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.

Reaktortypen in Europa – Teil1, Einleitung

In Europa werden bereits einige Kernkraftwerke neu errichtet bzw. stehen kurz vor einer Auftragsvergabe. Es scheint daher angebracht, sich ein bischen näher mit den unterschiedlichen Typen zu befassen und deren (technische) Unterschiede zu erläutern.

Warum überwiegend Leichtwasserreaktoren?

Es dreht sich um größere Kraftwerke. Oberhalb von etlichen hundert Megawatt ist für Wärmekraftwerke nur ein Dampfkreislauf möglich – egal, ob mit Kohle, Gas oder Kernspaltung als Wärmequelle. Dieselmotoren (bis max. 70 MW) oder Gasturbinen (bis max. 350 MW) sind für solche Blockgrößen ungeeignet. Selbst bei gasgekühlten oder mit Flüssigmetallen gekühlten Reaktoren, besteht der eigentliche Arbeitsprozess aus einem Wasserdampfkreisprozeß: Wasser wird unter hohem Druck verdampft und treibt anschließend eine Turbine mit Generator an. Wenn man also ohnehin Dampf braucht, warum nicht gleich damit im Reaktor anfangen?

Es muß allerdings eine Voraussetzung erfüllt sein: Man muß über Uran mit einem Anteil von etwa 2 bis 5% Uran-235 bzw. Plutonium (MOX) verfügen. Beides kommt in der Natur nicht vor. Will man Natururan verwenden, ist man auf schweres Wasser (Deuterium) oder Kohlenstoff (Reaktorgraphit) angewiesen, um überhaupt eine selbsterhaltende Kettenreaktion zu erhalten. Will man andererseits die schwereren Urankerne bzw. Minoren Aktinoide direkt spalten, darf man die bei der Spaltung freigesetzten Neutronen möglichst gar nicht abbremsen und muß deshalb zu Helium oder flüssigen Metallen als Kühlmittel übergehen. Noch ist dieser Schritt nicht nötig, da es genug billiges Natururan gibt und andererseits (noch nicht) die Notwendigkeit zur Beseitigung der langlebigen Bestandteile des sog. „Atommülls“ besteht. Das zweite ist ohnehin eine rein politische Frage. Die sog. Leichtwasserreaktoren werden deshalb auch in den kommenden Jahrhunderten der bestimmende Reaktortyp bleiben.

Die Temperaturfrage

Je höher die Betriebstemperaturen sind, um so höher die Kosten und Probleme. Dieser Grundsatz gilt ganz allgemein. Bis man auf Kernenergie in der chemischen Industrie z. B. zur „Wasserstoffgewinnung“ angewiesen sein wird, wird noch eine sehr lange Zeit vergehen. Solche Anwendungen lassen sich einfacher und kostengünstiger mit fossilen Brennstoffen realisieren. Abgesehen davon, daß die Vorräte an Kohle, Gas und Öl noch für Jahrhunderte reichen werden, kann man beträchtliche Mengen davon frei setzen, wenn man bei der Stromerzeugung auf Kernenergie übergeht. Diesen Weg hat China bereits angefangen.

Ein oft gehörtes Argument ist der angeblich geringe Wirkungsgrad von Leichtwasserreaktoren. Richtig ist, daß der thermodynamische Wirkungsgrad um so besser ist, je höher die Betriebstemperatur ist. Er liegt bei den heute modernsten Steinkohlekraftwerken bei etwa 46% und bei Braunkohlekraftwerken bei 43%. Demgegenüber erscheint der Wirkungsgrad eines modernen Druckwasserreaktors mit 37% als gering. Es gibt jedoch zwei wichtige Aspekte zu berücksichtigen:

  • Die hohen Wirkungsgrade der Kohlekraftwerke erfordern solche Drücke und Temperaturen, daß die (derzeitigen) technologischen Grenzen erreicht, wenn nicht sogar überschritten sind. Der noch vor wenigen Jahren propagierte Wirkungsgrad von 50% ist in weite Ferne gerückt. Die Werkstoff- und Fertigungsprobleme – und damit die Kosten – nehmen mit jedem weiteren Grad überproportional zu. Kombiprozesse (z. B. Gasturbine mit Abhitzekessel) erfordern hochwertige Brennstoffe, wie Erdgas oder Mineralöle. Will man solche erst aus Kohle gewinnen (Kohlevergasung), sackt der Gesamtwirkungsgrad wieder auf die alten Werte ab.
  • Der thermodynamische Wirkungsgrad ist ohnehin nur für Ingenieure interessant. Entscheidend sind im wirklichen Leben nur die Herstellungskosten des Produktes. Hier gilt es verschiedene Kraftwerke bezüglich ihrer Bau- und Betriebskosten zu vergleichen. Es lohnt sich nur eine Verringerung des Brennstoffverbrauches, wenn die dadurch eingesparten Kosten höher als die hierfür nötigen Investitionen sind. Bei den geringen Uranpreisen ein müßiges Unterfangen. Gleiches gilt für die ohnehin geringen Mengen an Spaltprodukten („Atommüll“) als Abfall, der langfristig (nicht Millionen Jahre!) gelagert werden muß.

Der Betriebsstoff Wasser

Wasser erfüllt in einem Kernkraftwerk drei Aufgaben gleichzeitig: Moderator, Kühlmittel und Arbeitsmedium. Es bremst die bei der Kernspaltung frei werdenden Neutronen auf die erforderliche Geschwindigkeit ab, führt in nahezu idealer Weise die entstehende Wärme ab und leistet als Dampf in der Turbine die Arbeit. Vergleicht man die Abmessungen gasgekühlter Reaktoren mit Leichtwasserreaktoren, erkennt man sofort die überragenden Eigenschaften von Wasser. Es ist kein Zufall, daß heute z. B. alle Reaktoren in Atom-U-Booten ausnahmslos Druckwasserreaktoren sind. Je kompakter ein Reaktor ist, um so kleiner ist das notwendige Bauvolumen. Je kleiner ein Gebäude sein muß, desto geringer können die Baukosten sein.

Der Reaktorkern

Der Kern (Core) ist der eigentliche nukleare Bereich in einem Kernkraftwerk, in dem die Kernspaltung statt findet. Er sollte möglichst kompakt sein. Er besteht aus hunderten von Brennelementen, die wiederum aus jeweils hunderten von Brennstäben zusammengesetzt sind. Ein Brennstab ist ein mit Uranoxid gefülltes, bis zu fünf Meter langes, dabei aber nur etwa einen Zentimeter dickes Rohr. Ein solcher Spagetti besitzt natürlich kaum mechanische Stabilität (z. B. bei einem Erdbeben) und wird deshalb durch diverse Stützelemente zu einem Brennelement zusammengebaut. Erst das Brennelement ist durch die genaue Dimensionierung und Anordnung von Brennstäben und wassergefüllten Zwischenräumen das eigentliche Bauelement zur Kernspaltung. Die einzuhaltenden Fertigungstoleranzen stehen bei einem solchen Brennelement einer mechanischen „Schweizer Uhr“ in nichts nach.

Der Brennstab ist das zentrale Sicherheitselement – gern auch als erste von drei Barrieren bezeichnet – eines Kernreaktors. Der Brennstoff (angereichertes Uran oder Mischoxid) liegt in einer keramischen Form als Uranoxid vor. Dies ist eine chemisch und mechanisch äußerst stabile Form. Der Brennstab soll alle „gefährlichen“ Stoffe von der ersten bis zur letzten Stunde seiner Existenz möglichst vollständig zurückhalten. Er ist chemisch so stabil, daß er in der Wiederaufarbeitungsanlage nur in heißer Salpetersäure aufzulösen ist. Grundsätzlich gilt: Je besser er die Spaltprodukte und den Brennstoff zurückhält, um so geringer ist bei einem Störfall die Freisetzung. Wohl gemerkt, Freisetzung innerhalb des Druckgefäßes, noch lange nicht in die Umwelt! Deshalb bezeichnet man den Brennstab auch als erste Barriere, die Schadstoffe auf ihrem langen Weg in die Umwelt überwinden müßten.

In dem Brennstab findet die eigentliche Kernspaltung statt. Fast die gesamte Energie wird genau an diesem Ort frei. Die bei der Spaltung frei werdenden Neutronen müssen nun (fast) alle aus dem Brennstab raus, rein in den genau definierten Wasserspalt zwischen den Brennstäben um dort abgebremst zu werden und wieder zurück in einen Brennstab, um dort die nächste Spaltung auszulösen. Es geht für die Neutronen (fast) immer mehrere Male durch die Brennstabhülle. Sie darf deshalb möglichst keine Neutronen wegfangen. Zirkalloy hat sich zu diesem Zweck als idealer Werkstoff für die Hüllrohre erwiesen. Diese Rohre haben jedoch bei einem schweren Störfall (TMI und Fukushima) eine fatale Eigenschaft: Sie bilden bei sehr hohen Temperaturen im Kontakt mit Wasserdampf Wasserstoffgas, der zu schweren Explosionen führen kann. Wohl jedem, sind die Explosionen der Kraftwerke in Fukushima noch in Erinnerung.

Bei einem Reaktorkern hat die Geometrie entscheidende Auswirkungen auf die Kernspaltung. Bei einer Spaltung im Zentrum des Kerns haben die frei werdenden Neutronen einen sehr langen Weg im Kern und damit eine hohe Wahrscheinlichkeit, eine weitere Spaltung auszulösen. Neutronen, die am Rand entstehen, haben demgegenüber eine hohe Wahrscheinlichkeit einfach aus dem Kern heraus zu fliegen, ohne überhaupt auf einen weiteren spaltbaren Kern zu treffen. Sie sind nicht nur für den Reaktor verloren, sondern können auch schädlich sein (z. B. Versprödung des Reaktordruckgefäßes oder zusätzlicher Strahlenschutz). Es gibt hierfür zahlreiche Strategien, dem entgegen zu wirken: Unterschiedliche Anreicherung, Umsetzung im Reaktor, abbrennbare Neutronengifte, Reflektoren etc. Verschiedene Hersteller bevorzugen unterschiedliche Strategien.

Brennstäbe

Die Brennstäbe müssen einige sich widersprechende Anforderungen erfüllen:

