Moderne Kernreaktoren – eine Alternative zur Energiegewinnung?

Es wird dieses Wochenende kein Tagebuch zur Astronomie geben, letzten Donnerstag war ja Vatertag, also der Tag im Jahr, an dem (gefühlt) jeder Mann mit mehr als zwei Haaren am Sack meint, er müsse volltrunken durch die Straßen ziehen – egal ob Vater oder nicht – weswegen man diesen Tag in „Männertag“ umbenannt hat.

Da ich allerdings am Montag einen Vortrag halten muss, werde ich die Lücke damit füllen, ein wenig über Kernreaktoren der nächsten Generation zu reden und zu erklären, was sie besser machen als die herkömmlichen Reaktoren. Dieser Text wird natürlich keine umfassende Diskussion über die Frage, woher wir in Zukunft unsere Energie gewinnen können, sondern ein erster Einblick in ein komplexes Thema. Der Text wird mir aber auch als Aufhänger dienen, wenn ich irgendwann mal dazu komme, die Frage zu klären, woher die Energie der Zukunft kommt.

Moderne Kernreaktoren Bild 1

Ich habe es ja schon mal erwähnt, aber es gibt kaum ein anderes Thema, das die Deutschen so vereint, wie ihre Einstellung zur Atomkraft. Sie ist gefährlich, wenn nicht sogar tödlich, unkontrollierbar, zerstört die Umwelt nachhaltig, ist eine Vorstufe zu Atomwaffen und überhaupt die schlimmste Erfindung der Menschheit. Zumindest wird es hier so gesehen. Die Ukraine hat nach dem größten anzunehmendem Unfall in Tschernobyl die Kernenergie nicht aufgegeben. Im Gegenteil, sie bauten danach erst recht weiter an Kernreaktoren. Wäre es nicht intelligenter gewesen, dieser Reaktortechnik den Rücken zuzukehren und wenigstens auf Kohle zu setzen? Die Ukraine besitzt nach Deutschland die sechstgrößten Braunkohlevorkommen und mit einem Wirkungsgrad zwischen 43-47% ist so ein Kohlekraftwerk auch noch rund 8% effektiver als das durchschnittliche Kernkraftwerk. Ich meine, wenn jemandem mal so ein Kernkraftwerk um die Ohren geflogen ist, müsste man sich doch denken „scheiß auf die Umwelt. Sichere Energie ist wichtiger!“. Und auch wenn genau dieser Gedanke viele Entwicklungs- aber insbesondere Schwellenländer dazu antreibt auf „schmutzige“ Energieerzeugung zu setzen, hat die Ukraine den Weg der Krenkraft nie verlassen. Obwohl man lange Zeit darüber den Kopf schütteln und die ukrainischen Behörden allesamt für verrückt erklären konnte, sind in den letzten Jahren viele neue Konzepte entwickelt worden, die Reaktoren sicherer machen sollen. Diese Konzepte umfassen:

Weggang von herkömmlichen und gefährlichen Reaktormodellen
Verhinderung einer Kernschmelze durch Einsatz von Flüssigsalz als Brennstoff
Ersatz von waffenfähigem Plutonium und Uran durch Thorium
Verringerte Erzeugung von Atommüll
Reduktion der Strahlungsdauer von vorhandenem Atommüll

Bisher waren die Leichtwasserreaktoren, die zur Energieerzeugung verwendet werden, das Nonplusultra der Reaktortechnik, obwohl ihr Siegeszug eher Zufall und eine Verkettung schlechter Entscheidungen war. Ursprünglich plante man durch den Einsatz der Kernkraft einen langlebigen und zuverlässigen Antrieb für U-Boote, bemerkte allerdings bald das Potenzial für die Zivilbevölkerung. Nun wurden die Reaktoren in großem Stil gebaut und niemand hat einen Gedanken daran verschwendet, die Nachteile zu betrachten.

