampfblasen kondensieren nach deren Ablösung im umgebenden „kalten“ Wasser. Durch dieses sogenannte „unterkühlte Blasensieden“ kann man sehr große Wärmemengen abführen. Tückisch ist nur, wenn die Wärmeproduktion durch Kernspaltung einen Grenzwert übersteigt, bildet sich eine geschlossenen Dampfschicht auf der Oberfläche die auch noch stark isolierend wirkt. Als Folge steigt die Temperatur in der dünnen Brennstabhülle explosionsartig an. Dampf in Verbindung mit hoher Temperatur führt aber zur Oxidation des Zirkalloy. Die Hülle verliert schnell ihre Festigkeit.

Harrisburg und auch Fukushima

Bricht die Kühlung zusammen, überhitzen die Brennstäbe. Wie Fukushima gezeigt hat, kann das auch noch (kurz) nach dem Abschalten des Reaktors geschehen, da dann die Nachzerfallswärme noch sehr groß ist. Durch die hohen Temperaturen in den Brennstabhüllen in Verbindung mit Wasserdampf oxidieren die Hüllen und setzen dabei große Mengen Wasserstoff frei. Dieser Wasserstoff hat zu den fürchterlichen Explosionen in den Reaktorgebäuden geführt. In Harrisburg waren die Wasserstoffmengen zwar beherrschbar, aber auch damals schon zerfielen Teile des Reaktorkerns. Die Wiederbenetzung konnte zwar schlimmeres verhindern – aber man schrecke mal eine glühende Tasse mit Wasser ab.

Für alle Leichtwasserreaktoren bedeutet das, die zulässigen Temperaturen müssen bei allen Betriebsbedingungen in allen Teilen des Reaktorkerns sicher eingehalten werden. Mit anderen Worten, die Kühlung darf nie versagen. In diesem Sinne ist der Sicherheitsgewinn einer passiven (auf die natürlichen Kräfte, wie z. B. Schwerkraft beruhende) Kühlung zu verstehen.

Oberflächenschutz der Brennstäbe

Insbesondere nach den Ereignissen in Fukushima hat man unterschiedlichste Maßnahmen ergriffen, um die Sicherheit bestehender Kraftwerke weiter zu erhöhen. Außerhalb Deutschlands nach den üblichen Vorgehensweisen wie sie bei Flugzeugabstürzen, Schiffsunglücken etc. üblich sind: Akribische Untersuchung der Schadensabläufe mit dem Zweck Schwachstellen zu ermitteln und Lösungen dafür zu finden. Ein Weg war die Verbesserung der Brennstabhüllen. Zu diesem Zweck hat man z. B. in den USA das Entwicklungsprogramm „Enhanced Accident-tolerant Fuel programme.“ gestartet.

Aus einer internationalen Zusammenarbeit haben sich zwei neue Konzepte – IronClad und ARMOR. – entwickelt, deren Prototypen im Kernkraftwerk Hatch in Georgia, USA seit März 2018 im Normalbetrieb getestet werden. Der Test unter realen Bedingungen in einem laufenden Kernkraftwerk ist ein üblicher Entwicklungsschritt. Nur so kann man Fehlentwicklungen vermeiden.

IronClad sind Hüllrohre, die aus einer Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung bestehen. Man glaubt damit einen wesentlich robusteren Werkstoff gefunden zu haben, der nicht so temperaturempfindlich ist, nicht so leicht oxidiert und kein Wasserstoffgas produziert.

ARMOR ist ein eher evolutionärer Ansatz. Man panzert konventionelle Hüllrohre mit einer Schutzschicht auf der Basis von Chrom. Es sind Produkte dreier Hersteller in der Erprobung: Global Nuclear Fuel-Japan Co (GE-Hitachi), Framatom mit zusätzlich mit Chrom geimpften Brennstofftabletten und EnCore Fuel.(Westinghouse) mit Tabletten auf der Basis von Uran-Siliciden.

Ein ganz neues Konzept

Das Unternehmen Lightbridge hat das Bauelement Brennstab noch einmal ganz neu gedacht und bereits prototypenreif entwickelt. Inzwischen ist man eine Kooperation für die Weiterentwicklung und Serienproduktion mit Framatom eingegangen. Entscheidend war die Anforderung des Ersatzes von Brennstäben in konventionellen Leichtwasserreaktoren im Betrieb. Deshalb ist nicht nur ein Ersatz, sondern auch ein gemischter Betrieb mit konventionellen Brennelementen angestrebt worden.

Der Übergang von keramischem Uranoxid auf eine metallische Legierung aus Uran und Zirkon ist für Leichtwasserreaktoren revolutionär. Bisher wurde so etwas nur in schnellen Reaktoren mit Natrium – und nicht Wasser – als Kühlmittel gemacht. Ebenso neu ist die Form: Sie sind nicht mehr zylindrisch, sondern kreuzförmig. Diese Kreuze sind spiralförmig verdreht, sodaß sich vier gewindeähnliche Kanäle für das Kühlwasser bilden.. Außen sind sie mit einer dünnen und fest verbundenen Schicht aus Zirkon versehen um eine übliche Wasserchemie zu gewährleisten. Diese „Gewindestäbe“ liegen in dem Brennelement dicht beieinander, sodaß keine Abstandshalter mehr erforderlich sind.

Metall verfügt über eine bessere Wärmeleitung als Keramik und die Kreuzform ergibt eine größere Oberfläche und dünnere Querschnitte. Beides führt zu geringeren Betriebs- und Spitzentemperaturen (starke und schnelle Lastschwankungen). Der Strömungswiderstand solcher Brennelemente ist kleiner, wodurch sich der Durchfluß durch den Kern bei gleicher Pumpenleistung erhöht. Man geht deshalb von einer möglichen Leistungssteigerung von 10% aus. Ein nicht zu unterschätzender wirtschaftlicher Anreiz, wenn man in einer bestehenden Flotte für „kleines Geld“ ganze Kraftwerke zusätzlich erhält.

Die neuen Lightbridge-Brennelemente vertragen alle Leistungstransienten besser, sind aber vom Prinzip her gegen längerfristige Kühlmittelverluste anfälliger, da Metalle einen geringeren Schmelzpunkt als Keramiken besitzen. Dies war der Hauptgrund für die ursprüngliche Wahl von Uranoxid als Werkstoff.

