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.

Das nationale Begleitgremium stellt sich vor

Am Samstag fand im „Tagungswerk Jerusalemkirche in Berlin“ eine Veranstaltung zum „Standortauswahlgesetz“ statt.

Was verbirgt sich dahinter?

Wer bisher noch nicht von dieser Institution gehört hat, sollte vielleicht mal deren Internetauftritt besuchen. Mal ehrlich, wer hat überhaupt von dieser Tagung gewußt oder gar eine Einladung erhalten? Dafür war Funk, Fernsehen und Presse reichlich vertreten. Ist ja bald wieder Wahlkampf. Erstaunlich oder eher erschreckend ist auch hier wieder, das neue deutsche Blockparteiensystem. Alle Parteien vereint – unter Führung der Grünen – im Kampf gegen das „Teufelszeug“ und den zahlenden Bürger. Ein Lehrstück über gelenkte Demokratie. Man bestimmt ein Gremium aus gleichgesinnten Laien und nennt das „Bürgerbeteiligung“. Sachverstand ist ausdrücklich nicht gewünscht, er stört nur die Politik bei ihrer „großen Transformation“.

Was soll das Standortauswahlgesetz bewirken?

Zumindest eine Partei sieht ihre Wurzeln und ihre Kernkompetenz im „Kampf gegen das Atom“. Zieht man dieses Thema ab, verbleibt nur noch ein bischen (austauschbarer) Sozialismus. Die Transsexualität und die vegetarische Zwangsernährung hat sich bereits in den letzten Wahlkämpfen nicht als der Wahlkampfschlager erwiesen. Also zurück zum Geschäft mit der Angst. Nur ist auch das nicht mehr so einfach zu betreiben wie früher. Durch den „Atomausstieg“ und die „Energiewende“ ist „Atomkraft-Nein-Danke“ auch für wohlwollende Linke nicht mehr so der Aufreger. Also schnell vor der Bundestagswahl noch ein paar Kohlen für die eigene Klientel aufgelegt, indem man ein „Standortauswahlgesetz“ im Schweinsgalopp durch die Parlamente treibt. Da alle etablierten Parteien auf den potentiellen Koalitionspartner zum eigenen Machterhalt oder Machterwerb angewiesen scheinen, mit voller Unterstützung der anderen Parteien. Es gibt im Bundestag offensichtlich keine Opposition – und was weit folgenschwerer ist – keinen Sachverstand mehr.

Nachdem wir bereits Milliarden in die Erkundung der Standorte Gorleben und Schacht Konrad investiert haben, soll jetzt noch einmal alles von Neuem gestartet werden. Wohl gemerkt, nicht weil sich diese Standorte als gänzlich ungeeignet erwiesen haben, sondern um die gesamte Republik wieder mit „einem Kampf gegen das Atom“ zu überziehen. Wir gönnen uns ja sonst nichts. In diesem Punkt schweigen sogar die Politiker, die sonst ständig von „Kinderarmut“, drohender „Altersarmut“ etc. reden.

Was ist das eigentliche Problem?

Wir verfügen an zahlreichen Standorten über unterschiedlichste Stoffe, die ionisierende Strahlung aussenden. Sie stammen aus unterschiedlichsten Quellen: Energieerzeugung, Forschung, Medizin, Produktion und Bergbau (Öl, Gas, Kohle usw.). Damit muß verantwortungsvoll umgegangen werden. Das ist die eigentliche politische Frage, die in den Parlamenten diskutiert und beschlossen werden muß:

  • Was ist Wertstoff und was ist Abfall?
  • Was wird als gefährlich angesehen? Dies betrifft nicht nur die Radioaktivität, sondern auch den chemischen Zustand.
  • Wie hoch sollen die Grenzwerte sein?
  • Sollen die Stoffe „vernichtet“ werden und damit dauerhaft aus der Welt geschafft werden oder sollen sie „sicher gelagert“ werden?
  • Was ist eine als sicher angesehene Lagerung: Technische Barrieren oder geologische Barrieren oder eine Mischform?