Der größte aller Kritikpunkte ist selbstverständlich die Gefahr einer Kernschmelze. Diese entsteht, wenn die Kühlung des Reaktors versagt und die auftretende Wärme nicht mehr korrekt abgeführt werden kann. Dies passiert in erster Linie bei Störfällen im Reaktor, infolgedessen die Kühlsysteme versagen und die Brennstäbe immer weiter zerfallen. Aber auch nach Beendigung der eigentlichen Kernspaltung kann die Temperatur der Brennstäbe weiterhin ansteigen. Während der Kernspaltung entstehen kurzlebige Isotope, die auch nach Beendigung des Vorgangs noch existieren und langsam zerfallen, was eine immense Temperatur – die sogenannte Nachzerfallswärme – freisetzt. Direkt nach dem Abschalten des Reaktors beträgt diese Wärme ungefähr 10% der eigentlichen Reaktorleistung, es muss also unbedingt für ausreichende Kühlung gesorgt werden.
Um im Falle eines Stromausfalls trotzdem die Brennstäbe kühlen zu können, wird in einem sekundären Kühlkreislauf zum Beispiel auf die sogenannte Flusskühlung ausgewichen, bei der eine Pumpe Flusswasser in separaten Rohrleitungen durch den Reaktor pumpt und anschließend wieder in den Fluss zurückführt.

By Robert Steffens, SVG: Marlus Gancher, Antonsusi [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], via Wikimedia Commons
By Robert Steffens, SVG: Marlus Gancher, Antonsusi [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], via Wikimedia Commons
Fehleranfällig wäre so ein Kühlsystem insbesondere dann, wenn der Flussstand niedrig ist, oder sich das Flusswasser zu stark erwärmt, wodurch eine Kühlung nicht mehr anständig gewährleistet wird.

Sollten diese Kühlsysteme also versagen, steigt die Temperatur der Brennstäbe an, bis die Temperatur ungefähr 1750°C beträgt und die Hüllen der Brennstäbe schmelzen, was die Pellets mit dem Brennstoff freilegt. Steigt die Temperatur weiter an wird die gesamte Struktur der Hülle zerstört und die Brennstäbe sinken langsam auf den Boden des Reaktors. Erreicht die Temperatur im Reaktor ungefähr 2900°C, beginnen die Pellets zu schmelzen und es kommt zur sogenannten Kernschmelze.
Zu dieser Zeit bestehen noch einige Möglichkeiten, die Kernschmelze aufzuhalten, meist indem der Reaktor mit einer Bor-Wasser-Mischung geflutet wird. Passiert dies nicht oder erst zu spät, schmilzt sich das sogenannte Corium (also die Mischung aus Brennstab, Brennelement, umgebender Reaktor und was sonst noch so weggeschmolzen ist) durch den Reaktor, hinein in die ihn umgebende Schutzhülle – welche meist aus Beton besteht. In einigen Fällen kann die Verbindung aus Corium und Beton dafür sorgen, dass die Reaktion der Kernschmelze endet und der Klumpen ein wenig abkühlt.
In modernen Reaktorbauweisen ist man auf dieses Problem aufmerksam geworden und versucht die Kontamination der Umwelt zu verhindern, indem man unterhalb der Reaktorkammer spezielle „Core-Catcher“ einbaut. Kommt es zu einer Kernschmelze kann so das Corium in eine unterirdische, speziell beschichtete Kammer ablaufen, wo es sich aufgrund der Neigung der Kammer möglichst weit ausbreiten kann, um dadurch schneller zu kühlen.

GEMEINFREI
GEMEINFREI

Nun besteht die Möglichkeit, es gar nicht erst zu einer Kernschmelze kommen zu lassen. Und dafür verwendet man Flüssigsalz als Brennelement. Das Brennelement liegt hierbei in Verbindung mit Fluor vor, also als Thoriumfluorid, Uranfluorid und Lihtium-Beryllium-Fluorid. Dieses Salz wird konstant durch einen Kreislauf gepumpt und kann erst im Reaktor, der mit einer Graphitmatix ausgekleidet ist, überhaupt reagieren (der rot gefärbte Kreislauf der folgenden Grafik), unerwünschte Spaltprodukte werden ausgefiltert und chemisch aufbereitet, um nützliche Produkte anschließend wieder in den Reaktorkreislauf zuzuführen (pinker Kreislauf). Der blaue Kreislauf besteht aus einem Element zum Wärmetransport, zum Beispiel Gase wie CO2, welches die Temperatur zum eigentlichen Generator weiterleitet und dort die Flüssigkeit zur Stromerzeugung erhitzt (orangener Kreislauf).

