AG Nuklearia/Schneller Reaktor

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Du bist für Kernenergie, willst aber mit der Piratenpartei nichts zu tun haben? Du bist Pirat, willst aber mit Kernenergie nichts zu tun haben? Die gute Nachricht: Die Nuklearia ist jetzt ein unabhängiger Verein. Mehr dazu hier: Nuklearia e.V.. Die AG Nuklearia in der Piratenpartei bleibt bestehen. Nuklearia-Gruppen in weiteren Parteien sind angedacht.
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Der Schnelle Reaktor

Ein Kernreaktor, der mit schnellen Neutronen arbeitet, heißt Schneller Reaktor. Es gibt unterschiedliche Reaktortypen, die alle in die Klasse der Schnellen Reaktoren fallen. Je nach Bauweise arbeitet ein solcher Reaktor als Schneller Brüter, Schneller Brenner oder er erzielt Break-Even als Grenzfall zwischen beiden.

Unter schnellen Neutronen versteht man solche, die die hohe Geschwindigkeit, die ihnen bei der Freisetzung durch Spaltung eines Kerns mitgegeben wurde, beibehalten haben. Langsame oder thermische Neutronen dagegen wurden so stark abgebremst, dass ihre Bewegungsenergie der thermischen Energie der umgebenden Atome entspricht. Damit eine Kettenreaktion aufrecht erhalten werden kann, müssen die Neutronen in einem Reaktor entweder schnell oder thermisch sein, der dazwischenliegende Bereich ist ungeeignet, da in ihm die Spaltstoffkerne zu wenig neue Neutronen pro eingefangenem Neutron freisetzen. Gegenwärtig sind die meisten kommerziellen Leistungsreaktoren thermische Reaktoren mit langsamen Neutronen.

Thermische Neutronen im Leichtwasserreaktor

Im herkömmlichen Leichtwasserreaktor werden die bei einer Kernspaltung freiwerdenden Neutronen durch das die Brennelemente umgebende Wasser bis in den thermischen Bereich abgebremst. Sie können Uran-235 spalten und dadurch Energie freisetzen. Gleiches gilt mit Einschränkungen für Plutonium-239, das in Leichtwasserreaktoren während des Betriebs entsteht, aber für sie ein nur mittelmäßig geeigneter Spaltstoff ist, da es in einem relativ ausgedehnten Energiebereich am oberen Ende des thermischen Spektrums sehr wenige Neutronen pro eingefangenem Neutron freisetzt. Ein Leichtwasserreaktor produziert mehr Plutonium, als er verbraucht: Ein Brennelement, das nach ca. drei Jahren aus dem Reaktor entfernt wird, enthält etwa ein Prozent Plutonium. Daran sieht man, dass für die Erzeugung von kernwaffenfähigem Material kein Schneller Reaktor notwendig ist: Genaugenommen ist überhaupt kein Reaktor notwendig, da eine einfache "Kanonenrohr-Atombombe" (Hiroshima-Typ) bereits mit hochangereichertem Uran-235 hergestellt werden kann. Neben Plutonium-239 entstehen weitere, noch schwerere Elemente, die Transurane. Sie sind durch thermische Neutronen nicht spaltbar, strahlen stark und sehr lange und machen dadurch den besonders unangenehmen Teil abgebrannter Brennelemente aus.

Schnelle Neutronen im Schnellen Reaktor

Hier kommen die schnellen Neutronen ins Spiel, denn schnelle, ungebremste Neutronen können Transurane spalten. Dazu muss ein Reaktor her, der die Neutronen nicht abbremst, was bedeutet, dass möglichst alle Substanzen mit geringem Atomgewicht aus ihm ferngehalten werden sollten: Je schwerer ein Kern, desto weniger Energie verliert ein mit ihm kollidierendes Neutron. Wassergekühlte Reaktoren scheiden also aus. Geeignete Kühlmittel sind Helium (da es zwar ein niedriges Atomgewicht hat, aber aufgrund seiner geringen Dichte nur eine schwache Abbremsung der Neutronen hervorruft) oder flüssige Metalle. Als besonders praktisch und gut in der Handhabung hat sich flüssiges Natrium erwiesen, auch wenn Gegner hier gern die hohe chemische Reaktivität von Natrium mit Wasser ins Feld führen. Aber Wasser hat ja – siehe oben – ohnehin nichts im Schnellen Reaktor verloren. Zuweilen werden auch Gemische von Blei und Bismuth eingesetzt (vor allem bei sowjetischen/russischen militärischen Reaktoren). Diese haben aber neben ihrer unpraktisch hohen Dichte den Nachteil, mit anderen Metallen aggressiv zu reagieren, was insbesondere bei den sowjetischen U-Booten der Alfa-Klasse zu Problemen mit dem Antriebsreaktor führte. Natrium dagegen verhält sich anderen Metallen gegenüber völlig inert. Da Helium eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweist und darüber hinaus im Reaktor unter erhöhtem Druck stehen muss, ist Natrium die optimale Wahl.

