Weitere Nutzung für „Atommüll“

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

Die Reaktoren

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

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

Die Wiederaufbereitung

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

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

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

Der NUE-Weg

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

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

Der LFTR – ein Reaktor mit Salzbad

Immer massiver wird für ein völlig neuartiges Reaktorkonzept geworben, den Liquid-Fluorid Thorium Reactor (LFTR). Dieses Konzept bricht radikal mit den Prinzipien der heutigen Leichtwasserreaktoren: Thorium in der Form als Salz für Brennstoff und Kühlmittel und integrierte Wiederaufbereitung.

Warum Thorium?

Thorium und Uran sind die einzigen in der Natur vorkommenden Elemente zur Gewinnung von Energie durch Kernspaltung. Thorium kommt etwa vier mal häufiger vor und ist wesentlich gleichmäßiger verteilt. Es gibt bereits große Mengen als Abfall aus der Gewinnung seltener Erden. In Indien und Brasilien gibt es ganze Strände, die aus thoriumhaltigem Sand bestehen. Eine verlockende zusätzliche und nahezu unerschöpfliche Energiequelle. Uran und Thorium zusammen, könnten den gesamten Energieverbrauch der Menschheit mindestens für Jahrtausende decken.

Aus Thorium läßt sich – anders als aus natürlichem Uran – kein Reaktor mit einer sich selbst erhaltenden Kettenreaktion bauen. Man muß das Thorium zuerst in Uran umwandeln. Dieser „Brutprozess“ soll in in dem LFTR-Reaktor integriert werden. Um eine optimale Ausbeute zu erhalten, soll es jeweils einen „Brutkreislauf“ (in dem Thorium in Uran umgewandelt wird) und einen „Spaltkreislauf“ (in dem die gewünschte Energieerzeugung stattfindet) in dem Reaktor geben. Wenn ein Thorium-232-Kern ein Neutron einfängt, bildet sich Thorium-233. Dieses zerfällt mit einer Halbwertszeit von knapp 22 Minuten in Protactinium-233 und anschließend erst mit einer Halbwertszeit von 27 Tagen in Uran-233. Mit anderen Worten, erst nach rund einem Jahr ist die (nahezu vollständige) Umwandlung von Thorium in ein brauchbares Spaltmaterial erfolgt. In dieser Zeit, sollten die Zwischenprodukte keinen weiteren Neutronen ausgesetzt sein, da sich sonst unerwünschte Elemente bilden könnten.

Thorium hat im Gegensatz zu Uran nur etwa 232 anstelle von 238 Protonen und Neutronen in seinem Kern. Da immer nur ein Neutron eingefangen werden kann, dauert es bei Thorium wesentlich länger und ist wesentlich unwahrscheinlicher, bis sich „überschwere“ Kerne gebildet haben. Genau diese Kerne (z. B. Plutonium, Americium, Curium usw.) sind aber für die Langlebigkeit von „Atommüll“ verantwortlich. Entstehen sie erst gar nicht, ist der „Atommüll“ relativ harmlos und seine technische Lagerung bis zum (nahezu) vollständigen Zerfall reduziert sich auf Jahrzehnte bis Jahrhunderte.

Warum Salzschmelze als Betriebsmittel?

Man kann Thorium auch in anderen Reaktorkonzepten (Kugelhaufen-, Schwerwasserreaktoren etc.) nutzen. Umgekehrt kann man auch bei Salzschmelzen Uran oder Plutonium einsetzen. Es muß also noch andere Gründe geben.

Ein Alleinstellungsmerkmal des LFTR ist die integrierte Wiederaufbereitung. Nur bei der ersten Beladung muß Spaltstoff aus anderen Quellen hinzugefügt werden. Ist der Reaktor erst einmal im Gleichgewicht, wird nur noch Thorium dem Brutkreislauf hinzugefügt und Spaltstoffe aus dem Spaltungskreislauf abgezogen. Wegen der geringen Mengen wird eine Lagerung auf dem Gelände des Kraftwerks vorgeschlagen. Später kann dann über eine etwaige Endlagerung entschieden werden. Da die Spaltstoffe recht kurzlebig sind und (langlebige) Aktinoide praktisch nicht im Abfall vorhanden sind, erscheint eine industrielle Nutzung (Abklingzeit je nach Verwendungszweck) eher wahrscheinlich.