  • Je dünnwandiger die Hüllrohre sind, desto weniger Neutronen können dort eingefangen werden und je kleiner muß die treibende Temperaturdifferenz innen zu außen sein, damit die enormen Wärmemengen an das Kühlwasser übertragen werden können. Je dünner aber, je geringer die Festigkeit und die Dickenreserve gegen Korrosion.
  • Der Brennstoff selbst soll möglichst stabil sein. Uranoxid erfüllt diesen Anspruch, hat aber eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit. Die Brennstäbe müssen deshalb sehr dünn sein, was nachteilig für ihre mechanische Stabilität ist. Es kann bei Leistungssprüngen sehr schnell zum Aufschmelzen im Innern des Brennstoffes kommen, obwohl es am Rand noch recht kalt ist. Dadurch kommt es zu entsprechenden Verformungen und Ausgasungen, die sicher beherrscht werden müssen.
  • Das umgebende Wasser ist nicht nur Moderator, sondern auch Kühlung für den Brennstab. Eine ausreichende Kühlung ist nur durch eine Verdampfung auf der Oberfläche möglich. Kernreaktoren sind die „Maschinen“ mit der höchsten Leistungsdichte pro Volumen überhaupt. Das macht sie so schön klein, verringert aber auch die Sicherheitsreserve bei einem Störfall. Fallen sie auch nur einen Augenblick trocken, reicht selbst bei einer Schnellabschaltung die Nachzerfallswärme aus, um sie zum Glühen oder gar Schmelzen zu bringen. In dieser Hitze führt die Reaktion der Brennstoffhülle mit dem vorhandenen Dampf zur sofortigen Zersetzung unter Wasserstoffbildung. Beides geschah in den Reaktoren von Harrisburg und Fukushima.
  • Der Zwischenraum mit seiner Wasserfüllung als Moderator erfüllt eine wichtige Selbstregelfunktion. Damit überhaupt ausreichend Kerne gespalten werden können, müssen die Neutronen im Mittel die „richtige“ Geschwindigkeit haben. Diese wird durch den Zusammenstoß mit einem Wasserstoffatom erreicht. Damit dies geschehen kann, müssen sie eine gewisse Anzahl von Wassermolekülen auf ihrem Weg passiert haben. Da die Spalte geometrisch festgeschrieben sind, hängt die Anzahl wesentlich von der Dichte ab. Mit anderen Worten: Vom Verhältnis zwischen Dampf und Wasser im Kanal. Macht die Leistung einen Sprung, verdampft mehr Wasser und die Dichte nimmt ab. Dadurch werden weniger Neutronen abgebremst und die Anzahl der Spaltungen – die der momentanen Leistung entspricht – nimmt wieder ab.
  • Der Brennstoff wird bei Leichtwasserreaktoren nur in der Form kompletter Brennelemente gewechselt. Da aber kontinuierlich Spaltstoff verbraucht wird, muß am Anfang eine sog. Überschußreaktivität vorhanden sein. Wenn am Ende des Ladezyklus noch so viel Spaltstoff vorhanden ist, daß eine selbsterhaltende Kettenreaktion möglich ist, muß am Anfang zu viel davon vorhanden gewesen sein. Dieses zu viel an Spaltstoff, muß über sog. Neutronengifte kompensiert werden. Das sind Stoffe, die besonders gierig Neutronen einfangen und sie somit einer weiteren Spaltung entziehen. Je nach Reaktortyp kann das durch Zusätze im Brennstoff oder Kühlwasser geschehen.
  • Die Leistungsregelung eines Reaktors geschieht hingegen über Regelstäbe, die in Leerrohre in den Brennelementen eingefahren werden können. Die Regelstäbe bestehen ebenfalls aus Materialien, die sehr stark Neutronen einfangen. Fährt man sie tiefer ein, fangen sie mehr Neutronen weg und die Anzahl der Spaltungen und damit die Leistung, wird geringer. Zieht man sie heraus, können mehr Neutronen ungestört passieren und die Leistung steigt. Bei einer Schnellabschaltung werden sie alle – möglichst schnell – voll eingefahren.

Die eigentliche Stromerzeugung

In einem Kernkraftwerk wird – wie in jedem anderen Kraftwerk auch – die elektrische Energie durch einen Generator erzeugt. Dieser Generator wird in einem Kernkraftwerk durch eine sogenannte Nassdampfturbine angetrieben. Das ist ein wesentlicher Unterschied zu einem fossil befeuerten Kraftwerk. Bei denen wird möglichst heißer Dampf (bis 580 °C) auf die Turbine geschickt. Dieser wird nach einer gewissen Arbeitsleistung sogar wieder entnommen und noch einmal im Kessel neu erhitzt (z. B. Zwischenüberhitzung bei 620 °C). Prinzipiell erhöhen diese Maßnahmen den Wirkungsgrad und machen vor allem die Turbine kleiner und preiswerter.

Das Hauptproblem einer Nassdampfmaschine sind die großen Dampfvolumina und der Wassergehalt des Dampfes. Turbinen von Leichtwasserreaktoren haben üblicherweise einen Hochdruck und drei doppelflutige Niederdruckstufen auf einer gemeinsamen Welle. Trotzdem sind die Endstufen damit über 2 m lang und drehen sich mit Überschallgeschwindigkeit. Dadurch wirken auf jedes Blatt Fliehkräfte von über 500 to. In den Kondensatoren herrscht Hochvakuum, wodurch der Dampf mit der zugehörigen Schallgeschwindigkeit strömt. Die sich bereits gebildeten Wassertröpfchen wirken wie ein Sandstrahlgebläse auf die Turbinenschaufeln. Grundsätzlich gilt, je „kälter“ man mit dem Dampf in die Turbinenstufe rein geht, desto höher wird der Wasseranteil bei vorgegebenem Enddruck.

Die Entwässerung ist bei einer Nassdampfmaschine sehr aufwendig und damit teuer. Man versucht möglichst viel Wasser aus den Leitstufen abzusaugen und verwendet auch noch zusätzliche Tröpfchenabscheider außerhalb der Turbine. Vor den Niederdruckstufen überhitzt man den Dampf noch durch Frischdampf. All diese Maßnahmen verursachen aber Druckverluste und kosten nutzbares Gefälle.

Instrumentierung

Es ist von entscheidender Bedeutung, daß das Bedienungspersonal in jedem Augenblick einen möglichst genauen und detaillierten Überblick über die Zustände im Kraftwerk hat. Nur bei genauer Kenntnis der tatsächlichen Lage, können die richtigen Schlüsse gezogen werden und wirksame Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Dies ist die leidige Erfahrung aus allen Störfällen. Der Meßtechnik kommt deshalb große Bedeutung zu. Sie muß in ausreichender Auflösung (Stückzahl) vorhanden sein und zuverlässige Informationen in allen Betriebszuständen liefern.

In diesem Sinne spielen die Begriffe „Redundanz“ und „Diversität“ eine zentrale Rolle:

  • Alle wichtigen Betriebsgrößen werden mehrfach gemessen. Dies gibt Sicherheit gegen Ausfälle. Zusätzlich kann man bei einer mehrfachen – üblicherweise 4-fachen – Messung, Vertrauen zu den Meßwerten herstellen. Bei sicherheitsrelevanten Meßwerten (z. B Druck und Temperatur im Reaktordruckgefäß), die über eine Schnellabschaltung entscheiden, gilt das 3 von 4 Prinzip: Jede Größe wird gleichzeitig 4-fach gemessen. Anschließend werden die Meßwerte verglichen und es werden nur die drei ähnlichsten als Grundlage weiterer Auswertungen verwendet. Man erkennt damit augenblicklich, welche Meßstelle gestört ist und an Hand der Abweichungen untereinander, wie glaubwürdig die Messung ist.
  • Jedes Meßverfahren liefert nur in bestimmten Bereichen Ergebnisse mit hinreichender Genauigkeit. Dies ist eine besondere Herausforderung in einer Umgebung, die sich ständig verändert. So sind z. B. bestimmte Meßverfahren für den Neutronenfluß stark temperaturabhängig. Es ist deshalb üblich, unterschiedliche physikalische Methoden gleichzeitig für dieselbe Messgröße anzuwenden. Damit sind einfache Plausibilitätskontrollen möglich. Dies ist besonders bei Störfällen wichtig, bei denen die üblichen Bereiche schnell verlassen werden.

Digitalisierung und Sicherheit

Es gibt bei einem Kernkraftwerk alle möglichen Grenzwerte, die nicht überschritten werden dürfen. Wird ein solcher Grenzwert erreicht, wird vollautomatisch eine Schnellabschaltung ausgelöst. Jede Schnellabschaltung ergibt nicht nur einen Umsatzausfall, sondern ist auch eine außergewöhnliche Belastung mit erhöhtem Verschleiß. Das Problem ist nur, daß die Vorgänge in einem solch komplexen System extrem nichtlinear sind. Gemeint ist damit, daß „ein bischen Drehen“ an einer Stellschraube, einen nicht erwarteten Ausschlag an anderer Stelle hervorrufen kann.

Die moderne Rechentechnik kann hier helfen. Wenn man entsprechend genaue mathematische Modelle des gesamten Kraftwerks besitzt und entsprechend leistungsfähige Rechner, kann man jede Veränderung in ihren Auswirkungen voraussagen und damit anpassen bzw. gegensteuern. Nun haben aber auch Computerprogramme Fehler und sind schwer durchschaubar. Es tobt deshalb immer noch ein Glaubenskrieg zwischen „analog“ und „digital“. Dies betrifft insbesondere die geforderte Unabhängigkeit zwischen der Regelung und dem Sicherheitssystem.

Seit Anbeginn der Reaktortechnik ist die Aufmerksamkeit und Übung des Betriebspersonals ein dauerhaftes Diskussionsthema. Insbesondere im Grundlastbetrieb ist die Leitwarte eines Kernkraftwerks der langweiligste Ort der Welt: Alle Zeiger stehen still. Passiert etwas, verwandelt sich dieser Ort augenblicklich in einen Hexenkessel. Die Frage ist, wie schnell können die Menschen geistig und emotional Folgen? Wie kann man sie trainieren und „aufmerksam halten“? Die allgemeine Antwort lautet heute: Ständiges Üben aller möglichen Betriebszustände und Störfälle im hauseigenen Simulator. Das Schichtpersonal eines Kernkraftwerks verbringt heute wesentlich mehr Stunden im Simulator, als jeder Verkehrspilot. Die zweite „Hilfestellung“ ist im Ernstfall erst einmal Zeit zu geben, in der sich das Personal sammeln kann und sich einen Überblick über die Lage verschafft. Dies sind die Erfahrungen aus den Unglücken in Harrisburg und Tschernobyl. Dort haben Fehlentscheidungen in den ersten Minuten die Lage erst verschlimmert. Eine ganz ähnliche Fragestellung, wie bei Flugzeugen: Wer hat das sagen, der Pilot oder die Automatik? Eine Frage, die nicht eindeutig beantwortet werden kann, sondern immer zu Kompromissen führen muß.

Ausblick

Wer bis hier durchgehalten hat, hat nicht vergebens gelesen. Ganz im Gegenteil. In den folgenden Beiträgen werden die Reaktoren jeweils einzeln vorgestellt. Um die Unterschiede klarer zu machen, wurden hier vorab einige grundlegende Eigenschaften behandelt. Zuerst werden die Druckwasserreaktoren EPR von Areva und AP-1000 von Westinghouse behandelt und dann die Siedewasserreaktoren ABWR und der ESBWR von GE-Hitachi. Das entspricht in etwa dem derzeitigen Ausbauprogramm in Großbritannien. Soweit Zeit und Lust des Verfassers reichen, werden noch die russischen (Türkei, Finnland, Ungarn) und die chinesisch/kanadischen Schwerwasserreaktoren (Rumänien) folgen.

Halbzeit bei GenIV

Nach zehn Jahren der internationalen Zusammenarbeit bei der Entwicklung von Reaktoren der sogenannten „vierten Generation“ erschien eine Überarbeitung der Ursprünglichen Fahrplanes aus dem Jahre 2002 erforderlich.  In der letzten Dekade ist viel geschehen: Dies betrifft die Zusammensetzung und Forschungsintensität der Mitglieder, die bereits gewonnenen Erkenntnisse und nicht zuletzt die Veränderung der äußeren Randbedingungen (Shale Gas Boom, Fukushima, etc.).

Es ist bei den ursprünglich ausgewählten sechs Konzepten geblieben. Neue sind nicht hinzugekommen. Mehrere teilnehmende Länder haben bedeutende Mittel in die Entwicklung natriumgekühlter Reaktoren mit einem schnellen Neutronenspektrum (sodium-cooled fast reactor, SFR) und gasgekühlten Reaktoren mit möglichst hoher Betriebstemperatur (very-high-temperature reactor, VHTR) investiert.

Die restlichen vier Konzepte: Mit Wasser im überkritischen Zustand gekühlte Reaktoren (SCWR), bleigekühlte Reaktoren mit schnellem Neutronenspektrum (LFR), gasgekühlte Reaktoren mit schnellem Neutronenspektrum (GFR) und mit Salzschmelzen gekühlte Reaktoren wurden – mehr oder weniger – auf Sparflamme entwickelt.

Ziele

Weiterhin gelten als zentrale Anforderungen an die sogenannte vierte Generation folgende vier Bereiche:

  • Nachhaltigkeit
  • Sicherheit und Verfügbarkeit
  • Wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit
  • nicht zur Produktion von Waffen geeignete Technologien und ein physikalischer Schutz gegen jedwede Einwirkungen von Außen (Naturkatastrophen, Terrorismus etc.).

