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AG Nuklearia/Kernkraftwerke von morgen und übermorgen

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Inhaltsverzeichnis

Übersicht

Die Nukleartechnik ist nicht bei den derzeit in Deutschland laufenden Leichtwasserreaktoren stehengeblieben. Moderne, heute gebaute Kernkraftwerke zeichnen sich durch ein hohes Maß an passiver Sicherheit aus und können auch einen totalen Stromausfall längere Zeit überstehen. Die Zukunft verspricht ganz neue Reaktortypen, die ihren Kernbrennstoff um ein Vielfaches besser ausnutzen und erheblich weniger Atommüll produzieren, der noch dazu nur noch wenige hundert Jahre sicher gelagert zu werden braucht. Mehr dazu auf dieser Seite.

Moderne Kernkraftwerkdesigns

Wie sicher oder unsicher ein Kernkraftwerk ist, hängt wesentlich vom Design des Reaktors und der gesamten Anlage ab. Aktuelle Kraftwerkdesigns verfügen über ein hohes Maß an passiver Sicherheit und können auch bei völligem Stromausfall für längere Zeit klarkommen.

Generation IV International Forum (GIF)

Das Generation IV International Forum ist eine internationale Forschungs- und Entwicklungsgemeinschaft aus dreizehn Mitgliedstaaten sowie der Euratom. Ihr Ziel ist es, Kernreaktoren der nächsten Generation zu entwickeln. Dazu hat man die sechs vielversprechendsten Ansätze ausgewählt, um sie zur technischen Reife zu bringen. Man peilt eine kommerzielle Verfügbarkeit der neuen Systeme zwischen 2015 bis 2030 oder später an.

Designziele für Kernkraftwerke der Generation IV

Inhärente Sicherheit

Anders als bei den verbreiteten Leichtwasserreaktoren soll die Reaktorsicherheit nicht durch aktives Eingreifen von außen, sondern durch die Physik des Reaktors selbst gewährleistet werden. Die Kühlung erfolgt passiv, durch Konvektion und Wärmeleitung, nicht durch die Arbeit von Pumpen. Durch die Wahl der Geometrie des Reaktionsgefäßes und der Materialien werden physikalische Bedingungen geschaffen, die ein Schmelzen des Reaktorkerns prinzipiell unmöglich machen.

Effektive Ressourcennutzung und Elimination von langlebigem Kernmüll

Brütertechnik ermöglicht die komplette Nutzung des Urans, auch des U-238, das über 99 Prozent des natürlichen Urans ausmacht. Dies erlaubt eine Erhöhung der Energieausbeute um einen Faktor von bis zu 150! Langlebige Transurane, die bei heutigen Leichtwasseerreaktoren den problematischen Teil des Kernmülls ausmachen, lassen sich innerhalb des Reaktors durch Transmutation mithilfe schneller Neutronen in kurzlebigere Spaltprodukte umwandeln. Deren Halbwertszeiten sind so kurz, dass die Aktivität des resultierenden Kernmülls bereits nach wenigen hundert Jahren deutlich unter die von natürlichem Uranerz abgesunken ist. Auch die Transmutation von bestehenden radioaktiven Abfällen kann so ermöglicht werden – bei gleichzeitiger Stromproduktion.

Erhöhte Proliferationssicherheit

Der Brennstoffzyklus soll so ausgelegt werden, dass es extrem kompliziert oder sogar praktisch unmöglich wird, waffenfähiges Material abzuzweigen.

Serienproduktion

Kernkraftwerke der zweiten Generation sind im wesentlichen Unikate. Zukünftige Anlagen sollen dagegen standardisiert in Masse gefertigt werden - ähnlich wie z. Bsp. Autos. Hierbei sollen die Produktionsabläufe auch in hohem Maße automatisiert werden.

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Zukünftige Kraftwerksdesigns (gestaffelt nach zeitlicher Realisierbarkeit)

Hoch- und Höchsttemperaturreaktor

Diese Reaktoren werden mit Gasen (meist Helium) gekühlt und mit Graphit moderiert. Eine besonders gut erforschte Variante ist der Kugelhaufenreaktor, bei dem der Spalt- und eventuell Brutstoff (Th 232 beim Thorium-HTR) zusammen mit Graphit zu tennisballgroßen Kugeln gepresst wird, die dem Reaktor kontinuierlich von oben zugeführt und von unten entnommen werden.

Vorteile

  • Niedrige Energiedichte, daher sehr "gutmütiges" Verhalten bei Änderung der Betriebsparameter.
  • Kern kann so gebaut werden, dass selbst bei Komplettausfall der Kühlung kein Schmelzen möglich, da die Wärme effizient genug passiv abgegeben werden kann.
  • Da Kühlmittel gasförmig ist kann es keine weitere Phasenumwandlung durchmachen.
  • Die erzeugte Prozesswärme kann genutzt werden zum Entsalzen von Meerwasser oder für chemische Prozesse, z. Bsp. Wasserstoffgewinnung.
  • Kleine, modulare Einheiten mit 100 - 200 MW für dezentrale Energieversorgung sind möglich.