Schneller Brüter, schneller Brenner

Der Brennstoff des Schnellen Brüters ist Uran-238. Es hat einen Anteil von 99,3 Prozent am Natururan und nutzt dieses daher besonders gut aus. Das Uran-238 lässt sich allerdings nicht direkt verwenden, weil es nicht effektiv spaltbar ist. Der Reaktor muss es zunächst durch Neutroneneinfang über die Zwischenstufen Uran-239 und Neptunium-239 in Plutonium-239 umwandeln. Damit haben wir ein spaltbares Material und können die Kettenreaktion aufrechterhalten, Neutronen zum Spalten der Transurane produzieren und somit auch daraus Energie gewinnen.

Da das zum Brüten benutzte Neutron der Kettenreaktion entzogen wurde, muss ein Brutreaktor eine gute Neutronenökonomie mit möglichst vielen freigesetzten Neutronen pro im Spaltstoff absorbiertem Neutron aufweisen. Bei Nutzung des Uran-Plutonium-Brutzyklus erfordert dies ein schnelles Neutronenspektrum, da im thermischen Bereich zu wenige Neutronen freigesetzt werden. Der Thorium-Uran-Zyklus dagegen erlaubt mit etwas Geschick auch die Konstruktion eines thermischen Brüters, da Uran-233 (der aus Thorium-232 erbrütete Spaltstoff) im langsamen Spektrum von allen Spaltstoffen die höchste Neutronenregenerationsrate aufweist.

Man kann einen Schnellen Reaktor durch seine Geometrie unterschiedlich konfigurieren:

  • Produziert der Reaktor mehr Plutonium, als er für seinen eigenen Betrieb braucht – zum Beispiel zum Starten weiterer Schneller Reaktoren –, spricht man von einem Schnellen Brüter.
  • Verbraucht der Reaktor mehr Plutonium als er produziert – zum Beispiel zum Vernichten bestehender Kernwaffen oder langlebiger Reaktorabfälle aus thermischen Reaktoren –, nennt man ihn einen Schnellen Brenner.
  • Als Grenzfall dazwischen kann auch Break-Even erzielt werden, so dass die Menge an Transuranen im Reaktor zeitlich konstant bleibt.

Natrium-Kühlung

Manche Menschen haben starke Vorbehalte gegen Schnelle Reaktoren, weil die Kühlung durch flüssiges Natrium erfolgt. Sie wissen noch aus dem Chemieunterricht, daß Natrium stark mit dem Sauerstoff in der Luft oder im Wasser reagiert. Flüssiges Natrium hat jedoch ganz hervorragende Eigenschaften als Kühlmittel in Schnellen Reaktoren. So ist Natrium ein ausgezeichneter Wärmeleiter und verträgt sich sehr gut mit dem Stahl des Reaktorbehälters, der Pumpen, Rohrleitungen usw. Hatte man in den 1950er Jahren bei Schnellen Reaktoren vor allem Quecksilber oder NaK (Natrium-Kalium-Legierung) als Kühlmittel verwendet, sind alle seit 1960 gebauten Schnelle Reaktoren an Land natriumgekühlt – aus Gründen. (Die Antiatompiraten behaupten zwar in diesem Blogbeitrag das genaue Gegenteil, doch das ist schlicht falsch, wie man leicht recherchieren kann. Siehe auch den untenstehenden Link zu "Sodium as a Fast Reactor Coolant".)

Dem Risiko von Natriumbränden beugen entsprechende technische Maßnahmen vor, mit denen man in einigen hundert Reaktorbetriebsjahren Erfahrungen gesammelt hat. Natriumbrände sind dennoch durchaus vorkommen, doch hielten sich die Schäden jedesmal in Grenzen, ließen sich reparieren und blieben ohne Folgen für Mensch und Umwelt. Beim russischen Schnellen Brüter BN-600, der seit 1982 im Kernkraftwerk Beloyarsk läuft, gab es insgesamt 27 Natriumbrände. Das spricht einerseits nicht gerade für die eingesetzten technischen Komponenten und Verfahren, andererseits zeigt es, daß Natriumbrände keineswegs zwangsläufig die katastrophalen Folgen nach sich ziehen, die immer wieder postuliert werden. Der BN-600 läuft heute noch, der Nachfolger BN-800 ist im Bau.

