Renaissance der Kernenergie?

Ausstieg hier, Einstieg dort

Nach einem kurzen Innehalten nach der Havarie haben mehr als 40 Staaten ihre Investitionen in Kernenergie bestätigt oder weiten sie aus. Der neue Energiefahrplan 2050 der EU-Kommission sieht den Bau von 40 Kernreaktoren bis 2030 vor, denn Kernenergie sei ein wichtiger Lieferant klimafreundlicher Energie. Eine neue Technikgeneration könne die Abfall- und Sicherheitsfragen lösen. Deshalb werde auch über eine finanzielle Förderung der zivilen Kernenergie nachgedacht. Großbritannien und Tschechien fahren bereits die Förderung erneuerbarer Energien herunter, da sie die Kernenergie favorisieren. Die USA, Russland, China, Indien und Südkorea als wichtigste Forschungsländer auf diesem Gebiet kooperieren im Ausbau der Kernenergie zur Energieversorgung und als Exportprodukt. Beispielsweise will Südkorea bis 2030 Reaktoren im Wert von 400 Milliarden Euro exportieren. Anfang 2011 erneuerten die USA und Russland ihre Zusammenarbeit mit dem Abkommen 123 zur friedlichen Nutzung der Kernenergie. "Wir können jetzt gemeinsam neue Generationen von Reaktoren entwickeln", sagte der Chef des russischen Atomkonzerns Ros atom, Sergej Kirijenko, dazu.

Diese neuen Reaktoren werden bereits seit 2001 im Rahmen des "Generation IV International Forum" (GIF) geplant. Die USA in leitender Funktion kooperieren hier mit Argentinien, Brasilien, Frankreich, Großbritannien, Japan, Kanada, Südafrika, Südkorea und der Schweiz. 2005 ist die Europäische Atomgemeinschaft Euratom, in der auch Deutschland Mitglied ist, dem GIF-Abkommen beigetreten, 2006 folgten Russland und China. GIF hat in Zusammenarbeit mit der OECD, der Europäischen Kommission und der IAEA nach einem umfangreichen Evaluierungsverfahren im Juli 2002 aus etwa 100 Reaktorkonzepten die sechs hoffnungsvollsten ausgewählt. Fünf Monate später gab das Energieministerium der USA dann einen "Technologischen Fahrplan" an die GIF-Mitglieder aus, auf dessen Grundlage bis 2030 marktreife Reaktoren entstehen sollen. Sie werden nicht nur neue technische Maßstäbe setzen, sondern auch die Einsatzbereiche erweitern. Reaktoren der Generation IV sollen nachhaltig, kostengünstig, wartungsarm, dezentral und mobil einsetzbar und selbstverständlich auch sicher sein. Unter nachhaltiger Kernenergie versteht man bei GIF, den Brenn stoff 60- bis 100-fach effektiver zu nutzen, als das bisher der Fall ist. Langlebiger hochradioaktiver Abfall soll dabei gar nicht erst entstehen. Damit wäre die Endlagerungsfrage gelöst und die Gefahr der nuklearen Proliferation gebannt.

Nachhaltige Kernenergie?

Die Gewinnung von Energie durch Atomspaltung beruht auf der Vergrößerung des Massen defekts. Massen defekt besagt, dass die Masse eines Atomkerns etwas kleiner ist als die Summe aller in ihm enthaltenen Pro tonen und Neutronen (Nukleonen). Denn beim Zusammenschluss der Nukleonen ist ein kleiner Teil ihrer Masse in Energie umgewandelt worden. Schießt man Neutronen in einen großen Atomkern, zerfällt er, und es entstehen mittelschwere Atomkerne mit einem relativ größeren Massendefekt (pro Nukleon). Es wird also wieder Masse in Energie umgewandelt und freigesetzt (γ‑Strahlen, Wärme).

In der Natur gibt es nur ein leicht spaltbares Isotop in nennenswerter Menge: das Uran 235.