Erst wenn über diese Fragen Einigung erzielt worden ist, kann sachlich fundiert über Standorte entschieden werden. Dieser Prozeß muß in einer Demokratie über die Parlamente geschehen. Die Politiker – da grundsätzlich Laien – haben vorher den Sachverstand der Wissenschaft zu konsultieren. Die Entscheidung jedoch, kann ihnen keiner abnehmen.

Ganz nebenbei, die „Endlagerfindung“ ist mitnichten die endgültige Lösung. Auch bei einem kompletten Ausstieg aus der Kernenergie und Forschung wird weiterhin mit radioaktiven Stoffen in Medizin und Fertigung umgegangen werden. Radioaktiver Abfall wird weiterhin entstehen.

Die moralische Überhöhung

„Atommüll“ sei Teufelszeug, für das die heutige Generation die Verantwortung tragen müßte, da sie auch den Nutzen davon gehabt hätte. Abgesehen davon, daß dies eine eigenartige Auffassung von der Entwicklung der Menschheit ist, ist diese Aussage auch in höchstem Maße zynisch. Diese Denkweise gipfelt in der Forderung eines generellen Exportverbotes für radioaktive Stoffe. Man will die abgebrannten Brennelemente unwiederbringlich verbuddeln. Deutschland will aus der Kernenergie aussteigen, gut, das ist sein Recht. Aber woher nimmt dieses grün-alternative Milieu eigentlich das Recht, dem Rest der Welt seine Sichtweise aufzuzwingen? Für den überwiegenden Teil der Menschheit sind Brennelemente kein Müll, sondern Rohstoff für die Energiegewinnung. Das Recycling ist erprobte Praxis. Wo bleibt da eigentlich die „Nachhaltigkeit“, die sonst immer, wie eine Monstranz vor sich her getragen wird. Allein China baut alle drei Monate einen neuen Kernreaktor. Der Uranbedarf wird entsprechend steigen. Die Urangewinnung erfordert viele menschliche und materielle Ressourcen, aber wir maßen uns an, Wertstoffe durch vergraben dem Weltmarkt zu entziehen. Am Deutschen Wesen, wird die Welt genesen.

Wie in sich unlogisch die Argumentation ist, zeigt sich daran, daß ein grüner Umweltminister sogar fordert, man müsse für die Endlagerung auch ausdrücklich das tail-end (abgereicherter Teilstrom bei der Urananreicherung) aus deutschen Urananreicherungsanlagen einbeziehen. Was bitte, strahlt denn mehr: Uran-235 oder Uran-238? Das abgereicherte Uran strahlt daher weniger als Natururan. Bisher ist es ein frei handelbares Wirtschaftsgut. Wenn wir die Grenzwerte so tief nach unten schrauben, sollten wir schleunigst Zwischenlager für Kohlenasche (aus der wird gerne Zement und Pflastersteine gemacht), Rückstände aus der heimischen Öl- und Gasförderung usw. anlegen. Außerdem müßten wir schleunigst alle Panzer, panzerbrechende Munition und Ausgleichsgewichte in diversen Flugzeugen mit Aufklebern zur Warnung vor Radioaktivität versehen und das Personal mit Dosimetern ausrüsten. Schöne Grüße aus Absurdistan.

Der Müll geht aus

Der bisherige Gesetzentwurf lautet im Untertitel …ein Endlager für Wärme entwickelnde radioaktive Abfälle…. Wahrscheinlich der kleinste gemeinsame Nenner zwischen den Parteien. Durchaus sinnvoll, denn es gibt ja bereits den Standort Konrad für mittelaktiven Abfall. Wenn man nun aber alle Kernkraftwerke abgeschaltet hat, kommt kein neuer (hochaktiver) Müll mehr hinzu. Der bereits zwischengelagerte Abfall aus der Wiederaufbereitung ist schon recht alt. Bis ein Endlager betriebsbereit ist und die erste Einlagerung möglich wird, werden mindestens noch weitere 50 Jahre vergehen. Je länger der Abfall lagert, um so mehr radioaktive Stoffe sind zerfallen. Es bleiben nur die langlebigen über, die aber gerade wegen ihrer Langlebigkeit wenig Wärmeleistung produzieren. Deshalb ist es z.B. kein Problem, eine Oberflächentemperatur von 90°C (z. B. französische Vorschrift für deren Endlager) bei den Gebinden einzuhalten. Der deutsche Gesetzentwurf schweigt sich bisher dazu aus, was durchaus sinnvoll ist, da ja noch keine konkreten geologischen Verhältnisse vorliegen sollen (Entscheidungsfreiheit).