Bei einer Simulation eines Abrisses einer Hauptkühlmittelleitung bei einem VVER-1000 Druckwasserreaktor ergab sich eine maximale Kerntemperatur von 500 °C. Dieser Wert liegt weit unterhalb von der Temperatur, bei der überhaupt Wasserstoff (900 °C) gebildet wird. Durch die hohe Wärmeleitung stellt sich bereits wieder nach 60 Sekunden nach erfolgter Wiederbenetzung erneut die normale Betriebstemperatur ein. Bei konventionellen Brennelementen steigt die Temperatur auf über 1000 °C und erreicht erst nach acht Minuten wieder den stabilen Zustand. Dies hat einen erheblichen Druckanstieg im Reaktor zur Folge, der ein ansprechen der Sicherheitsventile erforderlich macht. Bei diesem Abblasen gelangen auch geringe Mengen von radioaktivem Jod und Cäsium (zumindest) in das Containment. Der Abriß einer Hauptkühlmittelleitung ist der Auslegungsstörfall, der sicher beherrscht werden muß.. In diesem Sinne führen die Lightbridge-Brennelemente zu einem Sicherheitsgewinn.

Es sind aber noch etliche praktische Erfahrungen zu sammeln. Ein Reaktor ist ein komplexes physikalisches und chemisches System. Dies betrifft z. B. das Rückhaltevermögen für Spaltprodukte unter allen möglichen Betriebs- und Störfallbedingungen. In der Kerntechnik dauert wegen der besonderen Sicherheitsansprüche halt alles länger. Die Maßeinheit für die Einführung von Neuerungen ist eher Jahrzehnte als Jahre.

Ein weiterer vielversprechender Entwicklungsaspekt ist der Zusatz von Thorium als „abbrennbarer Brutstoff“ zur Ausdehnung der erforderlichen Ladezyklen auf vier Jahre. Um solch lange Ladezyklen zu erreichen, muß man den Brennstoff höher anreichern. Um diese Überschußreaktivität zu kompensieren muß man abbrennbare Neutronengifte zumischen. Würde man Thorium verwenden, kann man diese Überschußneutronen zum Erbrüten von Uran-233 verwenden.. Längere Ladezyklen würden die Wirtschaftlichkeit bestehender Reaktoren weiter erhöhen.

Durch die Verwendung von metallischem Brennstoff ergeben sich auch völlig neue Perspektiven der Wiederaufbereitung. Durch den Übergang auf elektrochemische Verfahren – wie man sie bereits beim EBRII – erfolgreich ausprobiert hat, kann man zu kleinen Wiederaufbereitungsanlagen in der Nähe der Kernkraftwerke übergehen. Ein weiterer Lösungsweg für die angebliche Atommüllproblematik. Gerade im Zusammenhang mit der Wiederaufbereitung und Proliferation ist auch der Zusatz von Thorium besonders interessant.

Schlussbemerkung

Man sieht, daß die Leichtwasserreaktoren noch lange nicht am Ende ihrer Entwicklung angekommen sind. Insbesondere der Einsatz von metallischen Brennstäben ergibt nicht nur einen evolutionären Weg für bestehende Reaktoren, sondern auch für Neukonstruktionen. Im Zusammenhang mit passiver Kühlung kann ein erheblicher Sicherheitsgewinn erzielt werden. Irgendwann wird die Frage der Anpassung der Genehmigungsbedingungen gestellt werden müssen. Dann aber, beginnt das Kernenergiezeitalter erst richtig. Billige Energie im Überfluß. Egal, was in Deutschland darüber gemeint wird.

Nukleare Fernwärme

Neuerdings rückt die Kerntechnik wieder in den Zusammenhang mit „Luftverbesserung“. Besonders in China wird über den Ersatz von Kohle nachgedacht.

Der Raumwärmebedarf

Die Heizung bzw. Kühlung von Gebäuden wird oft unterschätzt. Alle reden von Verkehr und Stromerzeugung. In Wirklichkeit werden aber ein Viertel bis ein Drittel des gesamten Energieverbrauches für unsere Gebäude benötigt. Unter dem Gesichtspunkt von Luftschadstoffen (z. B. Stickoxide, Feinstaub etc.) ist besonders problematisch, daß die Energiewandlung unmittelbar in unseren Städten stattfindet und das auch noch in unzähligen Einzelfeuerstätten (hiermit sind auch die „Zentralheizungen“ gemeint). Die einzelnen Heizkessel – oder gar Holzöfen – können keine kontrollierte Verbrennung gewährleisten oder gar eine Rauchgaswäsche benutzen. Zudem werden ihre Abgase in geringer Höhe flächig abgegeben. Eine hohe Luftbelastung gerade in Ballungsgebieten ist die Folge. Eine Erkenntnis, die schon unsere Urgroßväter hatten. Man begann deshalb schon Ende des 19. Jahrhunderts mit dem Bau zentraler Heizwerke.

Das Wärmenetz

Die angestrebte Raumtemperatur liegt bei etwa 20 °C. Es ist also ausgesprochene „Niedertemperaturwärme“. Hinzu kommt noch ein ganzjähriger Brauchwasserbedarf mit etwa 60 °C (Legionellen). Will man auch Kaltwasser für Klimaanlagen damit erzeugen, ist eine Temperatur von 130°C (Absorptions-Kälteanlagen) zu empfehlen. Damit ergeben sich schon die Randbedingungen für ein Rohrleitungsnetz.

Die Strömungsgeschwindigkeit ist begrenzt. Somit hängt die transportierbare Wärmeleistung von dem verwendeten Rohrdurchmesser und der Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf ab. Alles eine Kostenfrage. Hat man sehr hohe Leistungen pro Grundstück (z. B. Hochhäuser in Manhattan) und dazu noch beengte Straßenverhältnisse, bleibt sogar nur Dampf als Transportmedium übrig. Zumindest in Deutschland hat sich eine maximale Vorlauftemperatur im Netz von 130 °C bis 150 °C als optimal erwiesen. Die Vorlauftemperatur im Netz wird proportional zur Außentemperatur geregelt. In manchen Regionen hat man noch ein drittes Rohr als „Konstantleiter“, an dem die Brauchwasserbereiter und die Klimaanlagen angeschlossen sind. Dadurch kann man im Sommer den Heizungsvorlauf komplett abstellen. Alles eine Frage der vorhandenen Bausubstanz.

Heizwerk oder Kraftwärmekopplung

Das Problem ist, daß das gesamte System für die maximale Leistung (kältester Tag in einer Region) ausgelegt sein muß. Diese tritt aber nur an wenigen Tagen auf. Die ohnehin hohen Kapitalkosten führen zu hohen Fixkosten, die wegen der geringen Anzahl von Vollbenutzungsstunden zu vergleichsweise hohen spezifischen Heizkosten führen. Als einzige Stellschraube bleiben die Brennstoffkosten.