Es lässt sich mit thermischen, also langsamen Neutronen spalten, da sein Wirkungsquerschnitt sehr groß ist (das entsprechende Maß ist Barn = b; U-235 hat 586 b, U-238 hingegen nur 3 μb). Dabei setzt U‑235 nicht nur Energie, sondern auch weitere Neutronen frei, die benachbarte Atome spalten (Kettenreaktion). Natururan besteht zu weniger als 1% aus U-235 und zu mehr als 99% aus U‑238.

Der Brennstoff für die heutigen Kernreaktoren wird auf 3 bis 5% U-235 angereichert, das aber nur zu einem Drittel verwertet wird, da die aus einer Zirkoniumlegierung bestehenden Brennstab hüllen nach drei Jahren brüchig werden. Die Brennstäbe müssen dann ausgetauscht und wiederaufbereitet oder endgelagert werden. Endlagerung heißt in diesem Fall, eine große Menge potenzieller Energie zu vergraben. Der zweite sehr große Nach teil heutiger Kernreaktoren ist, dass in ihrem nuklearen Abfall Plutonium enthalten ist, das zur Herstellung von Kernwaffen missbraucht werden kann. Künftige Kernkraftwerke sollen das Plutonium, das jeder Reaktor durch Neutroneneinfang aus U‑238 "erbrütet", selbst nutzen und verbrauchen.

Drei der sechs GIF-Konzepte sind Schnelle Brüter. "Schnell" bezieht sich auf die Geschwindigkeit der freigesetzten Neutronen. Im Gegensatz zu den Leicht- oder Schwerwasserreaktoren, wo sie durch den Moderator (Wasser bzw. Schweres Wasser) zu thermischen, also langsamen Neutronen abgebremst werden, bleiben sie hier ungebremst, da Schnelle Brüter keinen Moderator haben. Die schnellen Neutronen verwandeln

• U-238 in U-239, das durch Betazerfall in leicht spaltbares Plutonium 239 (752 b) übergeht, und

• Thorium 232 entsprechend in das leicht spaltbare U-233 (530 b).

Das Erbrüten neuen Brennstoffs und die Wiederaufbereitung könnten theoretisch aus einer gegebenen Menge Uran hundert Mal mehr Energie herausholen als heutige Kernkraftwerke. Nimmt man dann noch Thorium als Brennstoff hinzu, könnte sich die Reichweite der Kern energie auf Jahrtausende ausdehnen. Thorium ist in der Erdkruste mindestens doppelt so häufig wie Uran. Thoriumoxid hat den Vorteil, dass wegen des extrem hohen Schmelzpunkts von 3390 °C kaum die Gefahr einer Kernschmelze droht.

Weniger Müll, mehr Effizienz

Um das Verhalten von Brennstäben, die neben Uran und Plutoni um auch Neptunium, Americium und Curium enthalten (Tab. 1), zu erforschen, haben die USA, Frankreich und Japan das Actiniden-Abkommen GACID (Global Actinide Cycle International Demonstration) geschlossen.

In Japan arbeiten die Schnellen Reaktoren Joyo (50 MW) und Monju (246 MW). Frankreich, das Erfahrungen mit dem inzwischen abgeschalteten Schnellen Brüter Superphénix gesammelt hat, will im GIF-Projekt zwei der drei Schnelle-Brüter-Typen erforschen. Laut CEA (Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives) sollen sie nur wenig nuklearen Müll produzieren, der zudem nur 30 Jahre lang toxisch und radioaktiv ist (heutiger Atommüll: 10.000 Jahre).

Frankreich will einen gasgekühl ten und einen natriumgekühlten Schnellen Brüter bauen. Der Erstere wird mit Helium 4, das keine Radioisotope bildet, gekühlt und hat eine Kernaustritts temperatur von 850 °C. Er soll nicht nur Strom liefern, sondern durch die Nutzung der Prozesswärme auch Wasserstoff erzeugen. Dazu wird Schwefelsäure bei 830 °C thermochemisch gespalten (2 H₂ SO₄ > 2 SO₂ + 2 H₂ O + O₂). Durch Zugabe von Iod bei 120 °C bildet sich Iodwasserstoff (I₂ + SO₂ + 2 H₂ O > 2 HI + H₂ SO₄), der bei 320 °C gespalten wird (2 HI > I₂ + H₂). Mit diesem stark endothermen Schwefelsäure-Iod-Verfahren lässt sich Wasserstoff wesentlich effektiver erzeugen als elektrolytisch. So soll die "neue" Kernenergie der Wasserstoffwirtschaft auf die Beine helfen.

