Freitag, 4. November 2011

Was du schon immer über Kernenergie wissen wolltest und nie zu fragen wagtest - Teil 2

Olga Kardaschowa - Design by Thekla Löhr

"Es ist ziemlich laut hier drinnen", sagst du. "Lass uns ein wenig an die frische Luft gehen."

Das macht ihr. Der Nachtwind kühlt eure vom Lärm und Gedränge der h-Bar erhitzten Gesichter. Es ist kurz nach 5 Uhr morgens. Ein schmaler, abnehmender Mond ist über der gegenüberliegenden Häuserzeile aufgegangen.

"Sieht so aus, als ob er uns bittet, zurückzukommen. Als ob er Sehnsucht nach den Menschen hat", sagt Olga.

"Damit die Menschheit gemeinsam ins All aufbrechen kann, werden starke Energieflüsse nötig sein. Gut, dass die meisten Länder nicht so hysterisch auf die Vorsilbe 'Kern-' reagieren wie die Deutschen."

"Bei der Kernenergetik handelt es sich um eine komplexe, faszinierende Hochtechnologie, die es uns ermöglicht, die Tiefenstruktur der Materie jenseits der Nanowelt nutzbar zu machen. Das menschliche Gehirn ist unglaublich leistungsfähig, und hat die Fähigkeit hervorgebracht, kleinste Teilchen und höchste Energiedichten zu beherrschen. Unsere Kernkraftwerke der zweiten und dritten Generation sind schon sehr sicher, aber wie man in Fukushima gesehen hat, können sehr schwere äußere Einwirkungen auch bei ihnen zum Schmelzen des Reaktorkerns führen. Aber Wissenschaftler haben dieses Problem bereits in Angriff genommen. Auf den Zeichenbrettern, in Computersimulationen und teilweise schon als Versuchsanlagen entsteht die nächste Generationen von Kernreaktoren (III+ und IV), die prinzipiell nicht kernschmelzefähig sind - weil die dahintersteckende Physik das ausschließt."

Du. Wie sehen diese neuartigen Reaktoren aus?

Olga. Da gibt es viele unterschiedliche Entwürfe. Zu den bekannteren gehört der Hochtemperaturreaktor (HTR), der unter anderem in Deutschland in Form des Kugelhaufenreaktors getestet wurde. Anders als in den meisten Kernreaktoren liegt der Brennstoff hier nicht in Form von stabförmigen Elementen, sondern, wie der Name sagt, in Form kleiner Kugeln (etwa so groß wie Tennisbälle) vor. Sie bestehen aus Uranpartikeln und Graphit als Moderator. Bei dem Versuchsreaktor in Deutschland kam eine größere Menge Thorium 232 hinzu, die durch Neutroneneinfang ins spaltbares U233 transmutiert wurde. Außen herum um den Reaktor befindet sich zusätzlich ein Reflektor aus Graphit, der entweichende Neutronen zurückwirft und dadurch auch bei geringer Spaltstoffdichte Kritikalität erlaubt. Das Besondere ist, dass die Kugeln dauernd durch den Reaktor wandern: Oben werden sie laufend eingeworfen und unten wieder entnommen, jede wandert mehrere Male hindurch. Die Steuerung erfolgt wie bei herkömmlichen Reaktoren teils mit Steuerstäben, die von oben und seitlich eingeschoben werden, teils mit abbrennenden Neutronengiften in Absorberkugeln, die unter die Brennstoffkugeln gemischt werden.

Du. Warum ist der Hochtemperaturreaktor so sicher?

Olga. Das liegt letztlich an seiner vergleichsweise geringen Energiedichte. Weil der Spaltstoff über ein größeres Volumen verteilt ist, reagiert der Reaktor besonders träge auf irgendwelche Änderungen der Betriebsbedingungen. Außerdem kann das Kühlmittel - es handelt sich um Helium - keinen weiteren Phasenübergang durchlaufen, da es ja bereits gasförmig ist. Man hat auch inzwischen Geometrien des Reaktors gefunden - eine ring- bzw. hohlzylinderförmige Anordnung - die auch beim kompletten Kühlsystemausfall keine Überhitzung des Kerns zulässt, weil bereits genug Wärme durch Wärmeleitung und -konvektion fortgetragen wird.

Du. Wie heiß ist eigentlich "Hochtemperatur"?

Olga. Beim Thorium-HTR ging das Helium mit 250 Grad Celsius in den Reaktor hinein und kam mit 750 Grad wieder heraus. Es wird aber durchaus über Betriebstemperaturen bis 900 oder 1000 Grad nachgedacht. Dies hätte den Vorteil, dass der Reaktor noch allerlei mehr kann außer Strom erzeugen: Zum Beispiel Meerwasser entsalzen, oder Wasserstoff herstellen, vielleicht als Treibstoff für zukünftige Flugzeuge. Übrigens kann man den HTR in Form kleinere Module mit geringerer Leistung von nur 100-200 MW konstruieren - das erlaubt einen dezentralen Energieversorgungsaufbau.