Man ist deshalb schon frühzeitig auf die Idee gekommen, Kraftwerke mitten in den Städten zu bauen, um die Leitungskosten (Strom und Wärme) gering zu halten. Die Kraftwerke liefen auch als Kraftwerke und haben das ganze Jahr über elektrische Energie erzeugt. Sie haben ihre Kosten über die Stromproduktion eingespielt. Zusätzlich zu den normalen Kondensatoren hat man noch „Heizkondensatoren“ als Quelle für das Fernwärmenetz eingebaut. In diesen Heizkondensatoren wurde ein Teil des Dampfes (in Abhängigkeit von der Außentemperatur) zur Beheizung niedergeschlagen. Da dieser Dampf nicht mehr vollständig seine Arbeit in der Turbine verrichten konnte, ging die Stromproduktion etwas zurück. Dieser Rückgang wurde dem Kraftwerk vom Fernwärmenetzbetreiber vergütet. Es war quasi dessen „Brennstoffpreis“.

Zusätzlich hatte man auch immer schon reine Heizwerke, die nur Wärme für die Fernwärme erzeugt haben. Die geringen Kapitalkosten eines solchen „Warmwasserkessels“ lohnten sich schon immer als Reserve oder zur Spitzenlasterzeugung an wenigen Tagen eines Jahres.

Die nukleare Heizung

Soweit zur Fernwärme im Allgemeinen. Jetzt zu der Frage, was eine Umstellung auf Kernspaltung bringen kann. Der Brennstoffpreis des Urans ist konkurrenzlos gering. Geringer noch als Kohle. Es gibt fast keine Belastung durch Transporte (Kohle, Asche, Heizöl etc.). Es gibt keine Luftbelastung durch Abgase. Es besteht eine enorm hohe Versorgungssicherheit und Preisstabilität (Heizkosten als „zweite Miete“). Dagegen spricht eigentlich nur „die Angst vor dem Atom“. Diese ist aber zum Glück unterschiedlich ausgeprägt. Man kann sie sogar noch beträchtlich verringern. Um die notwendigen technischen Aspekte wird es im Weiteren gehen.

Kernkraftwerke als Wärmequelle

Technisch gesehen, besteht kein Unterschied zwischen einem Kernkraftwerk und einem fossilen Kraftwerk. Man könnte problemlos z. B. ein Kohlekraftwerke durch ein Kernkraftwerk ersetzen. Es gibt aber ein juristisches Hindernis: Das Genehmigungsverfahren. Bisher muß man immer noch davon ausgehen, daß es schwere Störfälle gibt (z. B. Fukushima), die einen Teil der Radioaktivität austreten läßt und somit die unmittelbare Umgebung belasten könnte. Dafür ist der Nachweis von Evakuierungszonen und Plänen notwendig. Spätestens seit Fukushima weiß man zwar, daß die Annahmen über Freisetzungsraten viel zu konservativ waren, aber das tut der Argumentation der Angstindustrie keinen Abbruch. Die jahrzehntelange Gehirnwäsche „Millionen-Tote, zehntausend-Jahre-unbewohnbar“ hat sich zumindest in den Industrieländern festgesetzt.

Will man Kernkraftwerke in Ballungsgebieten bauen, müssen neue Reaktortypen her, die als „inhärent sicher“ betrachtet werden. Außerdem empfiehlt es sich, kleinere Reaktoren (SMR) zu bauen, um zu lange Rohrleitungen (Kosten und Wärmeverluste) zu vermeiden. Gerade in den letzten Wochen wurde in diesem Sinne ein Durchbruch erzielt: Die US-Genehmigungsbehörde hat dem Reaktor der Firma NuScale bescheinigt, daß er ohne elektrische Hilfsenergie auch bei schwersten Störfällen auskommt. Es handelt sich um einen kleinen (50 MWel) Reaktor, der selbst in einem wassergefüllten Becken steht. Er ist also stets von ausreichend Kühlwasser umgeben. Alle Einbauten (Druckhaltung, Dampferzeuger etc.) befinden sich im Druckgefäß (keine Rohrleitungen), das von einem Containment nach dem Prinzip einer Thermosflasche umgeben ist. Er benötigt keine Pumpen zur „Notkühlung“, da er schon im Normalbetrieb ausschließlich im Naturumlauf (warmes Wasser steigt auf und sinkt nach der Abkühlung wieder in den Reaktorkern zurück) funktioniert. Ein solches Kernkraftwerk bietet ein geringeres Risiko für seine Nachbarn, als jedes Gas- oder Ölkraftwerk. Genau solche Kraftwerke befinden sich aber zahlreich mitten in deutschen Großstädten. Seit Jahrzehnten lebt ihre Nachbarschaft relativ angstfrei damit – Geräusche und Abgase inbegriffen.

Den deutschen „Grün-Wähler“ wird das alles nicht überzeugen. Er ist unerschütterlich in seinem Öko-Glauben. Warum auch nicht? Man diskutiert ja auch nicht mit einem Katholiken über die unbefleckte Empfängnis der Jungfrau Maria oder mit einem Hindu über die Heiligkeit von Kühen. In den Weiten Sibiriens wird die Kernenergie schon heute positiv bewertet. In ähnlichen Regionen Kanadas und den USA wird sie aus gleichen Gründen (Versorgungssicherheit auch bei -40 °C) ernsthaft in Erwägung gezogen. In den bevölkerungsreichen Metropolen Chinas steht die Luftverschmutzung im Vordergrund. Die reale Gefahr von Lungenkrebs und Herz- Kreislauferkrankungen durch Smog wird dort gegen die eingebildete „Strahlengefahr“ abgewogen. Selbst im Großraum Helsinki prüft man den Ersatz der fossilen Fernheizwerke durch Kernenergie. Sonne geht gar nicht und Wind nur sehr eingeschränkt in diesen nördlichen Breiten.

Nukleare Heizwerke

Seit Anbeginn der Kernkraftnutzung gab es die Idee von reinen Heizwerken. Die reine Wärmeproduktion kann einige Vorteile haben: Schließlich verbrennt man ja auch Gas in einem einfachen Heizkessel und setzt nicht alles Gas in „rotierenden Öfen“ (Blockheizkraftwerk) zur gleichzeitigen Stromerzeugung ein. Schon nach den „Ölkrisen“ der 1970er Jahre, setzte sich z. B. der Schweizer Professor Seifritz für ein solches Konzept ein. Er ging damals von der Verwendung erprobter Komponenten aus Kernkraftwerken (Druckbehälter, Brennelemente etc.) zum Bau eines abgespeckten Heizreaktors aus. Durch die „Überdimensionierung“ erhoffte er sich einen zusätzlichen Sicherheitsgewinn, der zu einer Akzeptanz bei der Politik führen würde. Die Grundüberlegung ist noch heute so gültig, wie vor nunmehr 50 Jahren: Ersatz fossiler Brennstoffe durch Uran. Damals wie heute, standen der Ölpreis und die Luftverschmutzung in den Städten im Vordergrund.