Damit die „Atommüll-Story“ weiter am Laufen gehalten werden kann, muß man virtuellen Müll erschaffen. Man redet gewaltige Mengen aus der Asse herbei, die angeblich wieder vollständig ausgebaggert werden muß. Hinzu kommen die Mengen an leicht radioaktiven Abfällen aus den Kernkraftwerken und dem Abbruch der kerntechnischen Anlagen. Es wird dabei tunlichst verschwiegen, daß das Volumen von radioaktivem Müll vollkommen beliebig ist. Man kann durch Nachbehandlung (Dekontaminierung, Verbrennung etc.) und Sortierung das Volumen beliebig verringern. Alles nur eine Frage der Kosten. Die jetzt aufgeworfene Forderung der grünen Problemerschaffungs-Partei, auch dieser Müll müßte in dem geologischen Tiefenlager eingelagert werden, setzt dem Ganzen die Krone auf. Müll, der weltweit auf normalen oberirdischen Sondermülldeponien gelagert wird. Dies nur um den Popanz eines nicht vorhandenen Endlagers aufrecht erhalten zu können. Dieses muß natürlich möglichst groß sein, um den Widerstand in der Region anfachen zu können und gleichzeitig möglichst teuer, um das Märchen von der viel zu teuren Kernenergie erfüllen zu können. Als Nebenprodukt kann man noch ein Endlager erschaffen, das sicherheitstechnisch deutlich hinter internationalen Standards zurückbleibt. Nach dem Murks der Energiewende, noch ein Murks mit radioaktiven Stoffen.

Das erschaffene Endlagerproblem

Das größte Bubenstück der Grünen war jedoch das Verbot einer Wiederaufbereitung, das jetzt noch einmal durch das Exportverbot für Kernbrennstoffe verschärft werden soll. Man muß es immer wieder betonen, der verglaste Abfall aus der Wiederaufbereitung in Frankreich und England ist nach maximal 100 000 Jahren auf das Niveau von Natururan abgeklungen. Man kann ihn bereits nach wenigen hundert Jahren in die Hand nehmen, wenn man keine Strahlenphobie hat. Genau das, war der sicherheitstechnische Sinn der Wiederaufbereitung: Verkleinere drastisch das Volumen und entschärfe den Abfall durch die Entfernung des Plutoniums.

Durch die jetzt geplante Endlagerung der unbehandelten Brennstäbe hat man wegen des hohen Plutoniumgehaltes einen wesentlich problematischeren Abfall erschaffen. Man kann nicht einfach die Castoren verbuddeln, sondern die Brennelemente müssen aufwendig neu verpackt werden. Verfahren hierfür, die auch nur ansatzweise die gleiche Sicherheit bieten wie der verglaste Abfall, gibt es nicht. Wer soll die eigentlich entwickeln und wo wird später die Anlage hierfür errichtet?

Zusammenfassung

Es ist der klassische Politikablauf: Erschaffe ein Problem, das du anschließend vorgibst zu lösen. Halte Fachleute fern und laß nach dem Prinzip des Berliner Willi Brand Flughafens Laien vor sich hin wurschteln. Je länger die Sache dauert, je höher sind die Pfründe für alle Günstlinge. Tarne die Angelegenheit über eine „Bürgerbeteiligung“. Gleichzeitig schaffst du dadurch Arbeitsplätze für nicht vom Arbeitsmarkt nachgefragte Akademikergruppen. Diese sind dir deshalb treu ergeben und werden dir den Rücken frei halten. Je besser du die Verantwortungslosigkeit organisiert, je besser ist die Chance wiedergewählt zu werden.