GEMEINFREI
GEMEINFREI

Die Kernschmelze wird jetzt dadurch verhindert, dass sich das Flüssigsalz im Reaktor ausdehnen kann, wodurch die Temperatur des Stoffes verringert wird. Im Notfall kommt auch hier wieder ein Container zum Einsatz, der zu sehr erhitztes Flüssigsalz auffängt und kontrolliert auskühlen lässt.

Ein weiterer großer Kritikpunkt ist immer wieder, dass man herkömmliche Reaktoren dazu verwenden kann, Uran-235 herzustellen, welches bei der Spaltung Neutronen freigibt, die Uran-238 einfangen kann, um dann zu Plutonium-239 zu werden. Hat man also eine Anreicherungsanlage für Uran kann man damit kinderleicht Material für Atomwaffen herstellen. Gerade für … sagen wir … unsichere Regime stellen Kernkraftwerke also die Möglichkeit dar, atomwaffenfähiges Material herzustellen.
(Und weil ich gerade nachsehen musste, ob ich das richtige Isotop im Kopf hatte: Wenn ihr googlen müsst, wo man Uran-235 kaufen kann, seid ihr wirklich nicht in der Lage es entsprechend zu verwenden. Und im Zweifelsfall fragt man beim Nordkoreaner seines Vertrauens nach. Anfänger)

Mit Uran-233 hätte man dieses Problem nicht, da es kaum möglich ist, reines Uran-233 herzustellen und schon kleinste Verunreinigungen mit Uran-232 dafür sorgen könnten, dass der radioaktive Zerfall zu schnell abläuft und eine damit bestückte Atombombe zu früh hochgeht.
Für Kernkraftwerke ist das kein Problem, da ist ja genug Material da, um die Reaktion zu moderieren. Aber woher bekommt man jetzt Uran-233?

Thorium.

Um mittels Thorium einen Reaktor betreiben zu können, wandelt man es in Uran-233 um. Dafür schnappt sich das Thorium-232 (welches in der Natur quasi ausschließlich vorkommt) ein Neutron und wird zu Thorium-233. Dieses zerfällt zu Protactinium-233 dieses zerfällt zu Uran-233 und ist dann als Brennstoff geeignet. Diesen Vorgang macht man sich in den Flüssigsalzreaktoren zunutze, was aber auch gleichzeitig einen großen Nachteil bedeutet, da das Thorium im laufenden Betrieb immer wieder hinzugegeben werden muss, was die Sicherheit so eines Reaktors natürlich nicht sonderlich erhöht. Auch muss man sich was einfallen lassen, um die Reaktionsprodukte von der Reaktorwand zu lösen, damit der Reaktor keine Effizienz einbüßt.
Während all das nach großen Problemen klingt, sind Forscher in China und Indien schon drauf und dran, diese Probleme zu beseitigen um ihren eigenen Energiebedarf zu decken. Mein Tipp? Noch 10 Jahre, dann ist die Nummer Marktreif.

Aber selbst wenn man diese Technologie ablehnen sollte, weil man der Meinung ist, der Einsatz von erneuerbaren Energien wäre das absolut beste was uns passieren könnte, gibt es noch einen wichtigen Punkt, über den man nachdenken sollte. Weltweit soll es ungefähr 300.000 Tonnen Atommüll geben (Tendenz steigend), die quasi für die Ewigkeit strahlen. Uran-235 hat z.B. eine Halbwertszeit von 703 Millionen Jahren (Uran-233 strahlt „nur“ 160.000 Jahre),  das Plutonium welches in Kernreaktoren anfällt, hat eine Halbwertszeit von 6.000, bzw. 24.000 Jahren. Bedenkt man, dass bei diesem Atommüll der Anteil an Uran bei rund 90% liegt, haben wir also ein Strahlenproblem für die Ewigkeit. Blickt man zurück auf die Geschichte der Menschheit, so sind schon 50 Jahre ein unübersichtlicher Zeitraum, ganz zu schweigen von hunderten, tausenden oder sogar Millionen Jahren.
Will man den Atommüll also wirklich für Generationen hinweg sichern, muss man dafür sorgen, dass aus den langlebigen Isotopen möglichst kurzlebige werden. Und wie macht man das? Na man schießt Neutronen drauf. Und das passiert entweder in Reaktoren, in denen es keinen Stoff gibt der als Moderator fungiert, also die Neutronen die bei einer Kernspaltung frei werden verlangsamt, oder man baut herkömmliche Reaktoren bei denen viele Neutronen frei werden und führt den Atommüll dem Kreislauf zu. Und beides passiert, bzw. wären beide Möglichkeiten denkbar.
In Flüssigsalzreaktoren kann man die Abfallprodukte die bei der Spaltung frei werden direkt wieder in den Kreislauf zuführen und dafür sorgen, dass am Ende der Lebensdauer des Reaktors der Atommüll den selbiger Produzierte nur einen Bruchteil dessen beträgt, was bei einem normalen Reaktor abfällt.
Möchte man nur Abfälle verwerten, kann man auch einen Reaktor mit externer Neutronenquelle bauen, was den Vorteil hat, dass der Reaktor sofort abgeschaltet wird, wenn keine Neutronen mehr fliegen.