Um den Ansatz von Professor Seifritz zu verstehen, ist etwas Physik notwendig. Ein typischer Druckwasserreaktor eines Kernkraftwerks hat eine Wärmeleistung von etwa 4000 MWth. Viel zu viel für ein Fernheizwerk. Geht man aber mit der Leistung um mehr als eine Größenordnung runter – läßt den Reaktor quasi nur im Leerlauf laufen – hat man einen entsprechenden Sicherheitsgewinn in allen Parametern. Bis überhaupt die Betriebszustände eines – zigfach erprobten – Druckwasserreaktors erreicht werden, müßte eine Menge schief gehen. Man hätte genug Zeit den Reaktor abzustellen.

Bei einer so geringen Leistung, könnte man handelsübliche Brennelemente viel länger im Reaktor belassen bis sie „abgebrannt“ wären (Versorgungssicherheit, Preisstabilität etc.).

Ein Druckwasserreaktor in einem Kernkraftwerk arbeitet mit einem Betriebsdruck von etwa 155 bar und einer Wassertemperatur von etwa 325 °C. Beides recht ordentliche Werte. Wie sehe es bei einem Heizreaktor aus? Gehen wir von einer Vorlauftemperatur im Netz von 150 °C aus (Einsatz von Absorptionsanlagen zur Klimatisierung um das Netz auch im Sommer besser auszulasten). Damit das Wasser noch flüssig bleibt und nicht verdampft ist ein Betriebsdruck von mindestens 5 bar nötig. Geben wir noch mal 30 °C als treibende Temperaturdifferenz für die Wärmeübertrager im Heizreaktor drauf, kommen wir auf eine Betriebstemperatur von 180 °C. Dafür ist ein Betriebsdruck von mindestens 10 bar nötig. Ein beträchtlicher Sicherheitsgewinn.. Vor allen Dingen entfallen alle Hochdruck-Sicherheitseinrichtungen: Was man nicht hat, kann auch nicht kaputt gehen.

Noch eleganter erscheint ein Heizreaktor auf der Basis eines Siedewasserreaktors. Man bräuchte – da keine Turbine vorhanden ist – auch keinerlei Einbauten zur Dampftrocknung und keine Umwälzpumpen. Einfacher und sicherer geht nicht.

In diesem Zusammenhang erscheinen Meldungen zu einem geplanten Einsatz von Schwimmbadreaktoren zur Fernheizung wohl eher als „Fake News“. Schwimmbadreaktoren sind – wie der Name schon andeutet – oben offen. Sie ähneln eher einem Brennelemente-Lagerbecken. Sie könnten deshalb nur warmes Wasser mit deutlich unter 100 °C liefern. Für eine Fernheizung völlig ungeeignet.

In diesem Zusammenhang erscheinen Meldungen zu einem geplanten Einsatz von Schwimmbadreaktoren zur Fernheizung wohl eher als „Fake News“. Schwimmbadreaktoren sind – wie der Name schon andeutet – oben offen. Sie ähneln eher einem Brennelemente-Lagerbecken. Sie könnten deshalb nur warmes Wasser mit deutlich unter 100 °C liefern. Für eine Fernheizung völlig ungeeignet.

Nachbemerkung

Fernheizungsnetze erfordern sehr hohe Investitionen, haben dafür kaum Betriebskosten und halten Jahrzehnte. Sie sind somit anderen Infrastrukturen, wie Trinkwasser- und Abwassernetzen sehr ähnlich. Gleichwohl gibt es schon heute weltweit unzählige Fernwärmenetze, die kontinuierlich erweitert werden. Der Markt für Wärmeerzeuger ist somit gewaltig. Auch die in Deutschland so beliebte „Plastikverpackung“ von Neubauten tut dem keinen Abbruch. Was braucht man also, um eine solche Entwicklung zu fördern?

  • Man benötigt möglichst kleine Heizreaktoren. Die Netzkosten fressen sonst sehr schnell etwaige Kosteneinsparungen bei den Reaktoren auf.
  • Die Reaktoren müssen sehr einfach und robust sein. Sie müssen standardisiert sein und in großen Stückzahlen in Fabriken hergestellt werden.
  • Es sollte weitgehend auf genehmigte Verfahren und Bauteile aus der Kernkraftwerkstechnik zurückgegriffen werden. Nur so kann man die kostspieligen und langwierigen Genehmigungsverfahren in den Griff bekommen.
  • Die Reaktoren müssen inhärent sicher sein und vollautomatisch betrieben werden können.
  • Sie müssen komplett und ständig fernüberwacht werden.
  • Die Anforderungen an Umgebung und Personal müssen vor Beginn des ersten Projekts neu definiert, öffentlich diskutiert und rechtssicher verabschiedet sein.
  • Bei jedem Standort müssen die Anwohner frühzeitig einbezogen werden. Nur durch Aufklärung kann man die einschlägige Angstindustrie und ihre Kumpane aus der Politik abwehren. Skandinavien und Frankreich bieten hierfür zahlreiche Beispiele und erprobte Vorgehensweisen.

Manchem mag das alles phantastisch vorkommen. Nur, ist die Diskussion nicht nur in China losgetreten worden. Sie läuft bereits auch in Osteuropa und Skandinavien. Es mag in Deutschland noch ein paar Jahre dauern, aber dann wird die Mehrheit der Bevölkerung erkennen, wie sie systematisch von Politikern und Schlangenölverkäufern mit der „Energiewende“ betrogen worden ist. Ist dieser Punkt erst erreicht, wird das Pendel ruckartig in seine alte Lage zurückkehren.

Reduktion langlebiger Spaltprodukte

Aktuell wird wieder einmal in der Fachliteratur die Beseitigung von langlebigen Spaltprodukten diskutiert.

Das Problem

Irgendwann ist jedes Brennelement erschöpft und muß erneuert werden. Die „abgebrannten“ Brennelemente werden von „Atomkraftgegnern“ gern als „Atommüll“ verunglimpft, obwohl sie recycelt werden können. Sie bestehen noch zu rund 96% aus Uran und Plutonium, die erneut als Brennstoff genutzt werden könnten. Sicherheitstechnisch betrachtet, stellt ihre ionisierende Strahlung ein – durchaus unterschiedliches – Problem dar. Es sind daher dauerhafte Abschirmungen in der Form von Wasserbädern, Sicherheitsbehältern etc. notwendig.

Der Faktor Zeit

Je länger die Halbwertszeit ist, um so länger dauert es, bis dieser Stoff verschwunden ist. Wenn man von einer Gefahr durch ionisierende Strahlung ausgeht, ist damit der Zeitraum bestimmt, in dem man den Stoff von der Biosphäre fern halten sollte:

  • Es gibt unterschiedliche Arten ionisierender Strahlung, die auch biologisch unterschiedlich wirken. Strahlung, die z. B. von Uran und Plutonium ausgeht, ist nur dann bedrohlich, wenn sie innerhalb des Körpers frei wird. Nimmt man sie nicht in den Körper auf (Nahrung, Atemluft), sind sie genauso harmlos, wie jedweder anderer Stoff auch.
  • Die Dosis macht’s“. Insofern ist die Konzentration eines radioaktiven Stoffes (z. B. im Trinkwasser) entscheidend.
  • Freigesetzte Stoffe können sich (z. B. über die Nahrungskette) anreichern. Dies gilt naturgemäß besonders für langlebige Stoffe. Insofern sollten sie möglichst gar nicht erst freigesetzt werden.