Interessant ist in diesem Zusammenhang die Definition der vier Generationen: Die ersten Reaktoren der Baujahre 1950–1960 (z. B. Shippingport, Dresden, MAGNOX usw.) werden als Demonstrationskraftwerke verstanden und sind bereits stillgelegt. Die zweite Generation umfaßt die Baujahre 1970–1990 und stellt die überwiegend heute im Betrieb befindlichen Leichtwasser- und Schwerwasserreaktoren dar. Die dritte Generation wird als die Leichtwasserreaktoren der Baujahre 1990–2000 definiert, wobei die Reaktoren nach dem Jahr 2000 als Generation III+ bezeichnet werden. Sie stellen eine evolutionäre Weiterentwicklung der Druck- und Siedewassertechnologie dar. Die Vielzahl unterschiedlichster Reaktortypen der Anfangsjahre hat sich also auf lediglich zwei Bauarten verengt. Die Weiterentwicklungen der schwerwassermoderierten, der gasgekühlten und der metallgekühlten Reaktoren ist – zumindest, was die Stückzahlen anbetrifft – auf das Niveau von Demonstrationsanlagen zurückgefallen. Erst ab dem Jahr 2030 wird von der Einführung einer vierten Generation ausgegangen.

Als die zentralen Ziele für die vierte Generation wird dabei die Verringerung der Gesamtkosten über den Lebenszyklus eines Kraftwerks, eine nochmals verbesserte Sicherheit, ein möglichst großer Schutz vor missbräuchlicher Nutzung (Waffen, Terrorismus) und eine erhebliche Verringerung des (Atom)mülls gesehen.

Abgebrannte Brennelemente

Nach einer gewissen Zeit ist jedes Brennelement in einem Reaktor nicht mehr nutzbar und muß ausgetauscht werden. Im Sprachgebrauch der „Atomkraftgegner“ ist es dann „Atommüll“ der zudem auch noch für Jahrtausende tödlich sein soll. In Wirklichkeit sind in einem „abgebrannten“ Brennelement eines Leichtwasserreaktors noch über 95% Brennstoff enthalten. Dieser Brennstoff muß und kann recycled werden. Aber selbst die übrig bleibenden Spaltprodukte sind keinesfalls wertlos. Aus wirtschaftlichen Gründen lohnt meist keine sofortige Aufbereitung. Es empfiehlt sich daher, diesen Atommüll (Müll in Bezug auf eine energetische Verwertung) für längere Zeit sicher zu lagern um ein Abklingen der Radioaktivität abzuwarten. Durch eine Nachbehandlung des Abfalls in geeigneten Reaktoren (mit schnellem Neutronenspektrum oder sog. Transmutation) kann diese notwendige Lagerzeit auf wenige hundert Jahre beschränkt werden. Eine „Endlagerung“ ist weder nötig noch sinnvoll. Das übrig bleibende „Erz“ – mit hohem Gehalt wertvollster Materialien – kann anschließend dem normalen Wirtschaftskreislauf zugeführt werden.

Die Aufgabe der nahen und mittleren Zukunft liegt in der Entwicklung und Realisierung solcher Kreisläufe mit möglichst geringen Kosten. Das bisher vorliegende „Henne-Ei-Problem“ beginnt sich gerade von selbst zu lösen: Es gibt inzwischen weltweit große Mengen abgebrannter Brennelemente, die eine Aufbereitung mit unterschiedlichsten Verfahren im industriellen Maßstab möglich machen. Viele dieser Brennelemente sind bereits soweit abgelagert (die Strahlung nimmt in den ersten Jahren besonders stark ab), daß sich ihre Handhabung stark vereinfacht hat.

Ein „Endlager“ – besser ein Lager mit sicherem Einschluß über geologische Zeiträume – ist nur für die Abfälle nötig, deren Aufbereitung zu kostspielig wäre. Dieser Weg wird bereits für Abfälle aus der Kernwaffenproduktion beschritten. Dafür reicht aber maximal ein „Endlager“ pro Kernwaffenstaat aus.

In naher Zukunft wird sich ein weltweiter Austausch ergeben: Es wird unterschiedliche Wiederaufbereitungsanlagen in verschiedenen Ländern geben. Die Kraftwerksbetreiber können diese als Dienstleistung nutzen. Die dabei wiedergewonnen Wertstoffe werden auf speziellen Märkten gehandelt werden. Wer zukünftig beispielsweise einen „Brutreaktor“ bauen möchte, kann sich das für die Erstbeladung notwendige Plutonium auf diesem Markt zusammenkaufen. Wem die Mengen langlebiger Aktinoiden zu groß werden (Lagerkosten) kann diese an Betreiber von schnellen Reaktoren oder Transmutationsanlagen zur „Verbrennung“ abgeben. Es wird sich genau so ein Markt für „nukleare Müllverbrennungsanlagen“ etablieren, wie er heute für Industrie- und Hausmüll selbstverständlich ist.

Ebenso wird es kommerzielle „Endlager“ geben, die gegen (teure) Gebühren Restmengen aufnehmen, die sich anderweitig nicht mehr wirtschaftlich verwenden lassen. Gerade Deutschland ist weltweit führend in Erwerb und Endlagerung von hoch toxischen Abfällen in ehemaligen Salzbergwerken. Hier ist es auch sprachlich gerechtfertigt, von Endlagern zu sprechen, da die dort eingelagerten Stoffe – anders als radioaktive Stoffe – nie verschwinden werden. „Gefährlich“ ist (zumindest in Deutschland) halt nur eine Frage des ideologischen Standpunktes.

Die sechs Systeme

Im Jahre 2002 wurden aus über 100 Vorschlägen sechs Konzepte ausgewählt. Leitgedanke dabei war, aus verschiedenen Reaktortypen symbiotische Systeme zu bilden. Beispielsweise durch die Verknüpfung von Leichtwasserreaktoren mit Reaktoren mit schnellem Neutronenspektrum, sodaß der „Abfall“ des einen Reaktortyps als Brennstoff für den anderen dienen kann. In diesem Sinne, konzentrierte man sich nicht auf die Entwicklung eines einzelnen neuen Reaktors, sondern wählte sechs Konzepte aus, aus denen ein weltweites Netz aufgebaut werden könnte. Jeder einzelne dieser sechs ausgewählten Konzepte hat ganz spezielle Vor- und Nachteile, die es jedem Land ermöglichen sollte, für seinen speziellen Bedarf, das geeignete Modell auswählen zu können. Es geht also eher darum, Möglichkeiten zu eröffnen, als Konzepte fest zu schreiben. Dies ist ein sehr flexibler und (theoretisch) Kosten sparender Ansatz, da jedes Land seine besonderen Stärken (Werkstofftechnik, Fertigungstechnik, Datenverarbeitung etc.) in die gemeinsame Forschung und Entwicklung einbringen kann, ohne sich ein komplettes Entwicklungsprogramm für einen einzelnen Reaktor aufbürden zu müssen. Insbesondere auch kleinen Ländern, mit beschränkten Ressourcen steht es offen, sich zu beteiligen.

Die ursprünglich ausgewählten Konzepte sind alle in den letzten zehn Jahren verfolgt worden und sollen auch weiter entwickelt werden. Allerdings haben sich durch neue Erkenntnisse und einem unterschiedlichen finanziellen Einsatz in den beteiligten Ländern, der ursprünglich geplante Zeitplan etwas verschoben. Die Entwicklung wurde in jeweils drei Phasen unterteilt.

Zeitplan

Für alle sechs Reaktortypen sollten die Machbarkeitsstudien als erste Phase bereits abgeschlossen sein. Bei der Machbarkeitsstudie sollten alle relevanten Probleme geklärt worden sein und insbesondere für kritische Eigenschaften, die später sogar eine Aufgabe erforderlich machen könnten, zumindest Lösungswege aufgezeigt werden. Für Salzbadreaktoren glaubt man diese Phase nicht vor 2025 und für gasgekühlte Reaktoren mit schnellem Neutronenspektrum, nicht vor 2022 abschließen zu können.

In der Durchführungsphase sollten alle Materialeigenschaften, Berechnungsverfahren etc. entwickelt und als Prototypen getestet und optimiert sein. Diese Phase wurde bisher bei keinem Konzept abgeschlossen. Am weitesten vorn im Zeitplan, liegen der mit Natrium gekühlte schnelle Reaktor (erwartet 2022) und der mit Blei gekühlte schnelle Reaktor (erwartet 2021).

Aus heutiger Sicht wird deshalb kein Reaktor die Demonstrationsphase bis zum Jahr 2030 abschließen können. Bevor eine kommerzielle Anlage in Angriff genommen werden kann, muß wenigstens ein Demonstrationskraftwerk (einschließlich dem erforderlichen Genehmigungsverfahren!) errichtet worden sein und einige Jahre Betriebserfahrung gesammelt haben. Selbst in Ländern mit durchweg positiver Einstellung zur Nutzung der Kernenergie und einem gewissen Pioniergeist (ähnlich der 1950er Jahre) dürfte dies ein ehrgeiziges Ziel sein. Zumal kein wirklicher Zeitdruck vorliegt: Es gibt genug Natururan zu günstigen Preisen, die Mengen abgebrannter Brennelemente sind immer noch so gering, daß kein Kostendruck zur Beseitigung von „Atommüll“ existiert und der Bedarf an Prozeßwärme mit hoher Temperatur kann problemlos durch kostengünstiges Erdgas gedeckt werden. Es bleibt die Erzeugung elektrischer Energie: Die kann aber problemlos und kostengünstig (im Vergleich zu Kohlekraftwerken mit Abgaswäsche) durch konventionelle Leichtwasserreaktoren erzeugt werden. China stellt dies eindrucksvoll unter Beweis.

Fukushimas Auswirkungen

Fukushima hat die Bedeutung für eine nach den Regeln der Technik entsprechende Auslegung und Bauweise gezeigt. Die Lehren aus dem Unglück beeinflussen nicht nur die in Betrieb befindlichen Kraftwerke, sondern auch zukünftige der vierten Generation. Schädigende Einflüsse von außen müssen bauartbedingt von den Reaktoren fern gehalten werden (z. B. Baugrund oberhalb von möglichen Flutwellen) und die Nachzerfallswärme muß auch über längere Zeit und in jedem Falle sicher abgeführt werden (z. B. passive Wasserkühlung aus oberen Tanks ausreichender Dimension).

Für die Reaktoren der vierten Generation sind umfangreiche Forschungsarbeiten zur Beantwortung dieser Fragen notwendig. Dies betrifft insbesondere das Verhalten der andersartigen Kühlmittel (Helium, Natrium, Blei etc.) und die teilweise wesentlich höheren Temperaturen (Werkstoffe, Temperaturschocks etc.). Hinzu kommt die höhere Energiedichte in den Kernen und etwaige Brennstoffkreisläufe in unmittelbarer Nähe.

Gasgekühlter schneller Reaktor (GFR)

Bei dem GFR (Gas-cooled Fast Reactor) handelt es sich um einen mit Helium gekühlten Reaktor mit schnellem Neutronenspektrum. Durch schnelle Neutronen lassen sich alle Aktinoiden – also alle radioaktiven Elemente mit langen Halbwertszeiten – spalten. Dies ist heute der Hauptgrund, warum man diese Entwicklung verfolgt. Man könnte mit solchen Reaktoren die „Endlagerfrage“ eindeutig beantworten: Man braucht faktisch kein Endlager mehr, weil sich das Problem der potentiellen „Gefahr durch strahlenden Atommüll“ auf technische Zeiträume von weniger als 300 Jahren reduziert. Damit ist auch klar, warum sich die „Anti-Atomkraftbewegung“ mit besonderer Vehemenz – und auch Gewalttätigkeit – gegen den Bau solcher Reaktoren gewandt hat. Würden solche Reaktoren mit Wiederaufbereitung abgebrannter Brennelemente eingesetzt, wäre ihnen ihr Totschlagargument von angeblich über Millionen Jahre zu sichernden Endlagern entzogen. Die (deutsche) Scharade einer „Standortsuche“ wäre schlagartig zu Ende.

