Neue Entwicklungen in der Kernenergie

Ein alter Streit

Der jahrzehntelange Streit um die Kernenergie führte im Jahr 2000 zum Ausstiegsbeschluss der Bundesregierung (Tab. 2). Diese Entscheidung bedeutet das weitgehende Ende für Forschung und Entwicklung neuer Kraftwerkstypen, ein Bereich, in dem Deutschland bis dahin weltweit führend war. International hat das die Entwicklung nicht aufgehalten. Vor allem unter dem Aspekt der nachhaltigen Energieproduktion wird weltweit an neuen Konzepten gearbeitet. Es ist schließlich nicht sinnvoll, abgebrannte Brennelemente für alle Zeiten zu vergraben, wenn man durch geeignete Technologien den strahlenden "Müll" mehrfach zur Energieerzeugung nutzen kann.

In dem heute weit verbreiteten Leichtwasserreaktorentyp werden entweder angereichertes Uran oder Uran-Plutonium-Gemische verbrannt. Dabei entstehen Plutonium, die minoren Actinide Neptunium, Americium und Curium und mehr als 60 Spaltprodukte, die zum Teil ebenfalls radioaktiv sind (Tab. 1).

Das mit thermischen, also langsamen Neutronen gespaltene U‑235 ist im Natururan nur zu 0,7% enthalten. Zur Herstellung der Brennstäbe wird es mühsam auf bis zu 4,5% angereichert. Der "Rest" eines Brennstabes besteht aus dem Isotop U-238, das mit thermischen Neutronen nicht spaltbar und damit nutzlos ist. Allerdings fängt es in geringem Maße Neutronen ein und erhöht so seine Massenzahl um 1 auf U-239, das dann sehr schnell unter Abgabe je eines Elektrons zu Neptunium (Np-239) und dieses wiederum zu Plutonium (Pu-239) zerfällt.

Neue Konzepte

Mit Leichtwasserreaktoren werden weniger als zehn Prozent des eingesetzten Brennstoffes verbraucht. Der "Rest" wandert ins Endlager. Das ist weder nachhaltig noch energetisch sinnvoll. Diese Erkenntnis hat schon sehr früh zu der Überlegung geführt, Uran-238 mit schnellen Neutronen zu beschießen, um daraus spaltfähigen Brennstoff zu erbrüten. Heute ist die Uranausnutzung in Schnellen Brütern – so genannt wegen der schnellen, energiereichen Neutronen, die hier erzeugt werden – theoretisch bis zu 60-mal höher als in herkömmlichen Kernreaktoren, da sie aus U-238 mehr neuen Brennstoff Pu-239 erbrüten, als sie an U-235 verbrennen. Es war der Beginn der Idee einer Kreislaufwirtschaft in der Kernenergie. In den Konzepten der 1970er-Jahre war der in Kalkar gebaute Schnelle Brüter neben einer Wiederaufbereitungsanlage auch in Deutschland als notwendiger Teil des Brennstoffkreislaufes vorgesehen, um die endlichen Uranvorkommen möglichst effizient zu nutzen. Dieses Konzept wurde wegen der mangelnden Akzeptanz in der Bevölkerung verworfen.

International wird an mehreren Strategien geforscht, Reaktoren zu konstruieren, die brennstoffsparend sind, kaum Atommüll produzieren und unterkritisch (inhärent) sind, sodass sie auch bei Bedienungsfehlern nicht havarieren können. Ende der 1980er-Jahre hatte der Italiener Carlo Rubbia als Alternative zum Schnellen Brüter sein Konzept eines unterkritischen Reaktors, der von einem starken Protonenbeschleuniger angetrieben wird, vorgestellt – das Rubbiatron. Es soll in jeder Phase seines Betriebes beherrschbar sein, indem der Kernspaltungsprozess durch Knopfdruck sofort zum Stillstand kommt.