Der Endlager-Standpunkt

Überzeichnet man die Gefahr, die von radioaktiven Stoffen ausgeht, kommt man zu dem Schluß, man müßte sie quasi „für ewig“ sicher einschließen. Der Begriff des „Endlagers“ ist erschaffen. Ein hervorragender politischer Kampfbegriff, weil wie ein Gummiband dehnbar. Man muß nur die Gefährlichkeit – was auch immer darunter zu verstehen sei – ausdehnen und kommt schnell zu Zeiträumen, die nicht mehr als beherrschbar erklärt werden können. Gipfel dieser Gespensterdebatte ist die Erforschung irgendwelcher Piktogramme, die Außerirdischen oder sonst wie verblödeten Erdbewohnern die Lage eines „Endlagers“ in Millionen von Jahren näher bringen sollen. Interessant ist dabei nur, wie locker man beispielsweise den Fallout aus unzähligen Kernwaffenversuchen nicht gekennzeichnet hat. Wären die Stoffe auch nur annähernd so gefährlich, wie sich Ökoaktivisten gern an den Lagerfeuern im Wendland erzählen, müßte die gesamte Menschheit bereits ausgestorben sein. Aber es geht dabei ja auch weniger um Fakten, als um Gesellschaftsveränderung.

Gleichwohl sollte man mit radioaktiven Abfällen verantwortungsvoll umgehen. Es ist das Verdienst der Kerntechnik, der erste Industriezweig zu sein, der sich von Anfang an um seinen Abfall Gedanken gemacht hat: Wiederaufbereitung und geologische Tiefenlager waren erfunden. Letztere aus einem ethischen Anspruch heraus, den Abfall nicht den folgenden Generationen als Problem und Kosten zu hinterlassen. Immer noch revolutionär, wenn man es mit dem sonst voll akzeptierten Umgang mit Abfällen und Deponien vergleicht.

Die Art der Beseitigung

Wenn man gebrauchte Brennelemente aufarbeitet, können sie weiterhin zur Energiegewinnung verwendet werden: In konventionellen Reaktoren als Mischoxid und in schwerwassermoderierten Reaktoren sogar in ihrer ursprünglichen Zusammensetzung. Bedingung ist die Trennung von Uran und Plutonium von den Spaltprodukten.

Verwendet man diesen aufbereiteten Brennstoff in Reaktoren mit schnellem Neutronenspektrum (meist mit Natrium oder Blei als Kühlmittel), kann man damit sogar die minoren Aktinoide „verbrennen“. Sie bilden sich aus Uran- und Plutoniumkernen, die trotz Neutroneneinfang nicht gespalten worden sind. Sie sind besonders langlebig und müssen zusammen mit Plutonium als Argument für eine „sichere Endlagerung über Millionen von Jahren“ her halten.

Bleiben die Spaltprodukte übrig. Sie sind zumeist recht kurzlebig und strahlen deshalb sehr stark. So stark, daß sie sich aufheizen, deshalb gekühlt und sicher abgeschirmt werden müssen. Ein Problem, das sich nach einigen Jahrhunderten von selbst erledigt hat. Es wäre mit der Lagerung in simplen Bunkern technisch leicht beherrschbar, wenn es nicht einige wenige sehr langlebige Spaltprodukte geben würde. Hier setzt wieder die Ethik ein: Ist es zulässig, solche Stoffe unseren Nachfahren zu vererben? Es handelt sich um recht harmlose Stoffe (lange Halbwertszeiten bedeuten wenige Zerfälle pro Sekunde und damit grundsätzlich geringe Dosisleistungen) in sehr kleinen Mengen. Es geht hier um Halbwertszeiten von einigen Hunderttausend (Se79, Tc99) bis zu einigen Millionen (Zr93, Pd107, I129, Cs135) Jahren.

Man kann Atomkerne nur durch Neutronen in ein anderes Element umformen. Man benötigt also eine (möglichst starke) Neutronenquelle. Dieser Vorgang wird Transmutation genannt. Ein Favorit hierfür sind Spallationsquellen, bei denen Atomkerne beschossen werden und förmlich verdampfen. Sie sind sehr aufwendig, produzieren aber dafür auch große Mengen Neutronen. Grundsätzlich bleibt aber ein Problem: Die Stoffe existieren meist in einem Isotopengemisch. Man will aber eigentlich nur ein bestimmtes (besonders langlebiges) Isotop umwandeln. Alle anderen Kernreaktionen sind parasitär und kosten nur die teueren Neutronen. Ein Schlüssel hierfür, sind die energieabhängigen Einfangquerschnitte.

Beseitigung in schnellen Reaktoren

Reaktoren mit schnellen Neutronen sind hervorragend zur „Verbrennung“ von Plutonium und minoren Aktinoiden geeignet. Darüberhinaus benötigen sie nicht einmal Natururan, sondern geben sich sogar mit abgereichertem Uran als Brennstoff zufrieden. Allerdings sind sie nur schlecht zur Beseitigung der langlebigen Spaltprodukte geeignet. Diese besitzen nur sehr kleine Einfangquerschnitte für schnelle Neutronen. Es gibt aber einige Energiebereiche, in denen sie solche Neutronen begierig aufnehmen. Verzichtet man auf einige bei der Spaltung freigewordenen Neutronen – im statistischen Mittel auf 0,3 Neutronen pro Kernspaltung – kann man sie zur Umwandlung abzweigen. Man muß sie allerdings noch auf die ideale Geschwindigkeit abbremsen.

Damit ergibt sich folgendes Reaktorkonzept:

  • Man baut einen zentralen Kern, in dem die eigentliche Energieproduktion aus Uran und Plutonium durch Spaltung mit schnellen Neutronen stattfindet.
  • In einem „schnellen Brüter“ ist diese Zone von einer Schicht aus abgereichertem Uran umgeben. Die Neutronen, die aus dem Kern rausfliegen und nicht zur Aufrechterhaltung einer Kettenreaktion benötigt wurden, reagieren hier mit dem Uran und bilden zusätzliches Plutonium. Bei einem „Brüter“ ist hier die Produktion von Plutonium größer als gleichzeitig davon im Kern verbraucht wird.
  • Verzichtet man nun auf einen Teil der „Brutrate“, hat man Neutronen für eine Umwandlung von Spaltprodukten zur Verfügung. Man muß diese nur noch – möglichst an Ort und Stelle – auf die „richtige“ Geschwindigkeit abbremsen. Man kann in den „Brutmantel“ eine gewisse Anzahl von Brennstäben einfügen, die mit einem Gemisch aus den zu beseitigenden Spaltprodukten und einem geeigneten Moderator gefüllt sind. Ein solcher Moderator könnte z. B. Yttrium Deuterid (YD2) sein. Er erfüllt die Bedingungen, selbst kaum mit Neutronen zu reagieren und die richtige Masse für die notwendige Abbremsung zu besitzen.