Ein mit Helium gekühlter Reaktor mit schnellem Neutronenspektrum hat jedoch einen systembedingten Nachteil: Wegen des angestrebten Neutronenspektrums darf ein solcher Reaktor nur geringe Mengen an Materialien enthalten, die Neutronen abbremsen. Idealerweise würde er nur aus Brennstoff und Kühlmittel bestehen. Seine Fähigkeit „Wärme“ zu speichern, ist sehr gering. Jede Leistungsänderung führt somit zu starken und schnellen Temperaturänderungen. Ein ernster Nachteil bei einem Verlust des Kühlmittels. Allein die Nachzerfallswärme könnte zu schwersten Schäden führen. Ebenso ist eine passive Nachkühlung kaum realisierbar. Helium ändert – anders als Wasser – nur geringfügig seine Dichte bei Temperaturänderungen. Man wird daher immer auf aktive Nachkühlung angewiesen sein. Die Ereignisse von Fukushima haben die Genehmigungsfähigkeit dieses Reaktorprinzips nicht unbedingt erhöht.

In nächster Zukunft müssen Gebläse bzw. Turbinen entwickelt werden, die Helium mit hoher Temperatur (Betriebstemperatur 850 °C) und unterschiedlichen Drücken (zwischen 1 und 70 bar) zuverlässig befördern können. Für die Kreisläufe zur Abführung der Nachzerfallswärme sind sicherheitsrelevante Ventile zu entwickeln und zu testen. Es sind zuverlässige Antriebskonzepte für die Notkühl-Gebläse zu entwickeln. Nach den Erfahrungen in Fukushima keine ganz einfache Aufgabe.

Die infrage kommenden Legierungen und Keramiken für die Brennelemente sind ausgiebig zu testen. Gleiches gilt für die Hüllrohre. Es müssen im Störfall Temperaturen von etwa 2000 °C sicher beherrscht werden.

Mit der bisherigen Entwicklung sind die Probleme eher größer geworden. Es wird deshalb nicht mit einem Abschluss der Machbarkeitsstudien in den nächsten zehn Jahren gerechnet. Wegen der Langfristigkeit ist der Einsatz der Mittel eher verringert worden.

Bleigekühlter schneller Reaktor (LFR)

Bei dem Lead-cooled Fast Reactor (LFR) handelt es sich um einen Reaktor, der flüssiges Blei als Kühlmittel verwendet. Blei besitzt einen sehr hohen Siedepunkt (1743 °C), sodaß man mit diesem Reaktortyp sehr hohe Temperaturen ohne nennenswerten Druckanstieg erzeugen kann. Allerdings ist Blei bei Umgebungsbedingungen fest, weshalb man den gesamten Kreislauf stets auf über 328 °C halten muß. Es gibt also zusätzlich den neuen Störfall „Ausfall der Heizung“. Blei ist chemisch recht beständig und reagiert – wenn überhaupt – ohne große Wärmefreisetzung mit Luft oder Wasser. Es schirmt Gammastrahlung sehr gut ab und besitzt ein gutes Lösungsvermögen (bis 600 °C) für Jod und Cäsium. Ferner trägt die hohe Dichte von Blei eher zu einer Rückhaltung als einer Verteilung von radioaktiven Stoffen bei einem schweren Störfall bei. Allerdings stellt die Undurchsichtigkeit und der hohe Schmelzpunkt bei allen Wartungsarbeiten und Sicherheitsinspektionen eine echte Herausforderung dar. Die hohe Dichte von Blei erschwert den Erdbebenschutz und erfordert neue (zugelassene) Berechnungsverfahren. Nach wie vor, ist die Korrosion von Stahl in heißem Blei mit Sauerstoff ein großes Problem. Hier ist noch sehr viel Forschung und Entwicklung nötig, bis ein dem heutigen Niveau von Leichtwasserreaktoren entsprechender Zustand erreicht wird.

In sowjetischen U-Booten wurden Reaktoren mit einem Blei-Wismut-Eutektikum (niedrigerer Schmelzpunkt) verwendet. Die dort (meist schlechten) gesammelten Erfahrungen sind nicht direkt auf das LFR-Konzept übertragbar. Die Reaktoren sind wesentlich kleiner, haben eine geringere Energiedichte und Betriebstemperatur und eine geringere Verfügbarkeit. Außerdem arbeiteten sie mit einem epithermischen und nicht mit einem schnellen Neutronenspektrum. Der Vorteil des geringeren Schmelzpunktes einer Blei-Wismut-Legierung ist nicht ohne weiteres auf eine zivile Nutzung übertragbar, da durch den Neutronenbeschuß Polonium-210 gebildet wird. Es handelt sich dabei um einen starken Alphastrahler (Halbwertszeit 138 Tage), der den gesamten Kühlkreislauf kontaminiert.

Im Moment werden im Projekt drei verschiedene Konzepte verfolgt: Ein Kleinreaktor mit 10 bis 100 MWel in den USA (Small Secure Transportable Autonomous Reactor or SSTAR), ein Reaktor mit 300 MWel in Russland (BREST) und ein Reaktor mit mehr als 600 MWel in Europa (European Lead Fast Reactor or ELFR – Euratom).

Wenn man einen solchen Reaktor als Brüter betreiben will, benötigt man eine Mindestleistung. Je größer, je effektiver. Ein kleiner Reaktor, wie z. B. der SSTAR, ist nur als reiner „Aktinoidenbrenner“ geeignet. Allerdings kann er sehr lange ohne einen Brennstoffwechsel betrieben werden. Will man Spaltmaterial erbrüten, ist ein häufiger Brennstoffwechsel unvermeidlich. Es empfiehlt sich deshalb, einen entsprechenden Brennstoffzyklus zu entwickeln. Es wird auf den Bau mehrere Reaktoren mit einer gemeinsamen Wiederaufbereitungsanlage hinauslaufen. Das Verfahren zur Wiederaufbereitung hängt wiederum von dem Brennstoffkonzept des Reaktors ab.

Ein besonderes Konzept, im Zusammenhang mit Blei, ist die Entwicklung einer Spallationsquelle (Japan, MYRRHA in Belgien usw.). In einem Beschleuniger wird ein Strahl von Protonen auf über 1 GeV beschleunigt und auf flüssiges Blei geschossen. Beim Auftreffen auf ein Bleiatom „verdampft“ dieses seine Kernelemente. Es wird eine große Anzahl von Neutronen frei. Diese Neutronen werden von einem Mantel aus Aktinoiden absorbiert. Diese eingefangenen Neutronen führen teilweise zu einer Spaltung oder einer Umwandlung. Durch die Spaltungen wird – wie in jedem Kernreaktor – Wärme frei, die anschließend konventionell genutzt werden kann. Es entsteht aber keine selbsterhaltende Kettenreaktion. Wird der Beschleuniger abgeschaltet, brechen auch sofort die Kernreaktionen in sich zusammen. Es handelt sich hierbei also um eine Maschine, die primär der Stoffumwandlung und nicht der Energieerzeugung dient. Durch die Verwendung von Blei als „Neutronenquelle“ und Kühlmittel sind aber alle Erfahrungen und Probleme unmittelbar übertragbar.

Am weitesten scheint die Entwicklung in Russland vorangeschritten zu sein. Man entwickelt einen bleigekühlten Reaktor mit 300 MWel (BREST-300) und betreibt die Weiterentwicklung der U-Boot-Reaktoren mit Blei-Wismut-Eutektikum als Kühlmittel (SVBR-100). Beide Reaktoren sollen bis zum Ende des Jahrzehnts erstmalig kritisch werden. In Europa plant man eine Demonstrationsanlage mit 300 MWth (Advanced Lead Fast Reactor European Demonstrator, ALFRED).

Salzbadreaktoren (MSR)

Salzbadreaktoren (Molten Salt Reaktor, MSR) werden in zwei Gruppen eingeteilt: Reaktoren, bei denen der Spaltstoff im Salz selbst gelöst ist und Reaktoren, bei denen das flüssige Salz nur als Kühlmittel dient (Fluoride salt-cooled High-temperature Reactor, FHR).

Zwischen 1950 und 1976 gab es in den USA ein umfangreiches Entwicklungsprogramm, aus dem zwei Prototypen erfolgreich hervorgingen (Aircraft Reactor Experiment, ARE und Molten Salt Reactor Experiment, MSRE). Anfangs konzentrierte man sich in der Entwicklung auf Salzbadreaktoren mit thermischem Neutronenspektrum.

Ab 2005 entwickelte sich eine Linie, die von in Salz gelöstem Brennstoff und Spaltprodukten ausging. Als Kühlmittel soll ebenfalls Salz dienen. Das Neutronenspektrum soll schnell sein. Von dieser Kombination verspricht man sich einerseits das Erbrüten von Spaltstoff (z. B. Uran-233 aus Thorium-232) und andererseits das kontinuierliche „Verbrennen“ von Minoren-Aktinoiden mit dem Ziel eines relativ kurzlebigen „Atommülls“, der nur noch aus Spaltstoffen besteht. Durch das Salzbad möchte man hohe Betriebstemperaturen bei nahezu Umgebungsdruck erreichen. Bis zum Bau eines Reaktors, ist jedoch noch ein langer Weg zurück zu legen: Es müssen die chemischen (Korrosion) und thermodynamischen Zustandsdaten für solche n-Stoff-Salze bestimmt werden. Es müssen Verfahren zur kontinuierlichen Entgasung der Salzschmelze entwickelt werden, da ein großer Teil der Spaltprodukte (zumindest bei der Betriebstemperatur) gasförmig ist. Für das flüssige Salzgemisch müssen gekoppelte neutronenphysikalische und thermohydraulische Berechnungsverfahren geschaffen werden. Für die radioaktiven Salzgemische sind zahlreiche Sicherheitsversuche zur Datensammlung und Absicherung der Simulationsmodelle nötig. Die Chemie und Verfahrenstechnik der Aufbereitung während des Reaktorbetriebs muß praktisch noch vollständig getestet werden.

Natriumgekühlter schneller Reaktor (SFR)

Der Sodium-cooled Fast Reactor (SFR) verwendet flüssiges Natrium als Kühlmittel. Natrium hat nahezu ideale Eigenschaften: Relativ geringer Schmelzpunkt (98 °C), aber hoher Siedepunkt (890 °C), sehr gute Wärmeleitfähigkeit (140 W/mK) bei annehmbarer Wärmekapazität (1,2 KJ/kgK). Es hat keine korrosiven Eigenschaften, reagiert aber heftig unter Wärmefreisetzung mit Luft und Wasser. Bisher wurden bereits 17 Reaktoren gebaut und drei weitere befinden sich in Russland, Indien und China im Bau.

Ursprüngliches Ziel war die Erschaffung eines „schnellen Brüters“. Mit ihm sollte mehr (thermisch) spaltbares Plutonium erzeugt werden, als dieser Reaktortyp zu seinem Betrieb benötigte. Dieses zusätzlich gewonnene Plutonium sollte dann zum Start weiterer Reaktoren verwendet werden. Inzwischen gibt es aus dem Betrieb von Leichtwasserreaktoren und der Rüstungsindustrie mehr als genug Plutonium auf der Erde. Darüber hinaus sind die Natururanvorräte nahezu unerschöpflich. Deshalb hat sich die Zielrichtung in den letzten Jahren verschoben. Die benutzten Brennelemente aus Leichtwasserreaktoren werden von „Atomkraftgegnern“ abfällig als „Atommüll“ bezeichnet. In Wirklichkeit sind aber das gesamte enthaltene Uran und Plutonium (weit über 95 %) vollständig zur Energiegewinnung nutzbar. Gerade aus dem wertvollsten Material – dem Plutonium – wird wegen dessen langer Halbwertszeit der Bedarf eines Endlagers und dessen „sicherer Einschluß über Millionen von Jahre“ konstruiert. Selbst die Spaltprodukte – als tatsächlicher Abfall der Energieerzeugung durch Kernspaltung – sind (wirtschaftlich) nutzbar.