Es wird eine endlose Geschichte inszeniert. Jetzt, wo man sich die Rücklagen für die Entsorgung einverleibt hat, hat man alle Zeit der Welt, das Geld für andere Dinge auszugeben. Politiker als Vermögensverwalter ist genauso, wie gierige Hunde zur Bewachung von Steaks. Ist das Geld weg, wird man die Gesetze ändern. Schacht Konrad und Gorleben laufen ja nicht weg.

Was ist eigentlich Atommüll?

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

Alles entsteht im Reaktor

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

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

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

Unterschiedliche Formen der Strahlung

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

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

Die Dosis macht das Gift

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

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

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

Konzentration oder Verdünnung

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

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

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

Spent fuel

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

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

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

Wiederaufbereitung

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

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

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

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

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

Die minoren Aktinoide

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

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

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

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

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

Der deutsche Sonderweg

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

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

Endlager auf französisch

Im Gegensatz zu Deutschland, geht der Bau eines Endlagers in Frankreich zielstrebig voran: Bei uns, endloses Geschwafel von ausgesuchten Laien, dort konsequente Forschung und Entwicklung.

Die Rolle der Öffentlichkeit

Im Jahr 1991 verabschiedete das französische Parlament den sog. Bataille Act, in dem die Forderung nach einer langfristigen und sicheren Lösung für radioaktive Abfälle festgeschrieben wurde. Dabei sollten zukünftige Generationen nicht durch das heutige Vorgehen belastet werden.

Im ersten Schritt des Verfahrens wurden unterschiedliche Wege untersucht. Für hochaktiven und mittelaktiven Abfall wurde sowohl eine oberirdische Lagerung in Gebäuden als auch eine geologische Tiefenlagerung als machbar ermittelt. Nach Abschluss dieser Phase entschied man sich für eine unterirdische Lagerung, da nur bei ihr kommende Generationen von Lasten befreit sind.

Die nächste Phase erstreckte sich auf die Suche eines geeigneten Standorts in Frankreich. Unter den in Frage kommenden, entschied man sich für eine Einlagerung in die Tonschichten von Bure im Departement Haute-Marne und Meuse. Das Parlament beschloß im Jahr 2006 die Einrichtung eines geologischen Tiefenlabors (Bergwerk) zur endgültigen Abklärung der Eignung. Die endgültige Entscheidung durch das Parlament ob an diesem Standort das Endlager errichtet wird, ist für 2018 vorgesehen.

Wichtig an der Vorgehensweise ist die Aufteilung in Etappen. Für jede Phase gab es einen klar vorgegebenen Auftrag, der im Parlament diskutiert und beschlossen wurde. Voraus gingen öffentliche Anhörungen, Forschungsberichte und Kritik durch Umweltschutzorganisationen etc. Für die Untersuchungen am Standort Bure wurde eine unabhängige Organisation – die CLIS – geschaffen, die für die Vermittlung zwischen Öffentlichkeit und zuständigen Behörden zuständig ist. Sie wird hälftig aus Steuergeldern und durch Umlagen der „Müllerzeuger“ finanziert. Sie hat eigene Räume, feste Mitarbeiter und eine Bibliothek vor Ort, die für jedermann frei zugänglich sind. Mitglieder sind fast hundert Vertreter aus den betroffenen Gemeinden: Bürgermeister, Behörden, Feuerwehr, Gesundheitseinrichtungen, Gewerkschaftsvertreter etc. Zur Zeit knapp 100 Mitglieder. Sie versammeln sich mindestens vier mal pro Jahr, um sich auszutauschen. Darüberhinaus kann jeder Bürger sich an die CLIS wenden. Diese Versammlungen sind öffentlich und von jedem übers Internet mitzuverfolgen. Alle Behörden sind gegenüber der CLIS auskunftspflichtig. Zu den Anhörungen werden regelmäßig externe Fachleute eingeladen. Diese Transparenz hat maßgeblich zu der Gelassenheit in der örtlichen Bevölkerung beigetragen. Demonstrationen und gewalttätige Auseinandersetzungen – wie wir sie aus Wackersdorf und Gorleben kennen – sind bisher völlig ausgeblieben. Hier könnte Deutschland eine Menge von Frankreich lernen. Momentan wird die Quote auf etwa 20% Befürworter, 20% Gegner und einer Mehrheit von noch Unentschlossenen bzw. Gleichgültigen eingeschätzt. Jedenfalls lange nicht so aufgeputscht, wie in Gorleben. Widerstand wird nur von außen in die Gemeinden hereingetragen.