Die notwendige Verfahrenstechnik

Die Wiederaufbereitung wird erheblich komplizierter. Bei dem klassischen PUREX-Verfahren – wie es z. B. in Frankreich angewendet wird – gewinnt man möglichst reines Uran und Plutonium. Alles andere ist Abfall, der verglast und später in einem geologischen Tiefenlager „endgelagert“ wird. Um diesen Abfall weiter zu entschärfen, müßte man in weiteren Schritten die Aktinoide und die langlebigen Spaltprodukte abtrennen. Beides ist sehr aufwendig und man sollte darüber nicht vergessen, daß es sich dabei nur um rund 4% des ursprünglichen Brennstoffs eines Leichtwasserreaktors handelt. Die zusätzliche Volumenverkleinerung ist somit äußerst gering.

Die langlebigen Spaltprodukte müssen nun noch in möglichst reiner Form gewonnen werden, um parasitäre Effekte zu vermeiden. Darüberhinaus muß ein eigener Wiederaufbereitungskreislauf eingerichtet werden, da nicht alle Spaltprodukte in einem Schritt beseitigt werden können. Ein gewaltiger Aufwand für so geringe Mengen. Darüberhinaus macht die ganze Sache nur wirklich Sinn, wenn mehr langlebige Spaltprodukte umgeformt werden, wie bei dem Betrieb dieses Reaktors wieder neu entstehen.

Schlußbemerkung

Der Aufwand für eine Transmutation ist sehr hoch. Gleichwohl erscheint der Erfolg durchaus verlockend. Wie Simulationen für den japanischen Monju-Reaktor zeigen, kann über einen Betrieb von 20 Jahren eine Reduktion der effektiven Halbwertszeit langlebiger Spaltprodukte von über 100.000 Jahren auf rund 100 Jahre erzielt werden.

Trotzdem darf die Frage erlaubt sein, ob der gewaltige (wirtschaftliche) Aufwand den (vermeintlichen) Sicherheitsgewinn aufwiegt. Andererseits wird Menschen mit Strahlenphobie auch dieser Aufwand nicht genügen. Es steht zu befürchten, daß das bekannte Rennen zwischen Hase und Igel der „Atomkraftgegner“ lediglich fortgesetzt wird.

TRISO

Tri-Isotropic (TRISO) Brennstoff wird immer im Zusammenhang mit Hochtemperaturreaktoren (HTR) erwähnt. Oft mit schönen Bildern. Es lohnt sich, sich etwas näher damit zu beschäftigen.

Geschichte

Seit etwa 1957 wurde der Gedanke propagiert, sehr kleine Brennstoffpartikel mit geeigneten Mitteln zu ummanteln und als „Mini-Brennelemente“ einzusetzen. Im Vordergrund stand dabei der Gedanke, unterschiedlichste Brennstoffkombinationen zu verwenden: Hoch angereichertes Uran (HEU), schwach angereichertes Uran (LEU), Uran mit Thorium (U, Th), Uran mit Plutonium (U, Pu) und Plutonium (Pu). Es wurden umfangreiche Testreihen in aller Welt durchgeführt. Im Prinzip geht tatsächlich alles. Es gibt aber unterschiedlich Vor- und Nachteile.

So hat man z. B. in Deutschland auf Thorium als Brennstoff gesetzt. Man wollte damit eine zweite Schiene von Brutreaktoren schaffen, die die – wie man damals glaubte – geringen Uranvorräte strecken sollte. Diese Entwicklungsrichtung mündete in den Thorium-Hochtemperaturreaktor (THTR) in Hamm-Uentrop als Demonstrationskraftwerk. Diese Schiene kann man heute nur als Sackgasse bezeichnen. Jedenfalls so lange, wie die heutigen Regeln zur Nichtverbreitung von Kernwaffen bestehen bleiben. Man benötigte dafür nämlich auf 93% hoch angereichertes Uran. Heute lagern aus dieser Demonstration noch etwa 900 kg dieses Materials in der Form von schwach abgebrannten Brennelementen in Deutschland. Ein Thema, über das nicht gern öffentlich geredet wird: Die Grünen klammern sich an jedes Gramm, um ihren Gründungsmythos von der ungeklärten Entsorgungsfrage aufrecht erhalten zu können. Eigentlich müßte das Zeug längst in die USA verbracht sein. Es ist geradezu peinlich, wenn man vergleicht, welchen Aufwand die USA und sogar Rußland betreiben, um wenige Kilogramm aus Forschungsreaktoren weltweit wieder einzusammeln und zurück zu führen. In Deutschland steht das Zeug in mäßig bewachten Zwischenlagern rum. Eine tolle Ausgangsposition für Verhandlungen mit Iran, Nord Korea etc. Manchmal stellt man sich schon die Frage, ob das alles nur mit der Bildungsresistenz deutscher Politiker und ihrer ausgesuchten „Atomexperten“ erklärbar ist.

Aus diesen kleinsten Mini-Brennelementen kann man anschließend technische Brennelemente formen. Dafür haben sich zwei Wege heraus kristallisiert: Etwa tennisballgroße Kugeln oder sechseckige „Bausteine“ aus denen man einen Kern aufbauen kann. Die erste Variante ist besonders einfach zu produzieren und ermöglicht einen Reaktor, den man kontinuierlich beladen kann. Frische Kugeln werden oben eingebracht und gleichzeitig unten gebrauchte Kugeln ausgeschleust. Der eher konventionelle Aufbau aus Brennelementen ist dafür flexibler und auch für große Reaktoren geeignet. Letztendlich beruhen aber beide Prinzipien auf den sandartigen Mini-Brennelementen.

In Deutschland wurde zur Herstellung dieser Mini-Brennelemente das sogenannte Sol-Gel-Verfahren entwickelt. Später entwickelte die deutsche Firma NUKEM ein Verfahren für die freie Erstarrung solcher Kügelchen. Dieses Verfahren wurde von den Chinesen übernommen. Wiederum ein krasses Beispiel für den Ausverkauf deutscher Hochtechnologie. Einzig allein aus ideologischer Verblendung.

Herstellung der Kerne

Uranpulver (U3 O8) wird in Salpetersäure (HNO3) aufgelöst. Es bildet sich eine Uranylnitrat Lösung die noch mit Salmiak neutralisiert werden muß. Ihr werden diverse Alkohole zugesetzt um die Zähigkeit und Oberflächenspannung optimal einzustellen.