Im Rubbiatron wird ein Protonenstrahl auf ein sogenanntes Spallationstarget (Spaltungsziel) gerichtet, z. B. flüssiges Blei. Jedes von einem Proton getroffene Bleiatom gibt 20 bis 30 Neutronen ab. Diese treffen auf Thoriumoxid, dem radioaktive Abfälle aus Kernreaktoren beigemischt sind (neben U-238 auch Pu-239; s. o.). Thorium-232 hat einen sehr geringen Wirkungsquerschnitt (das ist die Wahrscheinlichkeit, dass im Atom eine Wechselwirkung mit einem einfallenden Teilchen stattfindet) von 3 Mikrobarn (daher auch die extrem lange Halbwertszeit von 14,1 Mrd. Jahren). Durch Neutroneneinfang kann Th-232 zu Uran-233 transmutieren, das einen Wirkungsquerschnitt von 530 Barn besitzt, also leicht spaltbar ist. U-233 kann in einem Kernreaktor verbrannt werden, wobei es Neutronen aussendet, die dann wiederum Th‑232 in U-233 umwandeln.

Unbegrenzter Brennstoffzyklus

Das Rubbiatron ist ein Hybridreaktor, ein gekoppeltes System mit einem prinzipiell unbegrenzten Brennstoffzyklus. Die letztlich verbleibende Radioaktivität wäre bei der Erzeugung vergleichbarer Energiemengen nach 600 Jahren etwa zehntausendfach geringer als im Fall eines konventionellen Kernreaktors. Der Streit um die Endlagerung wäre Geschichte.

Thorium kommt im Mineral Monazit vor und ist in der Erdkruste mit durchschnittlich 10 g/t enthalten, was etwa das Dreifache des Urans ist; unter den Elementen steht es hinsichtlich der Häufigkeit an 35. Stelle. Die verfügbaren 600.000 t könnten im Rubbiatron 15.000 Terawatt elektrische Energie pro Jahr erzeugen. Das entspräche dem Hundertfachen dessen, was aus den heute bekannten Erdöl- und Erdgasreserven gewonnen werden könnte. Die jährlich anfallenden 3000 t radioaktiven Abfalls könnten weitgehend wiederverwertet und verbrannt werden. Die im Abfall enthaltenen Actinide und langlebigen, nicht spaltbaren Radioisotope könnten durch Neutronenbeschuss in stabile Isotope transmutiert werden (vgl. Abb. 1).

An der Optimierung beschleunigergetriebener Hybridreaktoren, sogenannten ADS-Systemen (Accelerator-Driven Systems) wird weltweit gearbeitet. Die staatlichen Forschungszentren in Jülich, Karlsruhe und Dresden-Rossendorf hingegen dürfen aus politischen Gründen nur an der effektiven Trennung der Spaltprodukte vom übrig gebliebenen Brennstoff und an der Transmutation der Spaltprodukte forschen – als Teil der Sicherheits- und Endlagerforschung. Dazu ist im November 2007 in Rossendorf die neue Strahlungsquelle nELBE (Elektronenlinearbeschleuniger für Strahlen hoher Brillanz und niedriger Emittanz) in Betrieb genommen worden. Auch nELBE verwendet als Neutronenquelle flüssiges Blei, dieses wird jedoch nicht mit Protonen, sondern mit Elektronen beschossen. Dadurch werden pro Sekunde bis zu 10 Billionen Neutronen freigesetzt.

Viele Details der Transmutation sind noch nicht verstanden. Deshalb sollen mit nELBE die inelastische Neutronenstreuung, also die Anregung von Atomkernen durch linearen Energietransfer, sowie der Neutroneneinfang von Atomkernen systematisch untersucht werden. In einem ersten Schritt werden nichtradioaktive Materialien wie Eisen und Magnesium mit Neutronen beschossen, die für den Bau von Kernreaktoren der Generation IV in Frage kommen. Die Rossendorfer Forscher wollen herausfinden, wie genau schnelle Neutronen mit Eisen wechselwirken. Im nächsten Schritt steht Strontium-88 als nicht-radioaktiver Testfall für das Spaltprodukt Strontium-90 auf dem Plan, um die Transmutierbarkeit von Spaltprodukten zu untersuchen. Erste Erfolge mit einer ähnlichen Strategie sind bereits erzielt worden. So ist es in Rossendorf gelungen, Iod-129 in Iod-128 zu transmutieren, das nach 25 Minuten in das stabile Edelgas Xenon-128 zerfällt.