Beschießt man Uran-235 mit Neutronen, passiert innerhalb weniger Wochen folgendes, mit einem Uran-Isotop:

GEMEINFREI
GEMEINFREI

Es zerfällt in mehreren Schritten im Verlauf von einigen Wochen zu stabilen Isotopen, die also nicht mehr radioaktiv Strahlen. Die genaue Zusammensetzung der endgültigen Isotope hängt stark davon ab, welche Elemente im Reaktor verarbeitet sind, wie lange die Elemente im Reaktor waren und wie viele Neutronen auf sie geschossen wurden, in der folgenden Tabelle finden sich die Halbwertszeiten einiger gängiger Isotope aus Kernkraftwerken.

Moderne Kernreaktoren Tabelle

Sollte diese Form der Transmutation sich für einen Großteil des Atommülls als denkbar erweisen, wäre diese Reaktorform wie Geschaffen dafür, das Problem mit dem Atommüll in Angriff zu nehmen. Selbst die Isotope wie Iod-129, welche 15 Millionen Jahre lang strahlen, sind eine immense Reduktion der endgültigen Strahlungsdauer, verglichen mit Uran – ganz zu schweigen von den Isotopen, mit einer Halbwertszeit von einigen Jahren bzw. einem Jahrhundert.

Jetzt gibt es nur ein weiteres Problem, das man nicht so leicht loswird, weil es kein Problem der Kernkraft ist. Es gibt in Hessen ein wundervolles Endlager für chemische Abfälle wie sie unter anderem in der chemischen Industrie, aber auch in Kohlekraftwerken anfallen. In diesem Endlager werden Stoffe gelagert, die praktisch nie zerfallen und lediglich in den nächsten Jahrtausenden in Salzstein eingeschlossen werden, bis sie irgendwann in Zukunft vielleicht durch Zufall wieder ausgegraben werden.

Moderne Kernreaktoren Bild 6

Und wie eben erwähnt: Das Zeug ist so gut vor Umwelteinflüssen geschützt, dass es quasi auf unabsehbare Zeit chemisch Stabil bleibt und jederzeit wieder ausgegraben werden kann. Das eingelagerte Arsen ist genug um 12 Milliarden Menschen zu töten, aber merkwürdigerweise gab es seitens der großen Umweltorganisationen gegen dieses Lager in Hessen noch nie irgendeine Form des großen, medienwirksamen Protests. Zumindest nicht in jüngster Zeit. Stattdessen sitzt dieser Müll in seinen Fässern und wartet auf den Tag, an dem es von zukünftigen Generationen gefunden wird und die Umwelt verseuchen kann.
Auch sind Kohlekraftwerke immense Dreckschleudern. Während ein Kernkraftwerk bei normalem Betrieb quasi keine höheren Mengen an radioaktiver Strahlung in die Umwelt abgibt, passiert das bei Kohlekraftwerken am laufenden Band. Dadurch dass Kohle auch immer winzige Verunreinigungen von radioaktiven Stoffen beinhaltet, blasen alle Kohlekraftwerke der Welt pro Jahr rund 10.000 Tonnen Uran und 25.000 Tonnen Thorium in die Atmosphäre.

Erzählt mir nochmal was von gefährlichem Atommüll.

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