Im natriumgekühlten Schnellen Brüter (ASTRID, Advanced Sodium Technological Reactor for Industrial Demonstration) ist der Reaktorkern von flüssigem Natrium umgeben. Das Metall leitet die Wärme sehr gut, siedet erst bei knapp 900 °C und ist wegen des relativ hohen Atomgewichts ein schlechter Moderator, sodass es die Neutronen nur wenig bremst. Es ermöglicht eine Kernaustrittstemperatur von 550 °C und damit einen hohen Wirkungsgrad.

In den USA entwickeln die Firmen Babcock und Wilcox den Reaktor mPower, der keine Kühl systeme für den Reaktorkern und daher auch keine Notstromaggregate benötigt. Ein Kraftwerk soll aus mehreren Blöcken à 125 MW Leistung bestehen; so können Reparaturen oder Brennstabwechsel durchgeführt werden, ohne das gesamte Kraft werk abschalten zu müssen. Es ist vorgesehen, die Reaktoren unterirdisch zu betreiben.

Dreieinhalb Generationen

Mit dem Manhattan-Projekt, das 1945 zu den ersten Atombomben führte, startete die erste Reaktorgeneration, die vor allem Plutonium für Atombomben liefern sollte. Präsident Dwight Eisenhower leitete 1955 mit seiner in Genf gehaltenen Rede "atomic power for peace" die zivile Nutzung der Kernkraft in vielen Ländern ein, die keine Nuklearmächte waren. Im Juli 1957 wurde die Internationale Atombehörde IAEA mit Sitz in Wien gegründet. Die USA und die UdSSR haben damals im eigenen Land und bei ihren Verbündeten den Bau von Leichtwasser reaktoren (2. Generation) durchgesetzt, um weiterhin waffenfähiges Plutonium zu bekommen. 1966 fuhren in Rheinsberg und in Gundremmingen die ersten Meiler in Ost- und Westdeutschland hoch. Heute sind fast 450 Leichtwasserreaktoren weltweit in Betrieb oder im Bau.

Die Unfälle in den Kraftwerken von Harrisburg (USA, 1979) und vor allem von Tschernobyl (UdSSR, 1986) gaben Anlass, die Kraftwerke der dritten Generation weiter zu verbessern (Generation III+). So entwickelten Deutschland und Frankreich gemeinsam den Europäischen Druckwasserreaktor ERP. Bei ihm sorgen passive Systeme dafür, dass eine Kernschmelze fast unmöglich ist – aber nur fast. Der Reaktor steht auf einer keramischen Wanne, die eine Kern schmelze aufsammeln würde, und die Schutzhülle ist gasdicht. Das Sicherheitspaket hat den ERP jedoch sehr teuer gemacht, wie z. B. der Block 3 in Olkiluoto (Finnland) zeigt. Vermutlich hat er deshalb keine Zukunft.

China will in zwei Jahren seinen ersten III+-Reaktor fertigstellen.

Mit Minireaktoren zum Mond

Reaktoren der Generationen II und III erforderten immer Großinvestition mit jahrelanger Bauzeit. Die Generatoren der Generation IV dagegen sind mittelgroß, klein oder sehr klein. An mindestens 30 verschiedenen Konzepten wird derzeit ge arbeitet.