Das unterirdische Versuchsbergwerk und die oberirdischen Labore sind nach Voranmeldung zu besichtigen. Wer will, kann sich also ein eigenes Bild vor Ort machen und die entwickelten Gebinde, Transport-Roboter, Abbaumaschinen etc. im Original besichtigen.

Das Versuchslabor

Es wurden zwei Bergwerksschächte bis in die 500 Meter tiefe und etwa 150 m dicke Tonstein-Schicht abgeteuft. Dort unten, werden verschiedenste Gänge und Einrichtungen erbaut die zur Erforschung der geologischen Verhältnisse und der Einlagerungsverfahren und Gerätschaften dienen. Es wird mit Originalgebinden – allerdings ohne Atommüll – gearbeitet. Zur Simulation werden die Gebinde teilweise sogar beheizt. Für jede Methode werden mindestens zwei Alternativen gleichzeitig untersucht. Ziel ist bei allem, Entscheidungen möglichst lange offen zu halten, um Sackgassen oder notwendige „faule Kompromisse“ zu verhindern. Bis zur endgültigen Entscheidung, ob hier das Endlager errichtet wird, wird man über mehr als zehn Jahre praktische Erfahrungen verfügen.

Ein Tiefenlager ist kein Bergwerk

Zwischen einem Bergwerk (Kohle, Salz etc.) und einem geologischen Tiefenlager besteht ein deutlicher Unterschied: Ein Bergwerk folgt den Kohlenflözen oder Mineraladern. Es orientiert sich nicht an den Erfordernissen von Fahrzeugen und Robotern etc. Nach dem Abbau können die Hohlräume ruhig einstürzen. Ein Endlager für Atommüll ähnelt jedoch eher einem System aus Straßentunneln. In diesem Fall besitzen die Tunnel einen Durchmesser zwischen sechs und acht Metern, bei einer Wandstärke von gut 30 cm Stahlbeton. Sie sollen mindestens 150 Jahre stabil bestehen bleiben. Das Lager ist für stärkste Erdbeben ausgelegt.

Ausgehend von diesen Tunneln, werden beidseitig, horizontal etwa 90 m lange Bohrungen mit rund 75 cm Durchmesser hergestellt, in die später die Gebinde mit hochaktivem Abfall eingeschoben werden. Um auch hier die Rückholbarkeit für mindestens 100 Jahre zu gewährleisten, werden diese Bohrungen sofort mit Stahlrohren ausgekleidet. Man kann sich einen solchen Abschnitt wie ein Stück Pipeline für Gas oder Öl vorstellen. Es gelten hier ganz ähnliche Qualitätsanforderungen. Mit einer „Müllkippe“ für Fässer – wie z. B. in der Asse – hat das alles nichts zu tun. Vielleicht liegt in diesem Missverständnis ein wesentlicher Grund für die breite Ablehnung eines Endlagers in der deutschen Öffentlichkeit?

Für die mittelaktiven Abfälle werden Kammern – oder sollte man vielleicht besser unterirdische Betonbunker sagen – gebaut, in die die Blöcke mit radioaktiven Abfällen gestapelt werden. Auch diese Abfälle müssen für mindestens 100 Jahre rückholbar sein. Das ganze ähnelt den „Zwischenlagern“, wie man sie bereits heute an der Oberfläche betreibt. Nur eben 500 m unter der Erde, in einer über 100 m dicken Tonschicht.