Du. Die Stromerzeugung funktioniert dann sicher wie bei anderen Reaktoren auch - Helium erhitzt Wasser, Wasser verdampft, Dampf treibt Turbine...?

Olga. Ja. Es gibt aber auch Pläne für Kraftwerke, in denen das heiße Helium direkt eine Turbine antreibt, was höhere Wirkungsgrade bis zu 40% erlaubt.

Du. Wird es demnächst viele HTR geben?

Olga. Das ist noch offen. Viele Länder zeigen zumindest Interesse daran. Japan und China haben Versuchsanlagen. Südafrika und Großbritannien konkrete Pläne, die Schweiz denkt gerade darüber nach.

Du. Und Deutschland bläst dreckigen Kohlequalm in den Himmel...

Olga. Lass uns nicht darüber nachdenken, wir wollen uns nicht die Laune verderben. Bleiben wir lieber bei sauberen Energiequellen.

Du. Naja, manche sagen ja, dass die Kernenergie nicht so sauber sei, da sie radioaktive Reststoffe produziert, die x Jahrtausende eingesperrt werden müssen.

Olga. Wie schon erwähnt muss das nicht so sein. Die Actinoide im Kernmüll, die die langfristige Radioaktivität verursachen, lassen sich durch Transmutation zerstören. Dies könnten moderne Brüter erledigen, zum Beispiel Flüssigsalzreaktoren.

Du. Flüssigsalz - das habe ich schon mal im Zusammenhang mit Sonnenwärmekraftwerken gehört, als Energiespeicher für die Nacht.

Olga. Ja, Flüssigsalze haben eine hohe Wärmekapazität. In Sonnenwärmekraftwerken dienen sie als Speicher, im Flüssigsalzreaktor aber gleichzeitig auch als Energiequelle. Hier wirkt der Brennstoff nämlich zugleich als Kühlmittel. Er strömt als Salzschmelze konstant durch den Reaktorkern, durchläuft dort die Kettenreaktion und verlässt den Kern wieder, um in einem Wärmetauscher Wasser zu erhitzen. Ein Forschungszentrum der Regierungsorganisation CNRS in Gernoble in Südfrankreich hat einen Schnellspektrum-Flüssigsalzreaktor entworfen, der als Thoriumbrüter arbeitet: Außen um das Reaktionsgefäß herum ist eine Brutdecke aus Thorium angeordnet, die durch Neutroneneinfang das fissile U233 bildet. Außer U233 kann der Reaktor aber auch Transurane aus verbrauchten Leichtwasserreaktor-Brennelementen als Spaltstoff nutzen. Sie werden dabei in kurzlebige Spaltprodukte umgewandelt, die nach wenigen Jahrhunderten gefahrlos handhabbar sind. Dabei entsteht dann in der Brutzone aus Thorium U233, das später als Brennstoff zum Einsatz kommen soll.

Du. Aha - also wird quasi in einem ersten Durchlauf der Kernmüll transmutiert, und als "Nebeneffekt" stellt man den Spaltstoff für den späteren Betrieb her, wenn die Transurane verbraucht sind?

Olga. Genau.

Du. Und wenn der Reaktor stoppen soll, genügt es, den U233-Flüssigsalz-Zustrom zur Reaktionskammer zu unterbrechen, wie bei einem Verbrennungsmotor?

Olga. Ja, ohne Spaltstoffzustrom steht die Anlage sofort. Ein Stromausfall legt den ganzen Prozess einfach still.

Du. Welche Ideen für moderne Kernkraftwerke gibt es noch?

Olga. Naja, man könnte sich einen Reaktor wünschen, der möglichst selbsttätig arbeitet, und kaum gewartet werden muss. Traditionelle Brüterentwürfe erfordern es, dass der erzeugte Spaltstoff aus dem Reaktor entnommen, aufbereitet und der Kettenreaktion wieder zugeführt wird.

Du. Es wäre praktischer, wenn er gleich im Reaktor bleiben könnte.