Diese eingestellte Lösung wird nun aus Glasröhren vertropft. Um die Tröpfchenbildung zu unterstützen, werden diese Röhrchen in Schwingungen versetzt. Aus jedem Röhrchen tropfen etwa 100 Tröpfchen pro Sekunde. Im freien Fall bilden sich daraus kreisrunde Kügelchen von definiertem Durchmesser. Noch sind es unbeständige Flüssigkeitstropfen. Diese fallen deshalb anschließend durch eine Ammoniak Atmosphäre (NH3), welche mit dem Uranylnitrat chemisch reagiert. Es bildet sich um die Kügelchen eine stabile Haut, die ausreicht, damit sie in dem anschließenden Bad ihre kreisrunde Form behalten. Es haben sich – noch weiche und empfindliche – Kugeln von knapp zwei Millimetern Durchmesser gebildet.

Diese Kugeln werden mit Dampf in rotierenden Trommeln behandelt. Dadurch wachsen in dem Gel Kristalle und sie werden fest. Anschließend werden diese Kugeln in mehreren Schritten mit Wasser und verschiedenen Chemikalien gründlich gewaschen. Dies ist wichtig, damit in den weiteren Verfahrensschritten kein Uran in die Kohlenstoffschichten verschleppt wird. Unter ständiger Rotation werden die Urankügelchen im Vakuum getrocknet. Die Kugeln schrumpfen dadurch auf etwa einen Millimeter Durchmesser. Im nächsten Schritt werden die Kügelchen bei 430 °C kalziniert. Durch diese hohe Temperatur zerlegen sich die organischen Bestandteile und werden ausgetrieben. Es bleiben Kügelchen aus UO3 mit einem Durchmesser von nur noch einem Dreiviertel-Millimeter zurück. Damit sich das UO3 zu UO2reduziert, werden sie in einem weiteren Schritt in einer Wasserstoff-Atmosphäre bei rund 600 °C geröstet. Im letzten Verfahrensschritt werden diese Kügelchen bei 1600 °C gebacken, um eine optimale Dichte und Festigkeit zu erlangen. Das Endprodukt sind Kügelchen mit knapp einem Halben-Millimeter Durchmesser. Sie werden noch fein gesiebt (zu klein = zu wenig Brennstoff und zu groß = zu viel Brennstoff) und die unrunden Partikel aussortiert.

Die Ummantelung

Ganz entscheidend beim TRISO-Konzept ist die Ummantelung der Brennstoffkerne. Sie muß gleichermaßen mehrere Funktionen erfüllen:

  • Mechanischer und chemischer Schutz der Brennstoffkerne vor Einwirkungen von außen. Die Ummantelung ist so stabil, daß sie einerseits für die direkte Endlagerung geeignet ist, andererseits aber eine Wiederaufbereitung erschwert.
  • Zurückhaltung von Spaltprodukten und Brennstoff, damit das Kühlmittel Helium möglichst sauber bleibt.
  • Volumenausgleich. Bei der Kernspaltung entsteht praktisch das gesamte Periodensystem – diese Stoffe können untereinander und mit dem freigewordenen überschüssigen Sauerstoff reagieren. Es ergeben sich auf jeden Fall neue chemische Verbindungen mit unterschiedlichen Dichten. Etwaige Ausdehnungen müssen durch die Ummantelung abgepuffert werden, um ein Aufsprengen der Brennelementen zu vermeiden.

Es werden insgesamt vier Schichten aufgetragen:

  1. Als innerste Schicht (≈ 95 µm), eine Schicht aus porösem Kohlenstoff. Sie soll wie ein Schwamm aus dem Kern austretende Spaltprodukte (z.B. die Edelgase) aufnehmen und auf Volumenänderungen ausgleichend wirken.
  2. Als zweite Schicht (≈ 40 µm), ebenfalls eine Kohlenstoffschicht, aber diesmal von hoher Dichte.
  3. Als dritte Schicht (≈ 35 µm), eine Schicht aus chemisch sehr widerstandsfähigem Siliciumcarbid. Sie hält fast alle Spaltprodukte auch unter extremen Bedingungen (Störfall) nahezu vollständig zurück.
  4. Als äußere Schicht (≈ 40 µm), wird noch eine weitere Schicht aus besonders dichtem Kohlenstoff aufgebracht.

Die Schichten werden aus der Gasphase abgeschieden. Für die porösen Schichten wird Azetylen (C2 H2) und für die dichten Schichten zusätzlich Propylen (C3 H6) verwendet. Zur Erzeugung der Schicht aus Siliciumcarbid wird Methylchlorsilane (CH3 SiCl5) verwendet.

Die Bildung der Schichten erfolgt in einem zylindrischen Reaktor, in dem die Brennstoffkügelchen geschüttet werden und anschließend von unten die Reaktionsgase eingeblasen werden. Dabei werden die Gase in eine so hohe Strömungsgeschwindigkeit versetzt, daß die Kügelchen gerade schweben (Wirbelschicht). Über die Steuerung der Temperatur (1200 bis 1500 °C) wird die Zersetzung der Gase und die Abscheidung auf den Kügelchen gesteuert.

Die Brennelemente

Es wird ein Pulver aus 64% Naturgraphit, 16% Elektrographit und 20% Phenolharz hergestellt. Mit diesem Pulver werden die ummantelten Kerne in einer rotierenden Trommel etwa 200 µm überzogen und bei 80 °C getrocknet. Diese Grünlinge dürfen einen Durchmesser von 1,1 bis 1,5 mm haben. Sie werden bei Raumtemperatur mit einem Druck von 50 bar in Silikonformen zu den brennstoffhaltigen Kernen der Brennelemente gepreßt. Eine zweite Form wird mit Reaktorgraphit ausgekleidet, die grünen Kerne eingelegt und mit einem Druck von 3000 bar zusammengepreßt. Dies ergibt die charakteristischen Kugeln für einen Kugelhaufenreaktor.

Damit sich das Phenolharz in Graphit zersetzt, werden die Kugeln in einer Argonatmosphäre auf 800 °C erhitzt. Zur Härtung werden sie anschließend noch in einem Vakuum bei fast 2000 °C geglüht. Wenn sie alle Qualitätstest bestanden haben, sind sie nun für den Einsatz im Reaktor fertig.

Qualitätskontrolle

Die Verfahrensschritte sind nicht geheimnisvoll. Das eigentliche Wissen liegt in der erforderlichen Qualitätskontrolle. Alle Verfahren müssen bei jedem Zwischenschritt zerstörungsfrei erfolgen. Wird bei einem Fertigungsschritt ein Fehler gemacht, ist das gesamte Fertigprodukt Ausschuss. Es muß also sehr sorgfältig geprüft werden. Hinzu kommt die astronomische Anzahl von Brennstoffkernchen. Es mußten deshalb ganz neue statistische Verfahren entwickelt werden.