Grundsätzlich kann man den Brennstoff in fester Form in Brennelemente einschließen oder in einer Flüssigkeit auflösen. Im ersten Fall müssen die Brennelemente durch eine Flüssigkeit oder ein Gas gekühlt werden. Im zweiten Fall erhitzt sich die Flüssigkeit infolge der Kernspaltung und kann durch einen Wärmeübertrager gepumpt werden, in dem sie ihre Energie an ein Arbeitsmedium bzw. ein Kühlmittel abgibt. So gesehen, besteht kein großer Unterschied zwischen beiden Systemen. Bei Brennelementen muß der gesamte Spaltstoff für die gesamte Betriebszeit des Brennelementes schon am Anfang in dieses eingebracht werden (Überschußreaktivität) und umgekehrt enthalten sie beim Ausladen alle Spaltprodukte der vollständigen Betriebsdauer. Bei flüssigem Brennstoff kann dieser kontinuierlich gereinigt werden. Bei einem schweren Störfall (z. B. Fukushima) braucht man auch nur von der Freisetzung einer kleinen Menge auszugehen. Das kann einen entscheidenden Sicherheitsgewinn bedeuten.

Mit Salzschmelzen kann man hohe Temperaturen erreichen und bleibt trotzdem auch bei geringem Druck noch weit vom Siedepunkt entfernt. Die oft als Argument angegebene „Drucklosigkeit“ ist aber etwas übertrieben. Schließlich muß das Salz beständig durch die (engen) Kanäle des Kerns hindurch gepumpt werden. Der Druckverlust ist erheblich, sodaß man beim LFTR von einem erforderlichen Druck hinter der Pumpe von 11 bar ausgeht.

Fluoride als Salz für Brennstoff und Brutstoff

Als besonders geeignet hat sich ein Salz der Zusammensetzung 2*LiF2 – BeF2 – XF4 herausgestellt. Lithium (Li) und Beryllium (Be) bilden das Grundgerüst, in dem Uran-233 (X) bzw. Thorium-232 (X) in der erforderlichen Menge gelöst sind. Diese Stoffe sind nicht ganz unproblematisch:

  • Lithium kommt in der Natur in den Isotopen Li-6 (7,4%) und Li-7 (92,6%) vor. Li-6 ist ein starkes Neutronengift. Wenn es ein Neutron einfängt, bildet sich radioaktives Tritium. Es kann als Wasserstoff explosive Gase bilden, die nach der Reaktion mit Sauerstoff zu „radioaktivem“ Wasser führen. Alles unerfreuliche Nebeneffekte. Man verwendet daher abgereichertes Lithium, das aber recht teuer ist.
  • Beryllium und auch Berylliumfluorid sind sehr giftig und werden als krebserregend eingestuft. Wenn es 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.

Die Lithium-Beryllium-Salze sind zwar chemisch sehr beständig, haben einen hohen Verdampfungspunkt und man hat vielfache praktische Erfahrungen mit ihnen in der chemischen Industrie. In einem Kernreaktor ist aber besonders, daß mit jeder Kernspaltung auch die chemische Verbindung zerstört wird 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. Ferner muß man für die Wiederaufbereitung ständig mit Fluor und Beryllium umgehen, um neues „Brennstoff- und Brutsalz“ zu bilden. Ähnliches gilt am anderen Ende des Prozesses bei der Abscheidung der Spaltprodukte. Hier muß noch eine Menge Entwicklungsarbeit geleistet werden und unbedingt Erfahrungen bei einer großtechnischen Anwendung im Alltagsbetrieb gewonnen werden.

Da Fluoride sehr reaktionsfreudig sind, reagieren sie auch 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 Edelgase müssen durch Helium ständig aus dem Salz herausgespült werden.