Rückholbarkeit

Die Franzosen gehen Schritt für Schritt vor. Jeder Schritt muß umkehrbar sein. So soll das Endlager z. B. mindestens 5 Jahre im Versuchsbetrieb ohne radioaktive Abfälle laufen. Erst wenn in der Praxis gezeigt wurde, daß alle technischen Einrichtungen so funktionieren, wie auf dem Reißbrett erdacht, kann mit der tatsächlichen Einlagerung von radioaktiven Abfällen begonnen werden. Nach heutigem Kenntnisstand erst in der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts.

In diesem Sinne, ist die geforderte Rückholbarkeit des Atommülls für mindestens 100 Jahre zu verstehen. Sind doch „Rückholbarkeit“ und „Endlager“ zwei gegensätzliche Forderungen. Weiterhin steht die endgültige, sichere und wartungsfreie Lagerung im Vordergrund. Vor der endgültigen Versiegelung führt man eine Beobachtungsphase über 100 Jahre ein, um sicher zu gehen, weder etwas übersehen, noch etwas falsch gemacht zu haben. Läuft die Sache nicht wie geplant, kann man anhalten und sogar einen Schritt zurückgehen, um eine neue Richtung einzuschlagen.

Besonders wichtig bei technischen Projekten, die sich über so lange Zeiträume hinziehen, ist die Flexibilität. Keiner hat vor 100 Jahren den heutigen Stand der Robotertechnik oder das Niveau im Tunnelbau vorhersehen können. Die Kerntechnik gab es noch nicht einmal. Vielleicht will man in 200 Jahren den „Atommüll“ gar nicht mehr verbuddeln, sondern als Rohstoff nutzen? Auch das gehört zur viel bemühten „Nachhaltigkeit“: Zukünftigen Generationen Entscheidungen offen zu lassen und (einfach) möglich zu machen.

Hochaktiver Abfall

Der HLW (High-Level Waste) besteht hauptsächlich aus den Spaltprodukten. Sie werden noch in der Wiederaufbereitungsanlage in geschmolzenem Glas gelöst und in Kannen aus rostfreiem Stahl abgefüllt. Eine solche Kanne ist ein Zylinder mit einem Durchmesser von 43 cm und einer Höhe von 130 cm. In ihm befinden sich ungefähr 400 kg Glas und 70 kg Abfall. Jede volle Kanne wiegt somit etwa eine halbe Tonne. Es sind die gleichen Kannen, die auch im Zwischenlager Gorleben auf ihr Schicksal warten. Ein Kernkraftwerk vom Typ Emsland (geplant noch bis 2022 am Netz) hinterläßt rund 20 solcher Kannen pro Jahr – wenn denn die abgebrannten Brennelemente aufbereitet werden dürften.

In Frankreich lagern diese Kannen in speziellen Bunkern auf dem Gelände der Wiederaufbereitungsanlage. Dort können sie solange abkühlen, bis ihre Oberflächentemperatur auch nach der Endlagerung maximal 90 °C beträgt. Zum Transport werden sie in spezielle Transportbehälter verpackt, die die Strahlung auf maximal 0,1 mSv/h begrenzen. Außerdem schützen sie die Kannen auch bei schwersten Unglücken. Sie sollen mit Sonderzügen zum Endlager nach Bure gefahren werden.

Im Eingangsbereich werden die Kannen ferngesteuert ausgeladen und auf ihren bestimmungsgemäßen Zustand und Inhalt überprüft. Für die Endlagerung werden sie in einen Zylinder verpackt. Dieser Zylinder dient dem Schutz bei der Einführung in die Endlager-Pipelines. Außerdem haben diese Zylinder spezielle Anschlüsse, die es den Beschickungsmaschinen erlauben, sie sicher zu halten und zu manövrieren. Außen sind sie mit Kufen aus Keramik versehen, die auch eine „gewaltsame“ Rückholung aus einem verbogenen Rohr ermöglichen würde. Solche Situationen werden bereits heute mit „kalten“ Kannen ausgiebig getestet.