Die Kernenergie erfindet sich neu

Eine hoffnungsvolle Alternative zu den Hybridreaktoren ist die "Generation IV". Derzeit entstehen mit dem EPR (European Pressurized Water Reactor; Druckwasserreaktor), der Anfang der 1990er Jahre von Siemens und Framatom gemeinsam entwickelt worden ist, die ersten Reaktoren der dritten Generation. Doch die vierte Generation, die 2030 an den Start gehen soll, verspricht einen grundsätzlichen Wandel der Technologie. Aus Dutzenden existierender Reaktortypen wurden sechs vielversprechende ausgesucht, die die gewünschten Kriterien schon teilweise erfüllen (Tab. 3).

In einem festgelegten Fahrplan arbeiten im Projekt "Generation IV" die Länder Argentinien, Brasilien, Frankreich, Großbritannien, Japan, Kanada, die Schweiz, Südafrika, Südkorea und die USA daran, diese Kraftwerkstypen zu einem Idealtyp weiterzuentwickeln. Die erklärten Ziele sind dabei:

• passive Sicherheit,
• Produktion von Prozesswärme und Wasserstoff,
• hohe Energieausbeute, geringer Brennstoffverbrauch,
• geringe und kurzlebige radioaktive Abfallmengen,
• hohe Proliferationssicherheit (Verhinderung der Verwendung zum Bau von Kernwaffen).

Mit diesem geplanten Reaktor wird eine bis zu zehnmalige Wiederaufarbeitung des abgebrannten Brennstoffs möglich werden, ohne dass spezielle Wiederaufarbeitungsanlagen, wie sie in La Hague (F) und Sellafield (GB) stehen, erforderlich sind. Der begrenzte Rohstoff Uran bleibt länger verfügbar, und die Endlagerung wird einfacher. Hinzu kommt, dass die riesigen Mengen radioaktiver Abfälle aus den bestehenden Kraftwerken mit Reaktoren der Generation IV wieder zu Brennstoff transmutiert werden könnten. Indien und China werden 2010 die ersten Prototypen dieser neuen Brüter in Betrieb nehmen. Die in den letzten Jahren ins Stocken geratenen Planungen zum Bau neuer Kernkraftwerke erhalten neuen Auftrieb (vgl. Tab. 4).

Laut Tony Williams, Vertreter der Schweiz im Planungsstab "Generation IV", vermindert sich die radioaktive Strahlung der Abfallprodukte bereits nach 300 bis 400 Jahren auf die Strahlungsintensität von Natururan. Bei dem Atommüll konventioneller Kernkraftwerke dagegen dauert dieser Prozess länger als 100.000 Jahre.

Dr. Uwe Schulte,
Händelstraße 10,
 71640 Ludwigsburg,
 schulte.uwe@t-online.de

Literatur:

_{Monika Schwarzenberg: Kernenergie aus radioaktivem Abfall. Naturwissenschaftliche Rundschau 51, 391– 392 (1998).
Hannelore Dittmar-Ilgen: Spallation. Naturwissenschaftliche Rundschau 57, 169 –170 (2004)}

_{Axel Meunier: Generation IV: Die Kernspaltung erfindet sich neu. Research*eu – Magazin des Europäischen Forschungsraums. Sonderausgabe März 2008, S. 30 –31.}

 _{OECD: Physics and Safety of Transmutation Systems – A Status Report. NEA No. 6090, Nuclear Energy Agency – Organisation for Economic Cooperation and Development, 2006.}

 _{Transmutation und Inzineration radioaktiver Abfälle. GSI-Nachrichten 2, 14 –17 (1999).}

 _{Walter Hohlefelder: BMU-Tagung: Tschernobyl 1986-2006: Erfahrung für die Zukunft. Berlin, 24. – 25. April 2006.}