Entwicklungsstand

Schon mehrere Prototypen gebaut, u. a. in Deutschland und Japan.

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Integral Fast Reactor (IFR)

Der IFR ist ein schneller Brüter, bei dem eine Aufbereitungsanlage direkt ins Kraftwerk integriert ist. Diese basiert auf einem elektrochemischen Verfahren, dem sogenannten Pyroprocessing, das es erlaubt, Schwermetalle und leichte Spaltprodukte voneinander zu trennen. Der Spalt- und Brutstoff, der metallisch (nicht als Oxid) vorliegt, zirkuliert zwischen den Reaktoren und der Aufbereitungsanlage, in der die kurzlebigen Spaltprodukte abgetrennt und in Glas eingegossen werden. Uran, Plutonium und die anderen schweren Transurane wandern zurück in die Reaktoren, so lange bis sie vollständig aufgebraucht sind. Die resultierenden Abfälle strahlen nach wenigen Jahrhunderten schwächer als natürliches Uranerz. Besonders interessant ist die Möglichkeit, den IFR mit dem schon vorhandenen Kernmüll aus Leichtwasserreaktoren zu betreiben, wodurch aus diesem die mehr als 100fache Energiemenge herausgeholt werden kann die das Material beim Einsatz in herkömmlichen Kernkraftwerken freisetzte und als endgültiges Abfallprodukt fast nur kurzlebige Nuklide übrigbleiben. Die langfristige Radiotoxizität des Kernmülls wird um Größenordnungen gesenkt, und zugleich werden enorme Mengen an klimaneutraler, sauberer Energie erzeugt. Diese Option bewog viele Umweltschützer wie Barry Brook, George Monbiot oder Mark Lynas sich für Entwicklung und Einsatz des IFR stark zu machen.

Es ist angestrebt, den Reaktor in Form serienproduzierbarer Module herzustellen, von denen jedes 100 - 200 MW(e) erzeugt. Dies erlaubt es, sie entweder als kleine Regionalkraftwerke einzusetzen, oder aber mehrere zu einem großen, zentralen Kraftwerk von 1 - 2 GW(e) zu kombinieren.

Vorteile

  • Wahrscheinlichkeit der Kernschmelze vernachlässigbar gering durch passive Kühlung. In den 1980ern wurden an der Versuchsanlage EBR-II (Experimental Breeder Reactor) absichtlich zwei Ausnahmesituationen herbeigeführt: Loss of flow without scram (Abschaltung der Primärkreislaufpumpen ohne Reaktorabschaltung - dies ist eine kritischere Situation als der Unfall in Fukushima, denn bei diesem gelang die Reaktorschnellabschaltung) und loss of heat sink without scram (Kompletter Verzicht auf Energieentnahme aus dem System ohne Abschaltung). Diese Situationen, die in einem herkömmlichen Leichtwasserreaktor rasch zu riskanter Kernüberhitzung führen würden, hatten keinerlei bedenklichen Konsequenzen - der Reaktor stabilisierte sich und keine einzige Systemkomponente wurde beschädigt. Diese herausragenden Sicherheitseigenschaften verdankt das System unter anderem dem als Metalllegierung vorliegenden Brennstoff, der zu einem stark negativen Temperaturkoeffizienten führt sowie den Eigenschaften des Natriumprimärkreislaufs, der auch bei Pumpenausfall durch Konvektion passiv weiter arbeitet.
  • Die Aufbereitungsanlage kann konstruktionsbedingt nicht zum Gewinnen von waffenfähigem Material genutzt werden. Aufgrund der elektrochemischen Eigenschaften der Transurane ist es nicht möglich, die Trennanlage so einzustellen, dass das Plutonium einzeln abgeschieden wird: es bleibt mit anderen Transuranen verunreinigt und ist dadurch zum Waffenbau ungeeignet.
  • Maximale Energieausbeute pro Tonne Uran (bis zu 150 mal mehr als durch Leichtwasserreaktoren).
  • Nutzung von abgereichertem Uran und Kernmüll als Brut- und Spaltstoff, was die fast komplette Umwandlung des Abfalls in kurzlebige Nuklide erlaubt.
  • Ähnlich wie beim Flüssigsalzreaktor steht das Kühlmittel (geschmolzenes Natrium) nicht unter Druck, wodurch es nicht zum "explosiven" Austritt kommen kann. Zwar reagiert Natrium aggressiv mit Wasser, doch der Dampferzeuger befindet sich nicht in der unmittelbaren Nähe des Reaktors, zwischen Primärkühlkreislauf (Natrium) und Dampfkreislauf ist ein Zwischenkreislauf (auch Natrium) geschaltet. Im japanischen Versuchsreaktor MONJU kam es einmal zu einem Natriumbrand, doch dieser konnte unter Kontrolle gebracht werden ohne das irgendwelche Schäden an den nuklearen Komponenten entstanden oder gar radioaktive Substanzen ausgetreten wären. Übrigens ist alternativ auch Kühlung mit Blei möglich (reagiert nicht mit Wasser), oder der Wasserdampfkreislauf (der die Turbine treibt) kann durch einen auf überkritischem Kohlendioxid beruhenden Kreislauf ersetzt werden.
  • Natrium reagiert nicht mit anderen Metallen, weswegen an den Reaktorkomponenten kaum Verschleißerscheinungen auftreten.
  • Erfahrungen am EBR-II haben gezeigt, dass die Strahlenbelastung des Kraftwerkspersonals weniger als 10% der Belastung bei herkömmlichen thermischen Reaktoren entspricht.