Für den Transport aus dem oberirdischen Bereich in das Endlager werden diese Einheiten zum Schutz gegen Beschädigung und für den Strahlenschutz noch in einen Transportbehälter verpackt. Erst die Lademaschine entnimmt sie und schiebt sie in eine Lager-Pipeline. Ist die Pipeline voll, wird sie abschließend gegenüber dem Zufahrtstunnel versiegelt. Ab diesem Moment können keine radioaktiven Stoffe mehr aus der Pipeline (25 mm Wandstärke hat das Stahlrohr) austreten, bzw. kein Wasser etc. in sie eindringen. Erst nach einer eventuellen Zerstörung müssen die Barrieren Ton und Deckgebirge wirksam werden.

Mittelaktiver Abfall

Neben dem HLW soll auch der ILW (Intermediate-Level long-lived Waste) endgelagert werden. Typische Vertreter sind die alten Brennstabhüllen oder Filterrückstände aus Kraftwerken und Wiederaufbereitung. Diese Abfälle werden verdichtet und ebenfalls in Kannen aus rostfreiem Stahl eingeschweißt. Da sie keine fühlbare Wärme entwickeln, könnten sie sofort endgelagert und dichter gepackt werden.

Nachdem sie überprüft sind, werden sie in rechteckige Betonblöcke (je vier Kannen) eingesetzt. Diese dienen dem Schutz vor mechanischen Belastungen und dem Strahlenschutz. Diese Betonblöcke werden in den dafür vorgesehenen Kammern dicht gestapelt. Dafür sollen ebenfalls „Straßentunnel aus Beton“ im Ton gebaut werden. Diese werden Abschnittsweise beladen und anschließend versiegelt.

Aufbau des Endlagers

Oberirdisch wird die Anlage in zwei örtlich getrennte Bereiche unterteilt: Den nuklearen und den bergbaulichen Teil. Der „Bergbau“ wird aus fünf Schachtanlagen mit allen notwenigen Einrichtungen und den Abraumhalden bestehen. Der nukleare Teil umfaßt alle Einrichtungen, die zum Verpacken, überwachen und zur Wartung und Weiterentwicklung nötig sind. Dieser Teil ist mit dem unterirdischen Endlager durch eine etwa fünf Kilometer lange Rampe verbunden. Alle radioaktiven Stoffe werden durch eine Schienenbahn in diesem schrägen Tunnel nach unten geschafft. Während des Betriebs sind unterirdisch der nukleare und der bergbauliche Teil voneinander isoliert. Dies dient dem Arbeits- und Umweltschutz. Der nukleare Teil wird einem Kontrollbereich in einem Kernkraftwerk entsprechen.

Wird das Endlager – wahrscheinlich erst in ein paar hundert Jahren – endgültig außer Betrieb genommen, werden alle unterirdischen Gänge sorgfältig wieder verfüllt und die oberirdischen Anlagen abgebrochen. Bis zu diesem Zeitpunkt, bietet die Anlage einige hundert Dauerarbeitsplätze.

Sicherheit

Bei dem französischen Weg, über eine Wiederaufbereitung der abgebrannten Brennstäbe das Uran und Plutonium abzuscheiden und nur die Spaltprodukte und minoren Aktinoide als Abfall zu „endlagern“, reduziert sich der Gefährdungszeitraum auf etwa 100 000 Jahre. Nach Ablauf dieses Zeitraumes sind fast alle radioaktiven Stoffe zerfallen und der „Atommüll“ hat nur noch das Gefährdungspotential von Natururan.

Gesetzlich ist der Nachweis vorgeschrieben, daß die maximale Strahlenbelastung in der Umgebung des Lagers für den gesamten Zeitraum auf 0,01 mSv begrenzt bleibt. Selbst bei allen denkbaren Störfällen muß die Belastung auf 0,25 mSv beschränkt bleiben.