Die gute Handhabbarkeit von Natriumlecks liegt nicht zuletzt daran, daß man natriumgekühlte Reaktoren bei Normaldruck betreibt und nicht unter dem gewaltigen Überdruck eines wassergekühlten Reaktors. Bei einem Leck tropft oder fließt das Kühlmittel nur relativ langsam heraus. Es schießt nicht explosionsartig in die Umgebung und dehnt sich nicht schlagartig auf das Tausendfache seines Volumen aus, wie dies bei einem Leichtwasserreaktor der Fall wäre.

Einen ausführlichen und noch dazu gut lesbaren Überblick über Theorie und Praxis vom Natrium als Kühlmittel gibt diese Präsentation des Argonne National Laboratories:

Integral Fast Reactor (IFR)

Der Integral Fast Reactor (IFR) ist ein Schneller Reaktor und neben dem Dual Fluid Reactor (DFR) und dem Thorium-Flüssigsalzreaktor einer der von der Nuklearia favorisierten Reaktortypen der Generation IV. Mehr dazu hier:

Dual Fluid Reactor (DFR)

Der Dual Fluid Reactor (DFR) ist ist ein Schneller Reaktor und neben dem Integral Fast Reactor (IFR) und dem Thorium-Flüssigsalzreaktor einer der von der Nuklearia favorisierten Reaktortypen der Generation IV. Mehr dazu hier:

Weitere Einzelheiten


News

2014

2013

2012

  • U.S. Dept. of Energy official: Next generation of nuclear can be even safer, Mark Halper, Weinberg Foundation, 2012-12-11 – Das US-Energieministerium interessiert sich für natriumgekühlte Schnelle Reaktoren, gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren und Thorium-Flüssigsalzreaktoren.
  • Nuclear energy: Radical reactors, M. Mitchell Waldrop, Nature, 2012-12-05 – Das Magazin "Nature" mit einem ausgezeichneten Artikel über moderne Reaktortypen und die Geschichte der Kernenergie. "For decades, one design has dominated nuclear reactors while potentially better options were left by the wayside. Now, the alternatives might finally have their day."
  • Russia speeds up nuclear investment, World Nuclear News, 2012-11-22 – Rußlands Nuklearstrategie bis 2050 sieht die Umstellung auf inhärent sichere Kernkraftwerke mit Schnellen Reaktoren und einem geschlossenen Brennstoffkreislauf mit MOX-Brennelementen vor. Ab 2016 soll mit dem BREST-300 ein bleigekühlter Schneller Reaktor als Pilotanlage gebaut werden. Der BREST-300 soll 300 MW elektrischer Leistung liefern und Vorläufer einer landesweiten Flotte von 1.200-MW-Reaktoren sein.
  • How U.S.-European Cooperation Can Deliver Cheaper, Safer Nuclear Energy, The Breakthrough, Jessica Lovering, Barry Brook, Max Luke, 2012-11-16 – Moderne Kernreaktoren der Generation IV stehen bereit, doch für ihren Einsatz müssen Staaten die Voraussetzungen schaffen.
  • Work starts on metallic fuel reactor at Kalpakkam, TwoCircles.net, 2012-11-12 – Indien will in Kalpakkam einen Schnellen 120-MW-Versuchsreaktor mit metallischem Brennstoff bauen, den MFTR (Metallic Fuel Test Reactor). Er ist Teil von Indiens Forschungs- und Entwicklungsprogramms zum Bau Schneller Reaktoren.

Hintergrundinformationen

Informationen der International Atomic Energy Agency (IAEA)

Rußlands Nuklearprogramm

  • Russia speeds up nuclear investment, World Nuclear News, 2012-11-22 – Rußlands Nuklearstrategie bis 2050 sieht die Umstellung auf inhärent sichere Kernkraftwerke mit Schnellen Reaktoren und einem geschlossenen Brennstoffkreislauf mit MOX-Brennelementen vor. Ab 2016 soll mit dem BREST-300 ein bleigekühlter Schneller Reaktor als Pilotanlage gebaut werden. Der BREST-300 soll 300 MW elektrischer Leistung liefern und Vorläufer einer landesweiten Flotte von 1.200-MW-Reaktoren sein.

Indiens Nuklearprogramm

 

Die AG Nuklearia ist eine Arbeitsgruppe innerhalb der Piratenpartei Deutschland und ein Zweig des Nuklearia e.V.. Die auf dieser und den übrigen Seiten der AG Nuklearia genannten Behauptungen haben wir nach bestem Wissen und Gewissen recherchiert. Meinungen und Bewertungen sind, soweit nicht anders erwähnt, unsere eigenen. Sie stimmen i.d.R. nicht mit denen der Piratenpartei Deutschland überein.
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