Klassifizierung und Systemmodell für Kernreaktoren

Klassifizierung und Systemmodell für Kernreaktoren

Gemeinsame Sprache zum Verständnis einer komplexen Technologie

Klas­si­fi­zie­rung und Sys­tem­mo­dell für Kern­re­ak­to­ren: Kern­re­ak­to­ren der Gene­ra­ti­on II ent­hiel­ten grund­le­gen­de Risi­ken. Reak­to­ren der Gene­ra­ti­on III ver­min­der­ten im erheb­li­chen Maße die­se Risi­ken auf Basis neu­er Sicher­heits­tech­no­lo­gien. Mit den Reak­to­ren der Gene­ra­ti­on IV wer­den nun Kon­zep­te ver­folgt, die grund­le­gen­de Ein­wän­de gegen die Nut­zung der Kern­spal­tung zur Ener­gie­ge­win­nung ent­kräf­ten. Um bereits betrie­be­ne Lösun­gen sowie neue Ent­wick­lun­gen beur­tei­len und ver­glei­chen zu kön­nen, wird eine gemein­sa­me Metho­de und Spra­che zur Sys­tem­be­schrei­bung ver­bun­den mit der Klas­si­fi­zie­rung von Reak­to­ren benö­tigt. Die­ser Auf­ga­be wid­met sich der vor­lie­gen­de Artikel.

Man darf nicht ver­ges­sen, dass das Ent­de­cken nicht dar­in besteht, neue Land­schaf­ten zu fin­den, son­dern neue Augen zu haben.“

Marie Curie, Phy­si­ke­rin und zwei­fa­che Nobel­preis­trä­ge­rin  

Inhaltsverzeichnis

  1. Die Ener­gie der Atomkerne
  2. Ener­gie­po­ten­zia­le der Kernspaltung
  3. Rezep­tur der gesteu­er­ten Kern­spal­tung oder „Der Mann mit der Axt”
  4. Tech­no­lo­gie­su­che zur Ener­gie­ge­win­nung mit Kern­spal­tung in der Gene­ra­ti­on I
  5. Leicht­was­ser­re­ak­to­ren der Gene­ra­ti­on II
  6. Har­ris­burg — Tscher­no­byl — Fukushima
  7. Neue Sicher­heits­kon­zep­te und die Gene­ra­ti­on III
  8. Klas­si­fi­zie­rung und Sys­tem­mo­dell für Kernreaktoren
  9. Kern­kraft­wer­ke neu gedacht und die Gene­ra­ti­on IV
  10. Die Ener­gie der Son­ne durch Kern­fu­si­on und auf­kom­men­de Technologien

Anforderungen zum Ausschluss grundlegender Risiken

Die Reak­to­ren der Gene­ra­ti­on II fan­den welt­wei­te Ver­brei­tung. Doch mit dem ursprüng­li­chen Ziel, eine Rezep­tur der Kern­spal­tung zu nut­zen, die die Pro­duk­ti­on von Mate­ri­al für Atom­bom­ben erlaub­te, wur­den grund­le­gen­de Risi­ken akzep­tiert. Die Mög­lich­keit, aus Uran-238 das kern­waf­fen­fä­hi­ge Plu­to­ni­um-239 zu gewin­nen, als auch die Nutz­bar­keit der Reak­to­ren in Atom-U-Boo­ten, über­wo­gen bei den Ent­schei­dern im Mili­tär. Die beson­de­ren Risi­ken waren mit der Ent­schei­dung zuguns­ten von Reak­to­ren mit Was­ser­küh­lung, mit Was­ser oder Gra­phit als Mode­ra­tor sowie mit Fest­brenn­stoff aus einem Uran-235/­Uran-238-Gemisch ver­bun­den. Dar­auf basier­ten letzt­end­lich die Kata­stro­phen von Har­ris­burg, Tscher­no­byl und Fukushima.