Olga. Das ist beim Laufwellenreaktor der Fall. Er arbeitet ein wenig wie eine abbrennende Zündschnur: Die Reaktion wandert, wie der Name sagt, wellenartig vom einen Ende eines Zylinders aus Brutstoff zum anderen. Dazu braucht sie mehrere Jahrzehnte, ohne das jemand steuernd eingreifen muss. Am einen Ende befindet sich ein Spaltstoffgemisch als "Zünder", ansonsten besteht der Zylinder aus fertilem Material - U238 oder auch aus einem Uran/Thorium-Gemisch. Die Neutronendiffusionsgleichung hat hier eine wellenartig wandernde Lösung: Die Kettenreaktion setzt im Zündbereich ein, die Neutronen beginnen das fertile, dahinter liegende Material in Spaltstoff umzuwandeln, dieser wird wiederum kritisch, erzeugt neue Neutronen die weiteren Spaltstoff erbrüten - so wandert die Reaktion ganz langsam durch den Reaktor. Gebaut hat so ein System noch niemand, aber viele Berechnungen deuten darauf hin, dass die Reaktion ohne menschliches Eingreifen jahrzehntelang selbsttätig stabil ablaufen kann. Die Firma TerraPower, in die u. a. Bill Gates investiert, möchte so einen Reaktor bis 2020 ans Netz bringen.

Du. Das hört sich alles sehr vielversprechend an. Viele, die ich kenne, würden es aber vorziehen, auf den Fusionsreaktor zu warten: Da es sehr schwierig ist, die Kernfusion überhaupt in Gang zu bekommen, geht ein Tokamak oder Stellarator sofort aus, wenn die Stromzufuhr zur Anlage unterbrochen wird. Die Reaktion muss durch Erzeugung des Einschlussfeldes von außen hervorgerufen werden und bricht bei Änderung der physikalischen Bedingungen augenblicklich zusammen. Dass ein Stromausfall die Reaktion automatisch anhält, trifft, wie du erzählt hast, zwar auch beim Flüssigsalzreaktor zu (kein Brennstoffzustrom - keine Kettenreaktion!) aber sehr viele fänden es sicher noch beruhigender, wenn die Reaktion ohne äußere Unterstützung gar nicht erst zustande käme, wie beim Fusionskraftwerk.

Olga. Die Fusion könnte in der Tat zur wichtigsten Energiequelle der Zukunft werden - es gibt jedoch Entwürfe für Spaltungsreaktoren, die genau die von dir beschriebene Eigenschaft auch haben: Ohne externe Unterstützung keine Reaktion! Und die könnten realisiert werden noch bevor die Fusionskraftwerke einsatzbereit sind.

Du. Wie kann ich mir das vorstellen? Ich dachte die Spaltung ist eine selbstunterstützende Kettenreaktion...?

Olga. Überleg mal, wie würdest du es anstellen, einen Spaltungsprozess zu designen, der ohne äußere Unterstützung zusammenbricht?

Du. Mal sehen... wir hatten den Neutronenvermehrungsfaktor k_eff... Er gibt an, um wieviel sich die Neutronenpopulation pro Generation ändert. Wenn er kleiner als 1 ist, bricht die Reaktion zusammen. Es sei denn... man stützt sie irgendwie von außen!

Olga. Guter Gedanke. Und wie würdest du sie extern unterstützen?

Du. Man muss Neutronen von außen hereinbringen... vielleicht indem man sie aus Kernen herausschlägt... indem man wiederum andere Teilchen darauf schießt?

Olga. Das ist auch was dem Nobelpreisträger Carlo Rubbia vorschwebt! Ein Beschleuniger schießt Protonen auf ein Schwermetalltarget, wodurch durch Spallation Neutronen entstehen. Diese treffen auf den subkritischen Reaktorkern, in dem aus Thorium 232 Uran 233 erbrütet wird, welches als Brennstoff dient.

Du. Alles klar! Und sobald der Beschleuniger ausgeht, kommt die Reaktion zum Erliegen, da der Reaktor ja unterkritisch ist... aber was ist mit der Nachzerfallswärme - die, die nach Ende der Reaktion durch die verbleibende Radioaktivität erzeugt wird?

Olga. Die kann unabhängig von der Stromzufuhr ganz selbständig abgeführt werden, durch reine Konvektion in einem Bleibad, in dem der Reaktor steht - so sieht zumindest der Entwurf von Rubbia aus! Übrigens entsteht bei dem ganzen Prozess kaum langlebiger Kernmüll.

Du. Und da, soweit ich weiß, Thorium viel häufiger ist als Uran hätte man Energie für... Jahrtausende?

Olga. Vermutlich sogar Jahrzehntausende. Höchstwahrscheinlich ist noch viel mehr Thorium in der Erdkruste als bisher bekannt, man hat mangels Interesse ja bislang kaum danach gesucht.

Du. Dann sollte man sofort mit den Forschungsarbeiten beginnen.

Olga. Das will ich meinen. Warum gehen wir nicht zu mir nachhause und nehmen bei einer Tasse Kaffee die Entwicklung des Energy Amplifiers in Angriff?

Du. Das klingt nach einem exzellenten Plan!


PS. Der Artikel ist übrigens ein "Work in Progress". Ich werde weitere Informationen und Details hinzufügen, sobald ich noch mehr über das Thema gelesen habe.

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