Zum Verständnis eines Endlagers ist das Zusammenspiel von Zeitdauer und Konzentration wichtig. Das Glas müßte z. B. durch Grundwässer aufgelöst werden. Hierdurch findet eine Verdünnung statt. Je geringer die Konzentration der radioaktiven Stoffe in diesem Wasser ist, desto harmloser ist es. Im Normalfall hätte dieses Wasser noch Trinkwasserqualität (Auflösung und Auslaugung von Glas in Wasser geht nur sehr langsam vor sich). Jetzt müßte dieses Wasser und die radioaktiven Stoffe aber noch 500 m Deckgebirge durchwandern, bevor es in die Biosphäre gelangt. Dabei wird es aber nicht einfach befördert, sondern tauscht sich beständig mit den Bodenschichten aus. Auf dieser langen Reise schreitet jedoch der radioaktive Zerfall kontinuierlich fort. Was z. B. in einem Trinkwasserbrunnen ankommen kann, ist – insbesondere bei den ausgesucht idealen Bedingungen am Standort – nur noch verschwindend gering und damit harmlos. Viele Mineralwässer sind höher belastet und werden sogar als gesundheitsfördernd eingestuft.

Zusammenfassung

Frankreich verfolgt zielstrebig seine „Endlagerpolitik“. Sie ist durch folgende Punkte charakterisiert:

  • Abgebrannte Brennelemente werden wieder aufbereitet. Durch die Abtrennung von Uran und Plutonium verringert sich die Menge an hochaktivem Abfall beträchtlich. Das Endlager kann kleiner werden. Der erforderliche Zeitraum für einen sicheren Einschluß reduziert sich deutlich auf rund 100.000 Jahre
  • Die übrig bleibenden Spaltprodukte und minoren Aktinoide werden verglast und in der Wiederaufbereitungsanlage zwischengelagert. Wegen des relativ kleinen Volumens kann die Zwischenlagerung beliebig lange erfolgen. Die abnehmende Radioaktivität vereinfacht den notwendigen Strahlenschutz bei Transport und Handhabung.
  • Von der Entstehung des ersten Mülls bis zur Inbetriebnahme des Endlagers sind (wahrscheinlich) 100 Jahre vergangen. Der Müll ist damit soweit abgeklungen, daß problemlos Temperaturen von 90 °C auch im Endlager eingehalten werden können.. Dies entschärft die Anforderungen an das Wirtsgestein ganz beträchtlich. Auch hier gilt die Politik der kleinen Schritte: Ab 2025 soll maximal 5% eingelagert werden und mindestens für 50 Jahre beobachtet werden, bis die Freigabe für die restlichen 95% erfolgt.
  • Die Entwicklung der Technologie ist weit fortgeschritten. Dies ist auf das konsequente Vorgehen in kleinen, gut überschaubaren und klar definierten Schritten zurückzuführen. In jeder Phase wurden mehrere Alternativen untersucht.
  • Im Gegensatz zu Deutschland, wurde großer Wert auf Transparenz und Öffentlichkeitsarbeit gelegt. Alle wesentlichen Schritte werden im Parlament behandelt und entschieden. Dabei beschränkt sich die Politik auf Grundsatzfragen, wie z. B. die Entscheidung zwischen oberirdischen technischen Lagern oder geologischem Tiefenlager. Dies ist eine rein ethische Entscheidung nach dem Muster: Traut man mehr der Gesellschaft oder der Geologie und sie ist deshalb vom Parlament zu fällen.
  • Die Durchführung der Beschlüsse wird ausschließlich durch ausgewiesene Fachleute ausgeführt und beurteilt.. Selbsternannte „Atomexperten“ können, wie alle anderen Laien auch, ihre Einwände über die Anhörungen einbringen.
  • Alle Forschungsergebnisse werden veröffentlicht und bewußt auch den internationalen Fachgremien zur Beurteilung zur Verfügung gestellt.
  • Frankreich hat sich ein enormes Fachwissen zur geologischen Endlagerung erarbeitet. Es hat sich damit bedeutende Exportchancen erschlossen,. denn „Endlagerung“ ist eine weltweite Aufgabe.

Ausblick

Im nächsten Teil wird noch näher auf die Entstehung von Atommüll und die unterschiedlichen Behandlungsweisen und Klassifizierungen eingegangen.