Reak­to­ren der Gene­ra­ti­on III ver­min­der­ten im erheb­li­chen Maße die­se Risi­ken auf Basis neu­er Sicher­heits­tech­no­lo­gien. Doch die grund­le­gen­den Pro­ble­me blie­ben bestehen. Die Ver­wen­dung von Druck- und Sie­de­was­ser­re­ak­to­ren mit Fest­brenn­stoff hin­ter­lässt wei­ter­hin einen hohen Anteil des ursprüng­li­chen Mate­ri­als als strah­len­den Müll, der über Mil­lio­nen Jah­re der End­la­ge­rung zuge­führt wer­den muss. Was­ser wird in den meis­ten Reak­tor­ty­pen wei­ter­hin als Kühl­mit­tel benutzt. Die Gefahr von Kern­schmel­zen und Was­ser­stoff­ex­plo­sio­nen bei Aus­fall des Kühl­sys­tems trotz neu­er pas­si­ver Kühl­me­tho­den und Was­ser­stoff-Rekom­bi­na­ti­ons­tech­nik kann stark redu­ziert wer­den. Doch das grund­sätz­li­che Risi­ko bleibt, wenn auch mit stark redu­zier­ter Wahrscheinlichkeit.

Doch Ansät­ze ohne das Risi­ko der Kern­schmel­ze sowie ohne die umfang­rei­che End­la­ge­rung exis­tie­ren bereits seit 50 Jah­ren. Ins­be­son­de­re ermög­li­chen die­se Konzepte

  • die Mini­mie­rung von End­pro­duk­ten der Kern­um­wand­lungs­pro­zes­se mit sehr hohen Halb­wert­zei­ten im Bereich von zehn­tau­sen­den und hun­dert­tau­sen­den von Jahren,
  • den Aus­schluss des Risi­kos von Kern­schmel­zen und über­kri­ti­schen Mas­sen an spal­tungs­fä­hi­gem Material,
  • den Aus­schluss des Risi­kos von che­mi­schen Explo­si­ons­pro­zes­sen, wie die­se bei­spiels­wei­se bei Was­ser als Kühl­mit­tel durch die Tren­nung in Was­ser­stoff und Sau­er­stoff auf­tre­ten können,
  • die Mini­mie­rung der Fähig­keit zur Pro­duk­ti­on von kern­waf­fen­fä­hi­gem Mate­ri­al wäh­rend des Reak­tor­be­trie­bes sowie die Über­wach­bar­keit der Behand­lung der Reststoffe

Dazu ent­wi­ckel­te oder noch in Ent­wick­lung befind­li­che Tech­no­lo­gien wer­den wir näher betrach­ten. Doch zuerst benö­ti­gen wir einen Über­blick zu Rezep­tu­ren für Reak­to­ren der Gene­ra­ti­on IV im Ver­gleich zu Reak­to­ren der Gene­ra­ti­on I bis III. Im Rah­men des Fort­schritts über vier Gene­ra­tio­nen ent­stan­den viel­fäl­ti­ge Reak­tor­ty­pen mit unter­schied­li­chen Rezep­tu­ren. Um in der Viel­falt von Reak­tor­kon­zep­ten nicht die Ori­en­tie­rung zu ver­lie­ren, benö­ti­gen wir wei­ter­hin eine gemein­sa­me, grund­le­gen­de Sys­tem­be­schrei­bung ver­bun­den mit der Klas­si­fi­zie­rung von Reak­to­ren. Der nächs­te Abschnitt wid­met sich die­ser Auf­ga­be. Wenn auch das Kapi­tel “Klas­si­fi­zie­rung und Sys­tem­mo­dell von Kern­re­ak­to­ren” ein wenig tro­cken erscheint, lohnt es sich. Die spä­ter beschrie­be­nen Reak­to­ren der ver­schie­de­nen Gene­ra­tio­nen wer­den somit ver­gleich­bar und hin­sicht­lich ihrer Vor- und Nach­tei­le bewertbar.

 

Klassifizierung von Kernreaktoren

Archi­tek­tur und Wir­kungs­wei­se von Kern­re­ak­to­ren sind inzwi­schen durch eine Viel­falt an Vari­an­ten gekenn­zeich­net, die aus der Ver­knüp­fung von drei grund­le­gen­den Ele­men­ten resul­tiert. Die­se Ele­men­te – Brenn­stoff, Mit­tel zur Beein­flus­sung der Neu­tro­nen­flüs­se und Kühl­mit­tel – for­men jeden Reak­tor und bestim­men sei­ne Funktionsweise.