Man geht heute von einer Erstbeladung eines schnellen natriumgekühlten Reaktors mit einem Gemisch aus Uran und knapp 20% Plutonium aus. Das Plutonium gewinnt man aus den abgebrannten Brennelementen der Leichtwasserreaktoren. Die abgebrannten Brennelemente eines solchen schnellen Reaktors werden nach angemessener Zwischenlagerung in einem elektrochemischen Prozeß (wie z. B. bei der Kupfer- und Aluminiumproduktion) wieder aufbereitet. Bei diesem Wiederaufbereitungsverfahren liegt der Schwerpunkt in der Gewinnung möglichst reiner (kurzlebiger) Spaltprodukte. Alle langlebigen Aktinoiden werden wieder in den neuen Brennelementen weiter verwendet. Das „verbrauchte“ Uran und Plutonium wird dabei durch „Atommüll“ aus Leichtwasserreaktoren ergänzt. Ein solcher Reaktor gleicht also einer „Müllverbrennungsanlage“, in der ja auch „gefährliche Stoffe“ unter gleichzeitiger Stromerzeugung beseitigt werden.

Natriumgekühlte Reaktoren können in beliebiger Größe gebaut werden. Lediglich wenn man Brennstoff erbrüten will (d. h. mehr Plutonium produzieren als man verbraucht) muß der Reaktor geometrisch groß sein, um Neutronenverluste zu vermeiden. Gerade „Aktinoidenbrenner“ können sehr klein und kurzfristig gebaut werden. Die Entwicklung bezieht sich auf die Kombination aus Brennstoff (oxidisch, metallisch, karbidisch und Nitride möglich) und die Wiederaufbereitung (naßchemisch, pyrotechnisch). Es gilt die optimale Kombination aus Werkstoffen und Verfahren zu finden. Ferner sind homogene Brennstoffe und spezielle heterogene Anordnungen zur Verbrennung von Minoren-Aktinoiden denkbar. Diese Anordnungen koppeln wieder auf die Neutronenphysik, die Regelung und damit letztendlich auf die Sicherheit zurück.

Reaktor mit überkritischem Wasser (SCWR)

Wird Wasser oberhalb des kritischen Punktes (374,12 °C bei 221,2 bar) verwendet, ändert es radikal seine chemischen und physikalischen Eigenschaften. Entscheidend ist die kontinuierliche Änderung der Dichte. Es gibt nicht mehr das gleichzeitige Auftreten von Dampf und Flüssigkeit (z. B. Blasen) in einem Behälter.

Ziel von „überkritischen Kesseln“ ist die Steigerung des Wirkungsgrades. So sind heute in modernen Kohlekraftwerken Wirkungsgrade von 46 % möglich. Für den Supercritical-water-cooled reactor (SCWR) ist ein Wirkungsgrad von 44 % angestrebt. Die leidvolle Entwicklungsgeschichte bei konventionellen Kraftwerken hat jedoch gezeigt, daß die Steigerung von Druck und Temperatur mit erheblichen Werkstoffproblemen und damit Kosten verbunden ist. Solange Kernbrennstoffe so billig wie heute sind, scheint dieser Weg bei Reaktoren zumindest wirtschaftlich nicht sinnvoll.

Die gesamte Sicherheitstechnik muß neu durchdacht und experimentell bestätigt werden. Es gibt keine lokale Selbstregelung durch Dampfblasenbildung mehr. Die Gefahr von überhitzten Stellen im Kern muß schon im Normalbetrieb sicher beherrscht werden. Die Notkühlsysteme müssen bei einem Druckabfall sowohl im überkritischen Zustand, als auch im Zwei-Phasenbereich voll wirksam sein. Man kann sich nicht mehr auf den Wasserstand als Stellgröße verlassen, sondern muß auf den Durchfluß übergehen, was wesentlich schwerer zu realisieren ist. Die Wasserchemie ist im überkritischen Zustand wesentlich anders und schwerer zu beherrschen.

Bisher wurden nur Tests mit Komponenten ausgeführt. Man hofft auf dieser Basis in den nächsten fünf Jahren eine Entscheidung für den Bau eines Prototyps fällen zu können. Bis zu einem kommerziell nutzbaren Reaktor dürften noch weit über 20 Jahre vergehen.

Hösttemperaturreaktor (VHTR)

Der Very-High-Temperature Reactor (VHTR) ist eine Weiterentwicklung eines mit Helium gekühlten Reaktors mit thermischem Neutronenspektrum. Es gibt die – ursprünglich in Deutschland entwickelte – Anordnung der Brennelemente als Kugelhaufen oder eine prismatischer Anordnung. Ziel war immer das Erreichen von Betriebstemperaturen von nahezu 1000 °C. Dieser Reaktortyp sollte primär als Wärmequelle in der Verfahrenstechnik (Kohleveredlung etc.) dienen. In diesem Sinne war ein Meilenstein immer das Erreichen einer Temperatur von 950 °C, bei der eine rein thermische Zerlegung von Wasser über einen Schwefel-Jod-Prozeß möglich ist. Dies war als Fundament einer „Wasserstoffwirtschaft“ gedacht. In Deutschland wurde das Konzept einer „kalten Fernwärme“ entwickelt, in dem Methan im Kreislauf läuft und beim Verbraucher lediglich chemisch zerlegt wird und die Bestandteile anschließend wieder mit der Hilfe der Wärme des Kernreaktors wieder zusammengesetzt werden. Der Charme dieses Konzepts liegt in der Fähigkeit, Energie über große Entfernungen mit geringen Verlusten (wie ein Erdgasnetz) transportieren und auch speichern zu können. Stellt man das „Erdgas“ synthetisch aus Kohle her, kann man dieses Gas in das vorhandene Erdgasnetz einspeisen. Interessanterweise wird dieser Gedanke in China aus den gleichen Gründen, wie damals in Deutschland, wieder aufgegriffen: Luftverschmutzung durch Kohle, bei (noch) geringen eigenen Erdgasvorkommen.

Die Entwicklung von Höchsttemperaturreaktoren ist im wesentlichen ein Werkstoffproblem. Wobei nicht übersehen werden darf, daß mit steigender Temperatur der Aufwand und die Kosten exponentiell ansteigen. Allerdings kann diese Entwicklung evolutionär durchgeführt werden. China scheint offensichtlich diesen Weg eingeschlagen zu haben. Ausgehend vom (Nachbau) des deutschen Kugelhaufenreaktors begibt man sich schrittweise vorwärts.

SMR Teil 3 – Innovative Reaktoren

Es gibt inzwischen unzählige Reaktorentwürfe. Es gehört praktisch zum guten Ton einer jeden Forschungsstätte sich mit einer neuen Studie zu schmücken. Je nach Mitteln und Background, reichen (meist) auch Variationen bekannter Prinzipien aus.

Es ist daher sinnvoll, auch bei der Betrachtung „kleiner“ Reaktoren (SMR) den potentiellen Markt nicht außer acht zu lassen. Die Domäne der Kernenergie ist und bleibt die Erzeugung elektrischer Energie. Dies liegt einerseits an der universellen Verwendbarkeit von „Strom“ und andererseits an Gewicht und Volumen eines Kernreaktors. Die Untergrenze für den technisch/wirtschaftlichen Einsatz ist ein Schiff.

Zwar ist die Wärmeerzeugung immer noch mit großem Abstand die überragende Energieanwendung, aber nur ein geringer Bedarf entfällt davon auf Hochtemperatur-Wärme (chemische Prozesse). Die „Endlichkeit“ von Kohle, Öl, Erdgas und Uran hat sich längst als Wunschtraum unbelehrbarer Anhänger der Planwirtschaft erwiesen. Längst ist man daher in diesen Kreisen auf eine indirekte Verknappung (Klimaschutz – wir dürfen gar nicht so viel fossile Brennstoffe nutzen, wie wir zur Verfügung haben) umgestiegen. Es lohnt sich nicht, sich damit weiter auseinander zu setzen. Für diese Betrachtungen reicht folgender Zusammenhang vollständig aus:

  • Energieverbrauch und Wohlstand sind die zwei Seiten ein und derselben Medaille. Wer das Recht aller Menschen auf ein Mindestmaß an Wohlstand anerkennt, muß von einem weiter steigenden Energiebedarf ausgehen. Oder andersherum ausgedrückt: Wer eine Senkung des Energieverbrauches fordert – wie es scheinbar immer populärer wird – will die Armut für den größten Teil der Menschheit weiter festschreiben.
  • Mit fortschreitender Entwicklung steigt der Verbrauch elektrischer Energie überproportional an. Der für eine zuverlässige und kostengünstige Stromversorgung einzusetzende Primärenergieaufwand steigt damit weiter an. Ersetzt man die hierfür notwendigen Mengen an Kohle und Erdgas durch Kernenergie, bekommt man mehr als genug dieser Energieträger frei um damit Industrie und Transportsektor zu versorgen. Die USA führen diesen Weg mit der Erschließung unkonventioneller Öl- und Gasvorkommen – bei gleichzeitigem Ausbau der Kernkraftwerke – eindrucksvoll vor.

Hat man diesen Zusammenhang verstanden, wird auch die Entwicklung der „kleinen“ Reaktoren in den nächsten Jahrzehnten vorhersagbar. Das Streben nach „hohen Temperaturen“ hat durch die Entwicklung des Erdgasmarktes (außerhalb Deutschlands!) an Bedeutung eingebüßt. Erdgas – egal aus welchen Vorkommen – ist der sauberste und kostengünstigste Brennstoff zur Erzeugung hoher Temperaturen und zur Gewinnung von Wasserstoff. Zur Stromerzeugung eigentlich viel zu schade!

Das Argument des geringeren Uranverbrauches durch Reaktoren mit höherer Temperatur ist ebenfalls nicht stichhaltig: Die Uranvorräte sind nach menschlichen Maßstäben unerschöpflich und der Minderverbrauch durch höhere Wirkungsgrade wiegt den wirtschaftlichen Mehraufwand bei weitem nicht auf. Ein Anhaltspunkt hierfür, bietet die Entwicklung bei Kohlekraftwerken: Sie liegt heute noch in Regionen mit „billiger“ Kohle eher in der Größenordnung von Leichtwasserreaktoren (ungefähr 33 %) als bei deutschen und japanischen Steinkohlekraftwerken (fast 46 %). Bis Uran so teuer wird, daß sich eine Wirkungsgradsteigerung um 40 % wirtschaftlich lohnt, dürften eher Jahrhunderte, als Jahrzehnte vergehen. Damit dürften alle Hochtemperaturreaktoren eher Nischenprodukte bleiben, was aber gerade dem Gedanken einer Serienproduktion widerspricht. Gleiches gilt auch für sog. „Schnelle Brüter“.

Gleichwohl sind einige gasgekühlte Reaktoren und Reaktoren mit schnellen Neutronen in der Entwicklung. Diese Prototypen sollen im Folgenden etwas näher vorgestellt werden.

NPMC-Reaktor

National Project Management Corporation (NPMC) hat zusammen mit dem Staat New York , der City of Oswego und der Empire State Development einen Antrag auf Förderung für einen heliumgekühlten Kugelhaufen-Reaktor mit 165 MWel.eingereicht. Dem Konsortium hat sich National Grid UK, die New York State Energy Research Development und die Pebble Bed Modular Reactor (PBMR) of South Africa angeschlossen.

Eingereicht wurde ein Gas Turbine Modular High-Temperature Reactor (GT-MHR). Die Entwicklung beruht auf dem in Deutschland entwickelten THTR-Reaktor. Sie wurde in Südafrika fortgesetzt. Anders als in Deutschland und China wollte man aber nicht einen konventionellen Dampfkreislauf sekundärseitig verwenden, sondern wollte zur Stromerzeugung eine Gasturbine einsetzen. Die Entwicklung eines solchen geschlossenen Gasturbinen-Kreisprozesses mit Helium als Arbeitsmittel überstieg aber bei weitem die wirtschaftlichen Möglichkeiten Südafrikas, was letztendlich zur Aufgabe führte.