Der Aufbau des LFTR-Kraftwerks

Aus Thorium läßt sich sehr gut Uran-233 mit thermischen Neutronen erbrüten. Für die Spaltung sind thermische Neutronen ohnehin besser geeignet. Da selbst das enthaltene Beryllium nicht zur entsprechenden Abbremsung ausreicht, ist Kohlenstoff als Moderator vorgesehen. Damit kommt man zu der bekannten Struktur aus Graphitblöcken, die von Kanälen für die Salze und Einbauten durchzogen sind. Ein Bauprinzip, das schon bei den englischen Gasreaktoren und den russischen Reaktoren vom „Typ Tschernobyl“ nicht unbedingt überzeugt hat. Das Graphit wird von der Salzschmelze lediglich benetzt. Nach kurzer Zeit werden die Poren des Graphits vom Salz so verstopft, daß keine Spaltprodukte in das Graphit einziehen. Graphit verändert jedoch durch den Neutronenbeschuß seine Geometrie. Infolge der jahrzehntelangen Erfahrungen mit gasgekühlten Reaktoren in GB kann man dieses Phänomen inzwischen gut vorausberechnen und beherrschen.

Wegen der bereits beschriebenen Reaktionskette: Thorium über Protactinium zu Uran-233, hält man Brutstoff (sog. blanket salt) und Brennstoff (sog. fuel salt) fein säuberlich in zwei Flüssigkeitskreisläufen getrennt. Man will aus dem Thorium möglichst reines Uran-233 erbrüten. Insofern macht es keinen Sinn, das Protactinium oder das Uran-233 weiterem Neutronenbeschuß auszusetzen. Der Brutkreislauf soll keine Wärme produzieren, die Spaltung soll erst im Brennstoffkreislauf stattfinden. Gleichwohl setzt der Zerfall des Th-233 (geringe Halbwertszeit von 22 Minuten) beträchtliche Energie frei und es läßt sich nicht chemisch abtrennen. Der Brutkreislauf muß deshalb über eine geeignete Notkühlung verfügen.

Wegen der Trennung zwischen Brut- und Spaltkreislauf ergibt sich eine recht komplexe Reaktivitätssteuerung. Man kann die Reaktivität erhöhen, indem man die Urankonzentration im Spaltkreislauf erhöht. Dies kann zwar nur langsam, aber kontinuierlich geschehen. Der Brutkreislauf „verschluckt“ laufend Neutronen, wodurch er wie ein großer Regelstab wirkt. Deshalb ist bei diesem Reaktorkonzept der Verlust der Salzschmelze im Brutbereich, ein wichtiger Auslegungsstörfall. Zur Feinregulierung und Schnellabschaltung sind zusätzliche Regelstäbe notwendig. Diese sollen auf den Salzschmelzen schwimmen, sodaß sie bei einem Leck automatisch in den Reaktor einsinken. Weiterhin sind auch mit Gas gefüllte Kanäle zur Regelung vorgesehen. Über den Gasdruck kann damit das Salzvolumen und damit die Reaktivität gesteuert werden.

Der gesamte Kern, mit all seinen Einbauten befindet sich in einem Tank aus Hastelloy N. Einer Legierung die zu 94% aus Nickel, Chrom und Molybdän besteht. Diese Legierung wurde an den Oak Ridge National Laboratories für den Einsatz bei Fluorsalzen entwickelt. Dies dürfte der Werkstoff der Wahl für solche Reaktoren sein, da heiße Fluorsalze sehr korrosiv wirken können.

Die Salzschmelze wird permanent durch den Reaktor und einen Wärmeübertrager gepumpt. Im Kern werden die Neutronen im Graphit abgebremst. Nur hier, in diesem Bereich, kann eine selbsterhaltende Kettenreaktion stattfinden. Durch die Kernspaltungen erwärmt sich das Salz entsprechend. Diese Wärme wird in dem Wärmeübertrager an das Salz des Sekundärkreislaufes übertragen. Der Primärkreislauf ist durch einen gefrorenen Pfropfen in der Leitung zu dem Sicherheits-Lagertank getrennt. Dieser Pfropfen wird im Betrieb ständig gekühlt. Tritt eine Überhitzung im Reaktor ein, schmilzt er und gibt dadurch den Weg in den Tank frei. Im Tank bricht die Kettenreaktion sofort zusammen. Hier entsteht nur noch die Nachzerfallswärme, die wegen der permanenten Aufbereitung viel geringer als in herkömmlichen Leichtwasserreaktoren ist. Sie kann leicht über (z. B.) die Oberfläche des Tanks an die Umgebung abgegeben werden. Umgekehrt muß eine Heizung vorhanden sein, die das Salz aufschmelzen kann.