Die USA haben bereits in den 1960er Jahren am McMurdo-Sund der Antarktis einen 11-MW-Reaktor aufgestellt. Nukleare Antriebe für Schiffe und U-Boote gibt es ebenfalls schon seit 50 Jahren. Vor allem die UdSSR hatte mindestens ein Dutzend Minireaktoren für U-Boote, Schiffe und Eisbrecher entwickelt und gebaut. Einige liegen heute auf dem Grund der Karasee bei Nowaja Semlja. In den 1970er Jahren fuhren zwei auf Lastwagen montierte Hochtemperaturreaktoren mit 600 kW Leistung in Sibirien überall dort hin, wo nur kurzfristig Strom benötigt wurde. Etwa 40 Satelliten mit kleinen Nuklearantrieben schoss die UdSSR ins All. Russland plant, die Zahl nuklear getriebener Satelliten zu verdreifachen. Reaktoren sollen große Raumfähren antreiben und die Reisezeit zum Mars von einem Jahr auf drei Monate reduzieren. Russland will 2015 eine erste dauerhafte Mondstation bauen, die von solchen Raumfähren versorgt werden wird. Es will ab 2020 auf dem Mond Helium 3 gewinnen, das als idealer Brennstoff für Fusionsreaktoren gilt.

In Sankt Petersburg entsteht "Akademik Lomonossow", das erste schwimmende Kernkraftwerk der Welt, das später die Stadt Wilju tschinsk auf der Halbinsel Kam tschatka vom Meer aus mit Strom und Wärme versorgen und auch Meerwasser entsalzen soll. Der schwimmende 100-MW-Reaktor ist ein Schneller Brüter, der mit flüssigem Blei und Bismut gekühlt wird. Er soll gegen Kernschmelzen und Flugzeugabstürze geschützt sein und auch feindlich gesonnenen Tauchern standhalten können. Die Stromproduktion ist zwar relativ teuer, aber in Gebieten mit fehlender Infrastruktur relativ sicher, weil der Kernbrennstoff jahrelang hält. Der zweite Inselmeiler ist für die Stadt Pewek im äußersten Nordosten Sibiriens vor gesehen. Die Serienproduktion der Reaktoren könnte 2019 beginnen.

Visionen von Bill Gates

Bill Gates investiert – zusammen mit dem japanischen Konzern Toshiba und weiteren Investoren – einen dreistelligen Millionenbetrag in die Entwicklung eines natriumgekühlten Wanderwellenreaktors (Travelling Wave Reactor, TWR).

Auch hier ist es das erklärte Ziel, Kernreaktoren kleiner, billiger, sicherer und umweltfreundlicher zu machen. Der Brennstoff besteht zu 90% aus abgereichertem Uran, Rohuran, Thorium oder ausgedienten Brennelemen ten von Leichtwasserreaktoren; dieses Material bildet einen Mantel um eine relativ kleine Menge U-235, das die schnellen Neutronen aussendet, die vom Zentrum in den Mantel "wandern" (daher TWR). Im Mantel entsteht z. B. Plutonium-239 (s. o.), das bis zu 100 Jahre lang stetig eine Leistung von 500 MW liefern kann, ohne dass der Brennstoff ausgetauscht werden muss. Kontrollstäbe sollen den Neutronenfluss regulieren, um die Stromproduktion dem Bedarf anzupassen. Der TWR, dessen Reaktorbehälter etwa 3 × 4 Meter misst, kann in der Erde vergraben werden. Auch der Einsatz auf Schiffen ist möglich.

Ein entscheidender Vorteil des TWR ist die Verwertung von abgereichertem Uran oder ab gebrannten Brennstäben. "Ein preiswerterer Reaktor, der Abfall verbrennen kann und dem kein Brennstoffmangel droht, wäre eine großartige Sache", meint Bill Gates dazu. Er ist so überzeugt vom TWR, dass er nun eine Kooperation mit der China National Nuclear Corporation (CNNC) eingegangen ist. Qian Jihui, Professor für Atomtechnik und neue Energie an der Universität Tsinghua, plant bereits einen Testreaktor mit 200 MW Leistung.

Literatur

Autor
Dr. Uwe Schulte, Osterholzallee 82, 71636 Ludwigsburg
schulte.uwe@t-online.de

DAZ 2012, Nr. 3, S. 85