Als Brenn­stoff kön­nen Uran-233, Uran-235 und Plu­to­ni­um-239 die­nen. Zusätz­lich spielt das Ele­ment Tho­ri­um eine beson­de­re Rol­le, da hier­mit die Erzeu­gung von Uran-Brenn­stoff mög­lich ist. Der nächs­te wich­ti­ge Bestand­teil ist das Kühl­mit­tel. Bis­he­ri­ge Reak­tor­kon­zep­te nut­zen dafür nor­ma­les Was­ser, auch als Leicht­was­ser bekannt, oder schwe­res Was­ser, aber auch Gas und Flüs­sig­me­tall. Als Mode­ra­tor zur Ver­rin­ge­rung der Neu­tro­nen­ge­schwin­dig­keit die­nen eben­so Was­ser und schwe­res Was­ser, aber auch Beryl­li­um und Gra­fit. Eine spe­zi­el­le Reak­tor­ka­te­go­rie bil­den Schnel­le Brü­ter, die kei­nen Mode­ra­tor benö­ti­gen. Ihre Effi­zi­enz bei der Kern­spal­tung basiert dar­auf, dass durch schnel­le Neu­tro­nen Uran-238 in Plu­to­ni­um-239 umge­wan­delt wird. Gespal­ten wird im Schnel­len Brü­ter das Plu­to­ni­um-239. Der Reak­tor erbrü­tet sei­nen Kern­brenn­stoff somit unter Nut­zung von Uran-238 selbst.

Die­se Kom­po­nen­ten bil­den die Basis zur Klas­si­fi­zie­rung der Reak­to­ren von der ers­ten bis zur vier­ten Gene­ra­ti­on. Die Fach­welt unter­schei­det fol­gen­de sechs Haupt­ka­te­go­rien, gekenn­zeich­net mit römi­schen Zif­fern: 

       I.         Leicht­was­ser­re­ak­to­ren (LWR), 

     II.         Schwer­was­ser­re­ak­to­ren (SWR), 

    III.         gra­phit­mo­de­rier­te Reak­to­ren, 

    IV.         schnel­le Brü­ter, 

     V.         Hoch­tem­pe­ra­tur-Reak­to­ren (HTR) und 

    VI.        Flüs­sig­s­alz­re­ak­to­ren. 

Jede die­ser Reak­tor­ka­te­go­rien wird wei­ter in mit Buch­sta­ben gekenn­zeich­ne­te Reak­tor­klas­sen unter­teilt, die jeweils ihre eige­nen cha­rak­te­ris­ti­schen Bau­ar­ten und tech­ni­schen Spe­zi­fi­ka­tio­nen auf­wei­sen. Die Reak­tor­klas­sen ent­spre­chen somit einer zwei­ten Glie­de­rungs­stu­fe, die ent­spre­chend der Lis­te im nächs­ten Abschnitt jeder Reak­tor­ka­te­go­rie zuge­ord­net werden.

Jede Reak­tor­klas­se ent­hält schluss­end­lich als drit­te Ebe­ne der Klas­si­fi­zie­rung zuge­hö­ri­ge Reak­tor­ty­pen mit num­me­ri­scher Ken­nung. Zusätz­lich wird allen Reak­tor­ty­pen als wei­te­res Merk­mal die Zuge­hö­rig­keit zu einer der Gene­ra­tio­nen I, II, III, III+ und IV zugewiesen.

Der Bau von Reak­to­ren erfolg­te im 20. Jahr­hun­dert im Rah­men von Groß­pro­jek­ten, qua­si in Form von Uni­ka­ten. Der­ar­ti­ge Pro­jek­te kos­ten inzwi­schen Mil­li­ar­den Dol­lar. Im 21. Jahr­hun­dert eta­blier­te sich zuneh­mend die Idee kos­ten­güns­ti­ger, indus­tri­ell zu pro­du­zie­ren­der, klei­ner und trans­por­ta­bler Kern­re­ak­to­ren. Unter der eng­lisch­spra­chi­gen Bezeich­nung Small Modu­lar Reac­tors (SMR) erwar­tet die Fach­welt bis zum Jahr 2035 für SMR einen Anteil in Höhe von 10 Pro­zent an neu­ge­bau­ten Reak­to­ren. Ange­sichts die­ses Trends berück­sich­tigt unse­re Reak­tor­klas­si­fi­zie­rung die Bau­wei­se als wesent­li­ches Unterscheidungsmerkmal.

 

Liste der Reaktorklassen

Nach­fol­gen­de Lis­te ent­hält die Reak­tor­klas­sen zu allen im letz­ten Abschnitt genann­ten Reak­tor­ka­te­go­rien. Buch­sta­ben kenn­zeich­nen die Klas­sen inner­halb einer Kate­go­rie. 