Das Arbeitsmedium

Zwischen dem Primärkreislauf des Reaktors und dem Arbeitsmedium befindet sich ein Sekundärkreislauf aus Salzschmelze. Dieser hat zwei entscheidende Sicherheitsfunktionen:

  • Das Arbeitsmedium CO2 steht unter einem Druck von etwa 200 bar. Bei einer Leckage im Wärmeübertrager steigt der Druck zwar im Sekundärkreislauf stark an, aber nicht im Reaktor. Er ist durch Sicherheitseinrichtungen abgesichert. Das austretende Salz ist kaum radioaktiv.
  • Die Wärmeübertragung zwischen zwei Salzströmen ist sehr gut. Der reaktorseitige Wärmeübertrager kann damit klein ausfallen und damit auch das Volumen an Spaltstoff und Spaltprodukten im Reaktor.

Bisher hat man bei allen Kernkraftwerken (und konventionellen Kraftwerken) einen Dampfkreislauf mit Dampfturbine und Kondensator zur Umwandlung von Wärme in mechanische Energie verwendet. Beim LFTR ist das anders: Hier will man einen geschlossenen Gasturbinenkreislauf (Turbineneintritt: 550 °C, 198 bar; Turbinenaustritt: 440 °C, 79 bar) mit überkritischem CO2 verwenden. Die Turbine treibt neben dem Generator zur Stromerzeugung zwei Verdichter zur Druckerzeugung an. Das Abgas der Turbine wird benutzt um den Gasstrom vor dem Eintritt in den Salz/Gas-Wärmeübertrager vorzuwärmen. Durch diese sog. „regenerative Vorwärmung“ verbessert sich der Wirkungsgrad ganz erheblich. Der Wirkungsgrad des LFTR soll auch bei trockener Luftkühlung über 40% betragen. Ein Vorteil für trockene Landstriche.

Als Hauptgrund für die Abkehr von Wasser als Arbeitsmedium, wird die relativ hohe Produktion von Tritium bei diesem Reaktorkonzept genannt. Reagiert es mit Sauerstoff, ergibt sich „radioaktives Wasser“, welches sich praktisch immer mehr im Wasserkreislauf (Halbwertszeit 12,3 Jahre) anreichern würde. Hingegen ist es relativ einfach, dieses Wasser aus dem CO2. zu entfernen.

Die Chemiefabrik im Kraftwerk

Der LFTR ist ein Brutreaktor mit integrierter Aufbereitung. Es ist nicht einfach ein Kernkraftwerk, das mit Thorium betrieben wird. Das Konzept des flüssigen Brennstoffs (Salzschmelze) erfordert eine kontinuierliche Entfernung der Spaltprodukte und eine kontinuierliche Zuführung von frischem Brutmaterial (Thorium) und Spaltstoff (erbrütetes Uran-233).

Aus dem Brutkreislauf wird kontinuierlich das Protactinium und das Uran-233 abgeschieden. Zu diesem Zweck wird flüssiges Wismut, in dem metallisches Thorium und Lithium gelöst sind, mit einem Teilstrom des Brutmaterials vermischt. Chemisch betrachtet (reductive extraction), „tauschen“ Thorium und Lithium mit dem Protactinium und Uran die Plätze. Das nun gereinigte Salz, wird mit Thorium und Lithium ergänzt dem Reaktor wieder zugeführt.

Das Wismut wir in einem weiteren Schritt wieder „gereinigt“, in dem alle in ihm gelösten Metalle elektrolytisch oxidiert werden. Sie werden einem Lagertank zugeführt, in dem weiterhin Protactinium (Halbwertszeit 27 Tage) zu Uran zerfallen kann. Das so gereinigte Wismut wird in einer weiteren Zelle elektrolytisch reduziert und der Waschkolonne für das Brutmaterial erneut zugeführt.

Der Strom aus dem Lagertank, wird in einem weiteren Verfahrensschritt mit gasförmigem Fluor in Kontakt gebracht. Hierdurch bildet sich gasförmiges Uranhexafluorid, das so leicht abgezogen werden kann. Die Restflüssigkeit wird an geeigneter Stelle dem vorher beschriebenen Kreislauf wieder zugeführt.

Das Uranhexafluorid wir in einem weiteren Verfahrensschritt mit Wasserstoff reduziert, damit es anschließend dem Brennstoffkreislauf des Reaktors zugeführt werden kann.