Mögliche Fehler im Betrieb

Die Brennelemente sollen im Idealfall alle Spaltprodukte vollständig zurückhalten. Gelangt keine Radioaktivität in das Kühlmittel Helium, kann auch keine Radioaktivität aus dem Kraftwerk austreten. Es lohnt sich also, mögliche Schäden etwas näher zu betrachten. Ganz, lassen sich Schäden in der Technik nie verhindern. Es ist vielmehr entscheidend, wieviel Radioaktivität – auch bei einem schwersten Störfall – das Kraftwerksgelände verlassen kann.

  • Überdruck in den Kernen. Es entstehen gasförmige Spaltprodukte, insbesondere Edelgase. Hinzu kommt ein Sauerstoffüberschuss durch die Kernspaltung, da nicht jedes Sauerstoffatom der chemischen Verbindung UOeinen neuen Partner findet. Es bildet sich Kohlenmonoxid aus der Ummantelung. Diese Gase sollen in der ersten, porösen Schicht zurückgehalten werden. Werden die Qualitätsrichtlinien eingehalten, ergibt sich daraus kein ernsthaftes Problem.
  • Durch die Neutronenstrahlung schrumpft und dehnt sich der Kohlenstoff der Ummantelungen aus. Durch diese Spannungen können Risse auftreten. In Deutschland konnte diese Fehlerquelle fast vollständig ausgeschaltet werden.
  • Durch die Temperaturunterschiede zwischen dem Kern und der Oberfläche können Teile des Kerns in die Umhüllung wandern. Auch dieses Problem kann durch eine konsequente Qualitätskontrolle klein gehalten werden.
  • Edelmetalle greifen die Siliciumcarbid-Schicht chemisch an. Insbesondere Silber kann diese Schichten passieren und bildet unerwünschte Ablagerungen im Reaktor. Generell gilt, daß in die Ummantelung gewanderte Spaltprodukte bei der erhöhten Temperatur eines Störfalls zu unerwarteten Freisetzungen führen können.

Zusammenfasend kann man feststellen, daß hochwertig produzierte Brennelemente der beste Schutz gegen Freisetzungen bei einem Störfall sind. Hinzu kommt eine (aufwendige) Überprüfung jeder ausgeschleusten Kugel auf Schäden und den erfolgten Abbrand. Je weniger Kugeln „am Limit“ sich im Reaktor befinden, je größer sind die Sicherheitsreserven für einen Störfall. Dies war eine Erkenntnis des Versuchsreaktors AVR in Jülich, der als Forschungsreaktor natürlich seine Grenzen erkunden mußte.

Brennstoffkreisläufe

Durch die sehr guten neutronenphysikalischen Eigenschaften und die extreme Temperaturbeständigkeit von Kohlenstoff ist das TRISO-Konzept sehr flexibel. Es ist gering angereichertes Uran verwendbar, aber auch Mischoxide oder sogar reines Plutonium, sowie Kreisläufe auf der Basis von Thorium.

Favorit ist derzeit die Verwendung von leicht angereichertem Uran. Allerdings muß die Anreicherung deutlich höher als bei Leichtwasserreaktoren sein. Ursache ist beim TRISO-Brennstoff die räumliche Verteilung, durch die eine Selbstabschirmung eintritt.

Gemische aus Plutonium und Uran können auch verwendet werden. Diese können als Karbide oder Nitrite eingesetzt werden. Favorit dürfte wegen der Erfahrungen in Leichtwasserreaktoren Mischoxide (MOX) sein.

Es wurden sogar reine Plutonium-Brennstoffe untersucht. Dies geschah aus dem Gedanken, insbesondere Plutonium aus einer Abrüstung zu verbrennen. Vielen Kritikern machen die weltweit ständig steigenden Plutoniumvorräte sorgen. Allerdings ist bis zu einem Prototyp noch sehr viel Forschung und Entwicklung nötig.

Das aus Thorium gebildete U-233 ist mit Abstand das beste Spaltmaterial für thermische Reaktoren. Aus diesem Grunde wurde in USA und Deutschland schon sehr früh das Thorium-Brutreaktor-Konzept favorisiert. Allerdings dürfte die Verwendung von hoch angereichertem Uran heute nicht mehr praktikabel sein. Für eine mittlere Anreicherung bzw. Verwendung von Plutonium als Ersatz, ist noch sehr viel Forschung nötig.

Entsorgung

Ein TRISO-Brennelement besteht aus 94% Graphit. Einerseits ist das für eine (auch sehr lange) Zwischenlagerung eine sehr gute Verpackung, andererseits muß man gewaltige Volumen lagern. Es empfiehlt sich daher eine Wiederaufbereitung um das Volumen zur Endlagerung klein zu halten. Leider gilt aber: Je (mechanisch und chemisch) stabiler ein Brennelement ist, je geringer ist (auch) im Störfall die Freisetzung von Spaltprodukten. Allerdings ist es dann auch um so aufwendiger an diese Spaltprodukte und Wertstoffe heranzukommen. Bei noch nicht bestrahlten Brennelementen ist das Stand der Technik. Der Ausschuss jeder Produktionsstufe wird wieder in die Ursprungsprodukte zerlegt und wiederverwendet.

Im Betrieb wird radioaktives C14 gebildet. Dieser Kohlenstoff bleibt in der Matrix gelöst. Insbesondere bei Feuchtigkeit kann dieses C14 in der Form von CO2 Gas austreten. Ähnliches gilt für radioaktives Tritium H3. Die auftretenden Mengen sind so gering, daß sie bei einer Wiederaufbereitung nach entsprechender Verdünnung in die Umwelt abgegeben werden könnten. Beide Stoffe kommen ohnehin in der Natur vor.

Die Mengen sind nicht sonderlich hoch. Bei einem Hochtemperaturreaktor dürften in seinem Leben von 60 Jahren rund 5000 bis 10000 to abgebrannter Brennelemente anfallen. Diese entwickeln nach etwa drei Jahren etwa 100 W Wärme pro Lagerkanne. Dieser Wert halbiert sich noch einmal nach 50 Jahren. Eine Lagerung ist also kein Problem.

Hat man erstmal die Kerne „zerstört“ – gemeint ist damit, die Kohlenstoffschichten mechanisch und/oder chemisch entfernt – ist die Wiederaufbereitung in leicht modifizierten PUREX-Anlagen möglich.

Die Kugelhaufen sind zurück

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

Geschichte

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

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

Der Unterschied

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

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

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

Das Arbeitsmedium

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

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

Der Brennstoff

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

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

Ein Haufen ist ein Haufen

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

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

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

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

Die Sicherheit

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

Die Temperaturfrage

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

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

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

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

Zusammenfassung

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

Für die Kugelhaufenreaktoren heißt das:

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

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

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