Eine Gasturbine hat so hohe Austrittstemperaturen, daß problemlos eine trockene Kühlung mit Außenluft möglich wird. Die Schwierigkeit in den Verbrauchsschwerpunkten in Südafrika ist die Bereitstellung von ausreichend Kühlwasser. Unter dem Wassermangel leiden dort alle konventionellen Kraftwerksprojekte (hauptsächlich Kohle). In New York gibt es zwar genug Wasser, aber die (angebliche) Umweltbelastung durch Kühlwasser ist der Hauptansatz gegen die vorhandenen und geplanten Kernkraftwerke. Nichts desto trotz könnten SMR mit geschlossenen Gasturbinen ein Modell für die dezentrale Versorgung in zahlreichen ariden Gebieten auf der Welt sein.

China verfolgt ebenfalls konsequent den Kugelhaufen-Hochtemperatur-Reaktoren weiter. Allerdings sind alle in Bau und Planung befindlichen Kraftwerke mit konventionellen Dampfkreisläufen ausgerüstet.

Energy Multiplier Module (EM2)

Auch General Atomics (GA) hat ein Gas-Turbine Modular Helium Reactor (GT-MHR) Konzept mit 265 MWel eingereicht. Man geht aber nicht von einem Kugelhaufen (siehe oben), sondern von hexagonalen Prismen als Brennelementen aus. Basis ist ein eigenes Modell aus den 1980er Jahren. Das Modul soll bei einer thermischen Leistung von 500 MWth. komplett und fertig mit Brennstoff beladen auf einem LKW zur Baustelle transportiert werden. Die Austrittstemperatur des Heliums soll (extrem hohe) 850 °C betragen. Damit wäre der Einsatz als Wärmequelle in der Verfahrenstechnik, bis hin zur thermischen Wasserstoffproduktion, denkbar. Ein Turbosatz mit hoher Drehzahl wird auf einem zweiten LKW angeliefert. Die Gasturbine und der angeschlossenen Generator laufen mit mehreren 10.000 Umdrehungen pro Minute. Die Umwandlung der elektrischen Energie in „netzfähigen Strom“ erfolgt über elektronische Umformer. Bei der eingereichten Variante handelt es sich um ein reines Kraftwerk zur Stromerzeugung. Im Begleittext wird betont, daß dieser Reaktor lediglich die Abmessungen eines „Schulbusses“ hätte. Hinzu käme ein etwa gleich großes Modul für den Turbosatz. Insofern wäre die Leistungsdichte (umbauter Raum) konkurrenzlos gering. Wegen der hohen Austrittstemperatur hätte dieses Kraftwerk einen elektrischen Wirkungsgrad von 53 %. Das Kraftwerk käme mit Luftkühlung aus und wäre damit äußerst flexibel einsetzbar. Durch den hohen Wirkungsgrad und seine neutronenphysikalischen Eigenschaften wäre selbst ohne Wiederaufbereitung, der „Atommüll“ um 80% geringer als bei üblichen Reaktoren.

Noch innovativer als der Turbosatz, ist das Brennstoffkonzept: Der Reaktor wird in der Fabrik mit Brennstoff beladen und komplett nach 30 Jahren Laufzeit wieder in die Fabrik zurückgeliefert. Das ganze ähnelt also eher einer Batterie, als einem klassischen Kraftwerk. Dieses Konzept würde die gesamte Stromversorgung revolutionieren. Ein „Energieversorger“ mietet sich quasi für 30 Jahre eine „Stromerzeugungseinheit“ und gibt diese nach Gebrauch komplett wieder zurück. Durch die speziellen Sicherheits- und Betriebsanforderungen löst sich auch das Problem der Personalkosten: Verkleinert man einfach heutige Reaktorkonzepte, steigt der spezifische Personalaufwand stark an. Das ist leider die Umkehrung der Betriebskostendegression mit zunehmender Kraftwerksgröße. Die Kombination aus geringen Investitionskosten, kaum Betriebskosten, kaum Netzkosten, keine „Atommüllprobleme“…, könnte einen ähnlichen Quantensprung, wie die Einführung des PC in der Datenverarbeitung auslösen. Davon dürften sicherlich nicht alle begeistert sein!

Die Brennelemente besitzen eine Umhüllung aus einem Siliziumcarbid-Faser-Verbundwerkstoff. Das Material verträgt Temperaturen von weit über 2000 °C und reagiert wegen seiner keramischen Eigenschaften praktisch nicht mit Luft und Wasser. Der Brennstoff ist inhärent sicher und selbstregelnd: Steigt die Temperatur zu stark an, bricht die Kettenreaktion in sich zusammen (Dopplereffekt). Auch die Nachzerfallswärme kann dem Brennstoff praktisch nichts anhaben, da er sich gefahrlos so weit aufheizen kann, daß schon die Wärmeabgabe durch Strahlung (Kühlmittelverluststörfall) dauerhaft ausreicht. Dieses Verhalten ist unzählige male experimentell bestätigt worden.

Jeder Reaktor wird erstmalig mit etwa 20 to abgebranntem Brennstoff aus Leichtwasserreaktoren oder abgereichertem Uran beladen. Hinzu kommt als „Starter“ rund 22 to auf 12% angereichertes Uran. Nach 30 Jahren Betriebszeit werden in einem speziellen Aufbereitungsprozess die entstandenen etwa 4 to Spaltprodukte entfernt und durch 4 to abgebrannten Brennstoff aus Leichtwasserreaktoren ergänzt.

General Atomic ist eines der führenden Unternehmen (nicht nur) der Kerntechnik. Am bekanntesten dürften die weltweit gelieferten 66 TRIGA-Reaktoren (Training, Research, Isotopes, General Atomic) sein. Zusätzlich gehören zu dem Bewerbungskonsortium noch zwei der weltweit führenden Anlagenbauer: CB&I und Mitsubishi Heavy Industries und die Mutter der schnellen Reaktoren und der Wiederaufbereitung: Das Idaho National Laboratory (INL). Es fehlt also nicht an Kapital und Sachverstand. Größte Hürde dürfte das NRC mit seinem „unendlichen“ Genehmigungsverfahren sein. Aber auch auf dem Sektor des Bürokratismus bewegt sich in den USA etwas: Nicht nur, wegen der Drohkulisse, die China am Horizont aufbaut.

PRISM

Ein weiterer „schneller“ Reaktor, aber mit Flüssigmetallkühlung, ist der von General Electric und Hitachi Nuclear Energy (GEH) propagierte Power Reactor Innovative Small Module (PRISM). Es handelt sich ebenfalls um einen vollständig vorgefertigten und transportierbaren Reaktor mit einer thermischen Leistung von 840 MWth und 311 MWel. Es ist geplant, je zwei solcher Einheiten auf einen konventionellen Turbosatz (typisches Kohlekraftwerk) mit 622 MWel. zusammenzuschalten.

Das PRISM-Konzept bricht ziemlich radikal mit der heutigen Nutzung der Kernenergie und ihrem Brennstoffkreislauf. Es senkt konsequent den Einsatz von Natururan und entlässt als Abfall wesentlich geringere Mengen mit deutlich kürzerem Gefährdungszeitraum. Um dieses Ziel zu erreichen, ist nicht nur der Übergang auf „schnelle“ Neutronen nötig, sondern auch auf einen völlig neuen Brennstoffkreislauf. Durch die Verwendung von Neutronen mit hoher Energie (hoher Geschwindigkeit) kann man praktisch alle Aktinoide spalten – allerdings um den Preis einer geringeren Wahrscheinlichkeit. Man braucht deshalb eine wesentlich höhere Konzentration von U235 bzw. Pu239 um überhaupt eine Kettenreaktion in Gang setzen zu können. Außerdem muß man auf Wasser als Kühlmittel verzichten. Ein in diesem Sinne ideales Kühlmittel, ist das Metall Natrium. Geht man auf ein flüssiges Metall als Kühlmittel über, macht es Sinn, auch den Brennstoff in metallischer Form zu verwenden. Eine Legierung aus Uran, Zirconium und – gegebenenfalls allen möglichen – Transuranen, hat sich als besonders geeignet erwiesen. Wenn man aber schon einen Brennstoff in metallischer Form vorliegen hat – und keinerlei Ambitionen hegt, Kernwaffen zu bauen – bieten sich die erprobten Verfahren der Elektrometallurgie (Aluminium-, Kupferproduktion etc.) an. Vereinfacht gesagt, löst man den zerstückelten „abgebrannten“ Brennstoff in geschmolzenem Lithiumchlorid auf und legt eine Spannung von 1,34V an. Nun wandert das Uran und alle sonstigen Aktinoide zur Kathode und scheiden sich dort ab. Die Spaltprodukte bleiben im Lithiumchlorid zurück. Die Kathode wird eingeschmolzen und daraus neue Pellets hergestellt. Diese werden in Stahlrohre (H9) gesteckt, mit flüssigem Natrium zur besseren Wärmeleitung ausgegossen und mit einem Gaspolster aus Helium versehen, zu einem neuen Brennstab verschweißt. Im Prinzip ist diese Technik so simpel und automatisierter, daß sie in ein (größeres) Kraftwerk integriert werden könnte. Die übrig geblieben Spaltprodukte – etwa 1 kg für jedes 1 MWel. produziert über ein ganzes Jahr – kann man „irgendwo“ lagern, da sie nach wenigen hundert Jahren auf die Intensität des ursprünglichen Uranerzes abgeklungen sind – also die Gefahr, wieder voll und ganz, natürlich ist.

Sicherheitstechnisch betrachtet, hat sich dieser Reaktortyp als äußerst gutmütig erwiesen. Selbst, wenn man alle Regelstäbe voll gezogen hatte, regelte er sich selbst herunter, da durch den starken Temperaturanstieg die nukleare Kettenreaktion unverzüglich zusammenbricht. Für die Leistungsregelung gibt es Regelstäbe aus Borkarbid (B~4 C). Zusätzliche Regelstäbe hängen an Magneten. Fällt der Strom aus oder geht der Magnetismus infolge zu hoher Temperaturen verloren, fallen sie in den Reaktor und stellen ihn dauerhaft ab.

Allerdings hat Natrium einen entscheidenden Nachteil: Es reagiert sowohl mit Luft als auch mit Wasser sehr heftig. Deshalb sind der Reaktorkern, die zwei Wärmeübertrager und die vier elektromagnetischen Pumpen (ohne rotierende Teile) alle zusammen in einem mit Natrium gefüllten Topf eingebettet. Dieses Gefäß ist zusammen mit dem Sicherheitsbehälter am Deckel fest verschweißt. Sowohl das Reaktorgefäß, wie auch der Sicherheitsbehälter haben keine Durchbrüche. Die etwa 20 cm Zwischenraum und der Arbeitsraum über dem Deckel sind mit Argon – unter leichtem Überdruck zur Kontrolle auf etwaige Leckagen – befüllt. Da Natrium durch Neutronenbeschuß strahlend wird (Halbwertszeit etwa 1 Minute), wird die Wärme durch die Wärmeübertrager im Reaktorgefäß an einen zweiten Kreislauf mit Natrium übertragen. Dieses Natrium ist nicht radioaktiv und wird ständig überwacht. Das Natrium gelangt durch Rohr in Rohr Leitungen zum überirdischen Dampferzeuger. Der Dampferzeuger ist ein hoher, zylindrischer Behälter, der vollständig mit Natrium gefüllt ist. In diesem Behälter verlaufen schraubenförmige Rohrleitungen, in denen das Wasser zum Antrieb der Turbine verdampft wird. Im Normalbetrieb sorgen zwei elektromagnetische Pumpen für die Umwälzung des Natriums. Zur Abführung der Nachzerfallswärme nach Abschaltung des Reaktors, würde der sich einstellende Naturumlauf ausreichen. Wegen der vorliegenden Temperaturspreizungen (Kerneintritt: 360 °C, Kernaustritt: 499 °C, Dampferzeuger Eintritt: 477 °C, Austritt 326 °C) besteht ein ausreichend großes Sicherheitsgefälle.