Entwicklungsstand

In den 1980er und frühen 90er Jahren in den USA fast fertig entwickelt, nachdem die Brütertechnik 30 Jahre lang an der Versuchsanlage EBR-II mit großem Erfolg getestet wurde. 1994 mußte die Forschung unterbrochen werden, da die Clinton-Administration die Fördermittel einstellte. Inzwischen ist das Projekt von mehreren Firmen und dem Argonne Laboratory wieder aufgeriffen worden, um den Reaktor unter dem Namen PRISM (Power Reactor Innovative Small Module) zur Marktreife zu entwickeln.

Weitere Informationen

Bücher

Einführende Artikel

Argonne National Laboratory Technical Reports

Flüssigsalzreaktor (MSR, LFTR)

Bei diesen Reaktoren wird Spalt- und eventuell Brutstoff kontinuierlich als geschmolzenes Salz zugeführt. Es zirkuliert ständig durch den Reaktor - in das Reaktionsgefäß hinein und wieder hinaus. Dadurch dient es sowohl als "Treibstoff" wie auch als Kühlmittel.

Vorteile

  • Betrieb bei Normaldruck, dadurch keine Explosionsgefahr.
  • Hohe Arbeitstemperatur, dadurch hohe Effizienz bei der Stromerzeugung und Nutzung der Prozesswärme.
  • Die aufwendige und teure Anfertigung von Brennelementen entfällt, da der Kernbrennstoff als Salzschmelze zugeführt wird.
  • Die verwendeten Salze sind chemisch äußerst stabil.
  • Fällt die Kühlung aus und steigt die Temperatur, geht die Reaktivität zurück; das System regelt sich selbst.
  • Zusätzlich befindet sich unten im Reaktionsgefäß ein "Freeze Plug". Dieser Stopfen aus Salz wird durch ein Kühlgebläse dauernd kalt und damit fest gehalten. Fällt der Strom aus und die Temperatur steigt, schmilzt der Stopfen, und der gesamte Brennstoff fließt in Auffangbehälter, wo er sofort unterkritisch wird. Dies gewährleistet "Walk-away safety": Der Mechanismus wirkt wie die Totmannschaltung bei Lokomotiven, die bei fehlenden Steuerimpulsen den Zug automatisch anhält.
  • Spaltprodukte werden im Betrieb kontinuierlich abgeführt und gelangen selbst bei einem größeren Unfall nicht in die Umwelt.
  • ...dies wiederum hat zur Folge, dass sich, anders als bei festen Reaktorkernen, kein "neutronenschluckendes" Xenon 135 im Reaktor anreichern kann. Daraus resultieren extrem kurze Anfahrzeiten, die Start/Stop-Dauer eines MSR entspricht eher der eines konventionellen Wärmekraftwerks als der eines "herkömmlichen" Atomkraftwerks, was es ermöglichen könnte, MSRs nicht nur als Grundlastkraftwerke, sondern auch zum Abfahren von Leistungsspitzen einzusetzen.
  • Vorhandener Atommüll aus Leichtwasserreaktoren lässt sich als zusätzlicher Brennstoff beigeben (mit Schnellspektrum-Flüssigsalzreaktoren).
  • Es wird nur sehr wenig neuer Abfall erzeugt. Dieser ist vergleichsweise kurzlebig und hat nach einigen Jahrzehnten bis maximal 300 Jahren das Strahlungsniveau von Natururan erreicht.
  • Der »Atommüll« ist nicht einfach nur Müll. Er besteht zum einem großen Teil aus Stoffen, die sich anderweitig nutzen lassen, z.B. Xenon (Raumfahrt), Neodym (Windkraftanlagen :-)), Molybdän-99 (medizinische Diagnostik).