Ähnlich muß auch das Brennstoffsalz behandelt werden. Ein Teilstrom wird abgezogen und einem Tank zugeführt, in dem die besonders kurzlebigen Spaltprodukte schon mal vorab zerfallen können. Dies senkt die radioaktive Strahlung in der „Chemiefabrik“ ganz beträchtlich. Anschließend wird mit gasförmigem Fluor Uranhexafluorid gebildet, welches relativ einfach abgeschieden werden kann. Es wird mit dem vorher beschriebenem Strom aus der Aufbereitung des Brutmaterials zusammengeführt.

Das so behandelte Brennstoffsalz wird mit in Wismut gelöstem Lithium reduziert und so von den Spaltprodukten befreit. Die Spaltprodukte haben die Plätze des Lithium in der Metallschmelze eingenommen und das Lithium ist in der Form von Lithiumfluorid an das Brennstoffsalz übergegangen. Die Spaltprodukte müssen wieder aus dem Wismut abgeschieden werden und in eine sicher lagerfähige Form überführt werden.

Die chemischen Prozesse sind hier nur sehr grob beschrieben worden. Sie sind recht komplex und bedürfen noch einer umfangreichen Entwicklungsarbeit bis sie großtechnisch und im Alltagsbetrieb zuverlässig anwendbar sind. Sie sind keinesfalls einfacher als das Purex-Verfahren – nur eben ganz neu. Unter den speziellen Randbedingungen der Kerntechnik, wird man realistisch von Jahrzehnten ausgehen müssen.

Die Abgasstrecke

Bei der Kernspaltung entstehen zahlreiche Gase und Edelgase. Bisher ging man davon aus, diese möglichst lange und sicher in den Brennstäben einzuschließen. Sie sollten erst nach vielen Jahren in der Wiederaufbereitungsanlage kontrolliert austreten. Bei einer Salzschmelze ist dies gar nicht möglich. Die Edelgase gehen auch keine chemische Verbindung ein, sondern verlassen an irgendeiner ungewünschten Stelle das Salz.

Es ist daher geplant, einen Teilstrom der Salzschmelze mit Helium zu durchspülen. Die radioaktiven Gase gehen dabei in das Helium über. Dieser Abgasstrom soll in einer Absorptionsstrecke (gekühlte Aktivkohle) 47 Stunden gehalten werden, bevor er erneut zur Spülung eingesetzt wird. Ein Teilstrom wird für 90 Tage gelagert, damit das radioaktive Xenon und Krypton – mit Ausnahme von Kr-85 mit einer Halbwertszeit von 10,7 Jahren – zerfallen kann. Anschließend wird das Gas durch Abkühlung verflüssigt und in Xenon (Handelsprodukt), Krypton (zur weiteren Lagerung) und Helium (zur Wiederverwendung) getrennt.

Schlusswort

Die „Molten-Salt“-Reaktoren stellen ein weiteres vielversprechendes Reaktorkonzept dar. Ihre Vorteile liegen in der hohen Betriebstemperatur bei geringem Druck und der eleganten Erschließung einer weiteren Energiequelle, in der Form von Thorium. Allerdings sind beide Punkte keine „Killerapplikation“: Hohe Temperaturen werden nur in der industriellen Anwendung benötigt. Zur Stromproduktion – und das ist bis auf weiteres die Domäne der Kerntechnik – sind sie nicht zwingend erforderlich. Thorium läßt sich auch in anderen, bereits erprobten Reaktoren (THTR, Candu) nutzen.

Unter den politischen Bedingungen der Kerntechnik, dürfte die Entwicklung bis zur Serienreife, noch mehrere Jahrzehnte dauern. Es ist fraglich, ob sich ein Energieversorger finden dürfte, der das damit verbundene Risiko auf sich nehmen wollte. Auch die „Chemiefabrik“ in der eigenen Regie, dürfte eher abstoßend wirken. Gleichwohl, wird die Entwicklung in USA und China im Moment eher beschleunigt vorangetrieben.

Peaceful Nuclear Explosives (PNE)

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

Fusion

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

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

Kernspaltung

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

Hybride

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

Kernexplosion

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

Der Kernexplosions-Reaktor

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

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

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

Die Salzschmelze

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

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

Sicherheit

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

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

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

Proliferation

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

Nachwort

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

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

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

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