Der Reaktor benötigt keinerlei elektrische Energie nach einer Schnellabschaltung. Ein Unglück wie in Fukushima ist daher ausgeschlossen. Die Nachzerfallswärme kann auf drei Wegen abgeführt werden:

  1. Über einen Bypass der Turbine durch den normalen Dampfkreislauf des Kraftwerks.
  2. Zwischen dem Dampferzeuger und seiner Isolierung befindet sich ein Luftspalt. Ist der Weg 1 nicht möglich (z. B. Bruch einer Dampfleitung), kann über den Naturzug die Wärme an die Umgebung abgegeben werden.
  3. Zwischen Sicherheitsbehälter und Betongrube befindet sich ebenfalls ein Luftspalt. Dieser ist mit Abluftkaminen oberhalb der Erde verbunden. Die durch die Nachzerfallswärme des Reaktors aufgeheizte Luft kann in diesen aufsteigen und wird durch nachströmende kühle Umgebungsluft ersetzt (Reactor Vessel Auxiliary Cooling System RVACS).

Anders, als bei Leichtwasserreaktoren, werden die abgebrannten Brennelemente nicht in einem separaten Brennelementelagerbecken gelagert, sondern verbleiben mindestens für einen weiteren Zyklus (Ladezyklus 12 bis 24 Monate, je nach Betriebsweise) im Reaktorbehälter. Dazu entfernt die automatische Lademaschine das gewünschte Brennelement, ersetzt es durch ein neues und stellt das alte zur Zwischenlagerung in das „obere Stockwerk“ des Reaktorbehälters. Erst, wenn die Brennelemente zur Wiederaufbereitung sollen, werden sie von der Lademaschine aus dem Reaktor gezogen, gereinigt und übergeben. Sie sind dann bereits soweit abgekühlt, daß sie problemlos „an die Luft können“, da die Brennstäbe aus Stahlrohren gefertigt sind.

Neu, ist die ganze Technik überhaupt nicht. Allein der Experimental Breeder Reactor EBR-II hat 30 Jahre erfolgreich gelaufen. Wenn sich jetzt mancher fragt, warum solche Reaktoren nicht längst gebaut werden, ist die Antwort einfach: Wir haben einfach noch nicht genug von dem, was „Atomkraftgegner“ als „Atommüll“ bezeichnen! Eine Serienproduktion macht wirtschaftlich nur Sinn, wenn die Stückzahl ausreichend groß ist. Dieser Reaktor braucht zur Inbetriebnahme 11% bis 17% spaltbares Plutonium und kann 18% bis 23% Transurane vertragen. Um 100 Reaktoren erstmalig zu befüllen, benötigt man daher geschätzt 56.000 bis 70.000 Tonnen Schwermetall in der Form abgebrannter Brennelemente aus Leichtwasserreaktoren. Es ist jetzt der richtige Zeitpunkt, mit Planung und Bau eines Prototypen zu beginnen. Diesen kann man gut mit „Bomben-Plutonium“ aus der Abrüstung oder bereits vorhandenem Plutonium aus Wiederaufbereitungsanlagen bauen. Die Zeit läuft nicht weg: Natururan ist noch billig und je länger die abgebrannten Brennelemente lagern, um so einfacher lassen sie sich aufbereiten. Geht man von kostenlos erhältlichem „Atommüll“ aus – manche meinen ja sogar, man benötige ein Milliarden teueres Endlager für abgebrannte Brennelemente – liegen die kompletten Brennstoffkosten (einschließlich geologischem Lager für die Spaltprodukte) für diesen Reaktortyp weit unter 1/2 Cent pro kWh elektrischer Energie. Spätestens jetzt sollte jedem klar sein, warum man die abgebrannten Brennelemente so sorgfältig in so aufwendigen Behältern verpackt „zwischenlagert“. Sehen so Mülltonnen aus? Die Lagerhalle von Gorleben beispielsweise, ist eher ein Goldschatz.

ALFRED

Das einzige europäische Projekt ist der Advanced Lead Fast Reactor European Demonstrator (ALFRED). Er wird zur Zeit von dem Konsortium aus ENEA und Ansaldo Nuclear aus Italien und der rumänischen ICN verfolgt. Es wird auch Fostering Alfred Construction FALCON genannt. Die über 1 Milliarde Euro Kosten sollen wesentlich von der EU, aus verschiedenen Töpfen aufgebracht werden. Der Standort soll in Mioveni in der Nähe von Pitesti in Rumänien sein. Baubeginn ist für 2017 und eine Fertigstellung bis 2025 gedacht. Er soll eine Leistung von 125 MWel bei 300 MWth. haben. Es ist wohl eine reine Demonstrationsanlage. An eine Serienfertigung ist eher nicht gedacht.

Die Verwendung von Blei als Kühlmittel ist ein Abfallprodukt der europäischen Entwicklung eines, durch einen Beschleuniger angetriebenen, unterkritischen Reaktors. Zum Betrieb eines „schnellen“ Reaktors ist Blei ein eher exotisches Kühlmittel. Alle anderen Nationen verwenden ein Eutektikum aus Blei-Bismut als Kühlmittel. Die längste – und negativste Erfahrung – mit Blei und Blei-Bismut hat Rußland. Dort wurden sie zum Antrieb von Atom-U-Booten der sog. Alpha-Klasse in den 1950er Jahren entwickelt. Wegen ständiger Schäden – bis hin zum Totalverlust – verwendet auch die russische Marine inzwischen Leichtwasserreaktoren.

Als Vorteil von Blei bzw. Blei-Bismut werden immer wieder gerne, folgende Vorteile plakativ in den Vordergrund gestellt:

  • Blei reagiert nicht mit Wasser (gemeint ist, im Gegensatz zu Natrium) und es könnten daher die Dampferzeuger angeblich gefahrlos im Reaktorgefäß integriert werden.
  • Sehr hohe Siedetemperatur (1745 °C) bei sehr geringem Dampfdruck. Daraus wird ein günstiger Blasenkoeffizient der Reaktivität abgeleitet, der einen angeblichen Sicherheitsvorteil ergibt.
  • Blei wäre ein besonders schlechter Moderator und besässe besonders kleine Absorptionsquerschnitte.

Ansonsten fallen einem leider nur Nachteile ein:

  • Blei wird überhaupt erst bei 327 °C flüssig. Darum haben die Russen von Anfang an mit einem Eutektikum aus Blei und Bismut (Schmelzpunkt 124 °C) gearbeitet. Wartungs- und Inspektionsarbeiten bei so hohen Temperaturen sind Neuland. Der Reaktor muß ständig beheizt werden. Es gibt den neuen Störfall „(lokale) Unterkühlung“ mit entsprechenden Konsequenzen für das Genehmigungsverfahren.
  • Flüssiges Blei ist korrosiv. Die Russen haben dieses Problem nie so richtig in den Griff bekommen. Die Wege über den Sauerstoffgehalt und Beschichtungen waren nicht zielführend – ein überhöhter Verschleiß (Lebensdauer) ist die Folge. Darüber hinaus, ist flüssiges Blei auch noch abtragend. Die Strömungsgeschwindigkeit muß deshalb klein gehalten werden.
  • Durch die grosse Masse des Bleis im Reaktor, sind besondere Schutzmaßnahmen gegen Erdbeben notwendig.
  • Durch die hohe Dichte des Bleis werden die Regelstäbe von unten eingeschwommen (völlig neues Prinzip, Genehmigungsverfahren) oder von oben pneumatisch eingeschossen (nicht passiv).
  • Als Brennstoff sind Uranoxid oder Urannitrid vorgesehen. Wegen der gegenüber metallischen Brennstoffen schlechten Wärmeleitung, besteht (wieder) die Gefahr der (lokalen) Kernschmelze. Der Effekt einer inhärenten Sicherheit scheint nur schwer nachweisbar. Eine Kühlung über unterkühltes Blasensieden (wie auch in jedem Druckwasserreaktor) scheidet durch den hohen Siedepunkt (der ja immer als Vorteil bezeichnet wird) aus.
  • Bisher gibt es bei ALFRED kein echtes Notkühlsystem. Die Nachzerfallswärme müßte immer über die innenliegenden Dampferzeuger abgeführt werden. Der Nachweis – auch nach einer physikalischen Dampfexplosion oder eines abschnittsweisen Verstopfens durch Einfrieren –. dürfte sich schwierig gestalten.

Bis ein mit flüssigem Blei gekühlter Reaktor in einem westlichen Land genehmigungsfähig ist, dürften noch Jahrzehnte Forschungs- und Entwicklungsarbeit nötig sein. Insofern dürften sie außerhalb der Konkurrenz mit anderen SMR-Entwürfen stehen. Manchmal fragt man sich wirklich, warum sich manche Kerntechniker immer selbst im Wege stehen müssen. Man könnte fast sagen: Gott schütze uns vor diesen Forschern, mit den „Atomkraftgegnern“ werden wir schon selber fertig.

Vorläufiges Ende

Hier ist das vorläufige Ende des Drei-Teilers erreicht. Es wurden die im derzeitigen Rennen um Förderung für SMR vorne liegenden Typen vorgestellt. Was noch fehlt, wären z. B. der Super-Safe, Small and Simple, 4S von Toshiba; die Encapsulated Nuclear Heat Source ENHS; der Flibe Energy Salzbadreaktor; der International Reactor Innovative & Secure IRIS Druckwasserreaktor; der Purdue Novel Modular Reactor PNMR Siedewasserreaktor; der Travelling Wave Reactor TWR; der ANTARES von Areva, der Advanced Reactor Concept ARC-100 und wer weiß noch, welche sonst alle….

 

 

Neuer Temperaturrekord für Brennstoffe gemeldet

Forscher am Idaho National Laboratory (INL) und beim Oak Ridge National Laboratory (ORNL) meldeten einen neuen Meilenstein bei der Entwicklung von Brennstoffen für einen Reaktor der sog. vierten Generation. Sie erreichten einen neuen Rekord von 1800 °C . „Ein sicherer und effizienterer Kernbrennstoff zeichnet sich am Horizont ab“ war die Meldung betitelt. Der weiterentwickelte TRISO-Brennstoff (tristructural-isotropic, Bilderstrecke hierzu) hätte sich als noch robuster als gedacht erwiesen. Die Entwicklung dieses Brennstoffes ist Bestandteil einer Reaktorentwicklung für besonders hohe Betriebstemperaturen (Very High Temperature Reactor Technology Development Office). Es ist die Wiederaufnahme einer Entwicklungsschiene zur Nutzung von Kernenergie in der Chemie. Insbesondere zur Umwandlung von Kohle in umweltfreundlichere Produkte oder zur großtechnischen (chemischen) Wasserstoffgewinnung. Am konsequentesten und weitesten wurde diese Schiene einst in Deutschland (THTR) entwickelt. Mußte aber – wie so vieles andere – aus politischen Gründen aufgegeben werden. Inzwischen wurde auch die Entwicklung in Südafrika mangels finanzieller Möglichkeiten fast vollständig eingestellt. Nur das andere „Kohleland“ China, verfolgt noch mit merklichem Einsatz die Weiterentwicklung. Die USA – auch das Saudi Arabien der Kohle genannt – betreiben mit allen eine enge Kooperation, insbesondere auf dem Sektor der Brennstoffentwicklung.