Entwicklungsstand

  • Mehrere Versuchsanlagen eines Molten Salt Reactors (MSR) in den USA seit den 1960er Jahren (allerdings nur thermisches Neutronenspektrum). In den frühen 1970er Jahren wurden diese Versuche eingestellt. Wie es dazu kam, erklärt Kirk Sorensen (Flibe Energy) im Google Techtalk.
  • Heute erlebt die alte Idee eine Renaissance und wird als Liquid-Fluoride Thorium Reactor (LFTR) propagiert. Computersimulationen zeigen, dass ein Schnellspektrum-LFTR die besten Eigenschaften haben sollte: Maximale Sicherheit (negativer Temperaturkoeffizient) und hohe Brutrate (Nachproduktion von U233 aus Th232).

Weitere Informationen

Populärwissenschaftliche Artikel, Schaubilder u. ä.

Wissenschaftliche Paper

Laufwellenreaktor

Ein Brüter, bei dem sich die Reaktionszone langsam durch den Reaktorkern aus Brutmaterial "frisst", ausgehend von einer "Zündstelle" mit Spaltstoff.

Vorteile

  • Kann fast die ganze Betriebszeit (mehrere Jahrzehnte) ohne menschliches Eingreifen arbeiten.
  • Kann wahrscheinlich inhärent sicher konstruiert werden (Meltdown nicht möglich)
  • Transmutationsfähig

Entwicklungsstand

Die Firma TerraPower möchte bis 2020 einen Laufwellenreaktor bis zur Serienreife entwickeln.

Weitere Informationen

Populärwissenschaftliche Artikel

Wissenschaftliche Paper

Energy Amplifier nach Carlo Rubbia/Accelerator-driven Nuclear Energy Systems

Ein subkritischer, beschleunigergetriebener Uran- oder Thoriumreaktor.

Vorteile

  • Wie bei einem Fusionsreaktor läuft die Reaktion nur dann ab, wenn "Antriebsenergie" (durch den Beschleuniger) zugeführt wird. Stromzufuhr aus -> Reaktor steht.
  • Kern kann passiv gekühlt gebaut werden -> auch durch Nachzerfallswärme kein Meltdown möglich.
  • Nur kurzlebiger (~ 300 Jahre) Kernmüll in geringen Mengen.
  • Rohstoffe werden optimal ausgenutzt. Energieversorgung der ganzen Menschheit auf europäischem Niveau für Jahrtausende möglich.

Entwicklungsstand

Theoretische Untersuchungen, Test des Prinzips bei Nullleistung, noch einige Forschungsarbeit nötig aber wahrscheinlich vor Fusionsreaktor realisierbar. Seit 2012 Versuchsanlage in Belgien.

Weitere Informationen

Fusionsreaktor

Energieerzeugung durch Verschmelzung leichter Kerne statt Spaltung schwerer.

Vorteile

  • Rohstoffe reichen praktisch ewig.
  • So gut wie kein Kernmüll.
  • Meltdown nicht möglich.
  • Auch bei völliger Zerstörung des Reaktors (nur durch externe Einwirkung möglich) nur geringe Freisetzung radioaktiver Stoffe.

Entwicklungsstand

Sehr viele Experimente (u.a. JET, ASDEX Upgrade und Wendelstein 7-X sowie der im Aufbau befindliche ITER), umfangreiche theoretische Analysen, aber noch nicht gewiss ab wann einsatzbereit.

Weitere Informationen

Medienberichte

Unternehmen

  • TerraPower konzipiert den Laufwellenreaktor (Travelling Wave Reactor), der hauptsächlich mit Uran-238 läuft und abgebrannte Brennelemente als Brennstoff verwenden kann. TerraPower will 2015 mit dem Bau eines Kraftwerks beginnen und es 2020 in Betrieb nehmen.
  • NuScale Power und Babcock & Wilcox wollen kleine, modulare und kostengünstige 45-MW-Kernreaktoren bauen und beantragen Zulassung durch NCR. Ein solcher Reaktor kann z.B. eine Insel versorgen, läßt sich aber auch zu mehreren zusammenschließen.
  • Flibe Energy will kleine, modulare Flüssigsalzreaktoren auf Thorium-Basis (LFTR = Liquid-Fluoride Thorium Reactor) entwickeln. Das flüssige Fluorid ist chemisch stabil und Brennstoff und Kühlmittel zugleich. LFTR arbeiten bei hoher Temperatur (Prozeßwärme), aber nicht bei hohem Druck (Sicherheit).
Von „http://wiki.piratenpartei.de/AG_Nuklearia/Kernkraftwerke_von_morgen_und_%C3%BCbermorgen“
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