Der heutige Stand, ist das Ergebnis von 11 Jahren Entwicklung am INL und ORNL. Wobei diese Forschung, schon auf den deutschen Ergebnissen aus den 1980er Jahren aufbauen konnte. Dies nur mal so am Rande, wie lang Entwicklungszeiträumen in der Kerntechnik dauern. Dabei handelt es sich hier nur um ein Teil – dem Brennelement – eines neuen, gasgekühlten Hochtemperaturreaktors. Alle Teile koppeln aber später im Betrieb gegenseitig aufeinander zurück. Erinnert sei nur, an das Einfahren der Steuerstäbe in den Kugelhaufenreaktor in Hamm-Üntrop, welches zu unerwartetem Verschleiß geführt hatte. Die hier beschriebenen TRISO-Elemente waren drei Jahre zur Bestrahlung in einem Testreaktor (im Advanced Test Reactor des INL). Ziel war ein Abbrand von etwa 20%. Dies entspricht etwa dem doppelten Wert, der damals in Deutschland verwendeten Brennelemente. Je höher der Abbrand ist, um so mehr Spaltprodukte sind in den Brennelementen vorhanden und um so höher war die Strahlenbelastung.

Nach der Bestrahlung wurden sie in einem Ofen auf die Testtemperatur erhitzt. Hauptzweck eines solchen Versuches ist, zu messen, wieviel Spaltprodukte, von welcher Sorte, „ausgeschwitzt“ werden und wie stark die anderen Eigenschaften (Festigkeit, Korrosion etc.) nachlassen. Aus solchen Versuchen kann man wertvolle Erkenntnisse für die Optimierung des Herstellungsprozesses ableiten. Die Meßergebnisse sind so positiv, daß man sogar Tests bei noch höheren Temperaturen erwägt. Wichtig für die Sicherheitstechnik ist, daß bereits die jetzigen Temperaturen etwa 200 Grad über den möglichen Höchsttemperaturen bei einem Störfall liegen.

Unterschiede zu konventionellen Brennelementen

Ein Brennelement enthält den Spaltstoff (Uran, Plutonium) und soll später die bei der Kernspaltung entstehenden Produkte möglichst gut festhalten. Das Brennelement muß gekühlt werden. Bei einem Leichtwasserreaktor ist das Kühlmittel auch das Arbeitsmedium (Dampfturbine). Bei einem klassischen Hochtemperaturreaktor, dient Helium als Wärmeübertrager zwischen den Brennelementen und dem eigentlichen Dampfkreislauf. Verwendet man Helium als Kühlmittel und wünscht trotzdem ein thermisches Neutronenspektrum, benötigt man noch einen zusätzlichen Moderator. Diese Funktion übernimmt der Kohlenstoff in den TRISO-Elementen.

Ein Brennelement eines Druck- oder Siedewasserreaktors besteht aus vielen einzelnen Brennstäben (üblich 14 x 14 und 17 x 17). Jeder Brennstab ist mit Tabletten (kleine Zylinder mit etwa 1 cm Durchmesser und Höhe) aus Uranoxid gefüllt. Die Hülle besteht aus einem beidseitig verschlossenen Rohr aus einer Zirkonlegierung. Uranoxid ist in Wasser praktisch unlöslich und hat einen hohen Schmelzpunkt von über 2800 °C. Dies erscheint sehr hoch, kann aber relativ schnell im Innern eines Brennstabs erreicht werden, da Uranoxid ein schlechter Wärmeleiter ist. Es kommt deshalb bei einem Verlust des Kühlwassers – wie in Harrisburg und Fukushima – partiell zur „Kernschmelze“. Infolgedessen reagiert die Brennstabhülle mit Wasserdampf bei hoher Temperatur und es bilden sich beträchtliche Mengen Wasserstoff, die in Verbindung mit Luft explodieren können. Die ursprünglich im Brennstab zurückgehaltenen Spaltprodukte können freigesetzt werden. Dabei ist zu beachten, daß viele Spaltprodukte bei den hohen Temperaturen gasförmig sind. Sie breiten sich deshalb zumindest im Reaktor aus. Dies führt zu einer erheblichen Strahlenbelastung, die menschliche Eingriffe für lange Zeit unmöglich macht. Man muß also längere Zeit warten, bis man mit den Aufräumarbeiten beginnen kann. Dies war das Problem in Harrisburg und ist heute das Problem in Fukushima.

Die Kombination Uranoxid, eingeschweißt in einer Hülle aus einer Zirkonlegierung (Zirkalloy) ist für den „normalen“ Betrieb eine sehr gute Lösung. Solche Brennelemente sind sogar für Jahrzehnte problemlos in Wasserbecken oder Spezialbehältern (trocken) lagerbar. Anders verhält es sich, wenn sie – insbesondere aus dem vollen Betrieb heraus – „trocken fallen“: Die Temperatur des Brennstabs steigt sofort über den gesamten Querschnitt an. Dies liegt an der relativ gleichmäßigen Verteilung der Spaltprodukte (Nachzerfallswärme) und der schlechten Wärmeleitung von Uranoxid. Der Brennstab fängt regelrecht an zu glühen und kann in seinem Inneren bereits aufschmelzen. Ohne den Phasenübergang von Wasser zu Dampf (Verdampfungsenthalpie) ist der gewaltige Wärmestrom (dafür reicht schon die Nachzerfallswärme kurz nach Abschaltung) nicht aus dem Brennstab zu transportieren. Mit anderen Worten: Ist der Brennstab erst einmal von Dampf umgeben, heizt er sich immer weiter auf. Nun setzen zwei fatale Prozesse ein: Infolge der steigenden Temperatur verliert das Brennelement seine mechanische Festigkeit und das Material der Brennstoffhülle „verbrennt“ im heißen Wasserdampf und produziert dadurch beträchtliche Mengen Wasserstoff. In diesem Moment wird ein Teil der vorher eingeschlossenen radioaktiven Stoffe zumindest im Reaktordruckgefäß (Unfall in Harrisburg) oder sogar im Sicherheitsbehälter (Fukushima) freigesetzt. Die produzierte Menge Wasserstoff kann so groß sein, daß sie ein ganzes Kraftwerk zerstört. Die Bilder von der Explosion in Fukushima sind hinlänglich bekannt. Ist das passiert, wird auch eine beträchtliche Menge radioaktiver Stoffe in die Umwelt freigesetzt.

Man kann also zusammenfassend sagen: Die Konstruktion der Brennelemente eines Leichtwasserreaktors funktioniert nur so lange, wie sie ständig von flüssigem Wasser umgeben sind. Sind sie nicht mehr vollständig von Wasser benetzt, nimmt die Katastrophe innerhalb von Sekunden ihren Lauf und endet – zumindest – im Totalschaden des Reaktors. Die Sicherheit steht und fällt mit der Aufrechterhaltung einer „Notkühlung“. Ein „trocken fallen“ muß sicher verhindert werden. Dabei spielt es keine Rolle, ob dies von außen ausgelöst wird (Tsunami), durch technisches Versagen im Kraftwerk (Rohrbruch) oder auch durch menschliches Versagen (Bedienungsfehler). In diesen Zusammenhängen liegt die Begründung für die passiven Sicherheitseinrichtungen bei Reaktoren der sog. Generation III+.

Das TRISO-Konzept

Beim Tristructural-isotropic (TRISO) Brennstoff geht man nicht von einer Tablette mit einem Durchmesser von etwa 1 cm als Baustein aus, sondern von winzigen Körnern, im Bereich von zehntel Millimetern. Diese Körnchen werden mit vier Schichten umhüllt und besitzen anschließend einen Durchmesser von etwa einem Millimeter. Die erste Schicht besteht aus porösem Kohlenstoff. Sie kann wie ein Schwamm die Ausdehnungen des Brennstoffkerns ausgleichen und kann aus ihm entwichene Spaltprodukte (Gase) aufnehmen. Diese Schicht ist von einer weiteren Schicht aus dichtem pyrolitischem Kohlenstoff (PyC) umgeben. Nun folgt eine Schutzschicht aus Siliziumkarbid (SiC). Dieses Material ist sehr hart und chemisch widerstandsfähig. Außen folgt eine weitere Schicht Kohlenstoff. Ein solches Korn „Verbundwerkstoff“ ist gleichzeitig nahezu unzerbrechlich und äußerst temperaturbeständig. In diesem „Tresor“ sind Spaltstoff und Spaltprodukte für Jahrzehnte fest eingeschlossen. In Deutschland plante man die „abgebrannten“ Kugeln in Edelstahlbehälter einzuschweißen und diese dann in ein Endlager zu bringen.

Aus diesen kleinen TRISO-Körnern kann man in einem weiteren Verfahrensschritt handhabbare Brennelemente „backen“. Bei einem Kugelhaufenreaktor sind das etwa Tennisball große Kugeln aus solchen TRISO-Körnern, die durch weiteren Kohlenstoff miteinander verbunden sind. Das erforderliche Verhältnis, ist durch die Neutronenphysik vorgegeben, da bei diesem Reaktortyp der Kohlenstoff auch die Funktion des Moderators übernehmen muß. Das durch den Kugelhaufen strömende Helium dient nur dem Wärmetransport. Da weder Zirkalloy, noch Wasser vorhanden ist, kann bei einem Störfall auch keine größere Menge Wasserstoff gebildet werden. Eine Explosion, wie im Kraftwerk Fukushima, wäre ausgeschlossen.

Wie diverse Versuche mit Kugelhaufenreaktoren eindrucksvoll gezeigt haben, sind sie „inhärent sicher“. In China hat man beispielsweise in einem öffentlichen Versuch dem Reaktor bei voller Leistung die Wärmesenke entzogen. Der Reaktor „ging von alleine aus“ und verharrte in einem stabilen Zustand. Die Kettenreaktion wurde durch den extrem negativen Temperaturkoeffizienten des Reaktorgraphit und dem Dopplereffekt des Brennstoffs augenblicklich unterbrochen. Durch die Nachzerfallswärme verharrt der Reaktor in diesem „überhitzten Zustand“ für viele Stunden, ohne jedoch eine für den Brennstoff kritische Temperatur zu überschreiten (Eine maximale Brennstofftemperatur von 1600 °C wurde nach drei Tagen erreicht). Der Reaktor blieb unbeschädigt und konnte nach dem Versuch wieder in Betrieb gesetzt werden. Diese Demonstration war wichtig, da dieser Reaktortyp unmittelbar in Raffinerien als Wärmequelle eingesetzt werden soll.

Ein Reaktor mit TRISO-Brennstoff und Helium als Kühlmittel macht hauptsächlich zur Erzeugung von Hochtemperatur-Prozeßwärme Sinn. Der gegenüber Leichtwasserreaktoren höhere Kapitalaufwand, wiegt die Brennstoffeinsparung durch höhere Wirkungsgrade bei der Stromerzeugung nicht auf. Bei kleinen Reaktoren dieses Typs, ist wegen des günstigen Verhältnisses von Volumen zu Oberfläche, eine „Notkühlung“ nicht notwendig. Die geringe Leistung (einige Hundert Megawatt) ist für die Anwendung „Prozeßwärme“ kein Nachteil, da der Bedarf von Hochtemperaturwärme an einem Standort ohnehin begrenzt ist. Wegen der relativ geringen Stückzahlen ist eine Wiederaufbereitung eher unwirtschaftlich. Die Stabilität der TRISO-Elemente kommt einer direkten „Endlagerung“ entgegen. Geschieht diese rückholbar, kann das irgendwann bei Bedarf geschehen.

Wie in Deutschland eindrucksvoll gezeigt wurde, eignet sich dieses Reaktorkonzept hervorragend, um Thorium nutzbar zu machen. Bei Kugelhaufen ist eine Anreicherung von 8 bis 10% Spaltmaterial und für das US-Konzept der Prismenanordnung von 14 bis 19% erforderlich. Es wäre sogar eine Verwendung von „teilaufgearbeitetem“ Leichtwasserbrennstoff möglich. Wegen des hohen Abbrandes wären hiermit etwa 70% des vorhandenen „Atommülls“ nutzbar. Ein Konzept, ähnlich dem koreanischen DUPIC-Verfahren (Nachnutzung in Schwerwasserreaktoren).