Reak­tor­klas­sen inner­halb der Reak­tor­ka­te­go­rie I (deut­sche und eng­li­sche Bezeichnung):

  • I.A. Druck­was­ser­re­ak­tor (DWR) — Pres­su­ri­zed Water Reac­tor (PWR)
  • I.B. Sie­de­was­ser­re­ak­tor (SWR) — Boi­ling Water Reac­tor (BWR)
  • I.C. Euro­päi­scher Druck­was­ser-reak­tor (EPR) von AREVA – Euro­pean Pres­su­ri­zed Reac­tor (EPR)
  • I.D. Über­kri­ti­scher Was­ser­re­ak­tor (ÜWR) — Super­cri­ti­cal Water Reac­tor (SCWR)
  • I.E. Inte­grier­ter Druck­was­ser­re­ak­tor (iDWR) — Inte­gral Pres­su­ri­zed Water Reac­tor (iPWR)

Reak­tor­klas­sen inner­halb der Reak­tor­ka­te­go­rie II (deut­sche und eng­li­sche Bezeichnung):

  • II.A. Schwer­was­ser-Druck­röh­ren­re­ak­to­ren — Pres­su­ri­sed Tubes Hea­vy Water Reactors
  • II.B. Schwer­was­ser-Druck­re­ak­to­ren — Pres­su­ri­zed Hea­vy Water Reac­tors (PHWR)

Reak­tor­klas­sen inner­halb der Reak­tor­ka­te­go­rie III (deut­sche und eng­li­sche Bezeichnung):

  • III.A. Gas-Druck­be­häl­ter-Reak­to­ren — Pres­su­ri­zed Gas Reactors
  • III.B. Leicht­was­ser-Druck­röh­ren­re­ak­to­ren — Pres­su­ri­sed Tube Reactors

Reak­tor­klas­sen inner­halb der Reak­tor­ka­te­go­rie IV (deut­sche und eng­li­sche Bezeichnung):

  • IV.A. Natri­um-gekühl­te Druck­be­häl­ter-Reak­to­ren — Sodium-Coo­led Pres­su­ri­zed Reactors
  • IV.B. Natri­um-gekühl­te Druck­röh­ren­re­ak­to­ren — Sodium-Coo­led Pres­su­ri­zed Tube Reactors
  • IV.C. Blei-gekühl­te Druck­be­häl­ter-Reak­to­ren — Lead-Coo­led Pres­su­ri­zed Reactors
  • IV.D. Gas-gekühl­te Druck­be­häl­ter-Reak­to­ren — Gas-Coo­led Pres­su­ri­zed Reactors

Reak­tor­klas­sen inner­halb der Reak­tor­ka­te­go­rie V (deut­sche und eng­li­sche Bezeichnung):

  • V.A. Kugel­hau­fen-Reak­to­ren — Peb­b­le Bed Reactor
  • V.B. Pris­ma­ti­sche Hoch­tem­pe­ra­tur­re­ak­to­ren (PHTR) — Pris­ma­tic High-Tem­pe­ra­tu­re Reac­tors (PHTR)

Reak­tor­klas­sen inner­halb der Reak­tor­ka­te­go­rie VI (deut­sche und eng­li­sche Bezeichnung):

  • VI.A. Flüs­sig­s­alz-Küh­lungs­re­ak­to­ren — Mol­ten Salt Coo­led Reac­tors (MSCR)
  • VI.B. Flüs­sig­s­alz-Brenn­stoff­re­ak­to­ren — Mol­ten Salt Fuel Reac­tors (MSFR)
  • VI.C. Dual-Flu­id-Reak­to­ren (DFRs)

Zum bes­se­ren Ver­ständ­nis die­ser nicht anschau­lich dar­ge­stell­ten Klas­si­fi­zie­rung dient an die­ser Stel­le das fol­gen­de Bei­spiel: der Reak­tor­typ West­ing­house AP1000 (USA) mit der Klas­si­fi­zie­rung I.A.1. Wei­te­re Ein­ord­nun­gen erfol­gen im nächs­ten Kapitel.

Klas­si­fi­zie­rung

  • Ebe­ne 1: Reak­tor­ka­te­go­rie I (fort­lau­fen­de römi­sche Zif­fern für Kategorien)
  • Ebe­ne 2: Reak­tor­klas­se A (fort­lau­fen­de Buch­sta­ben für Klassen)
  • Ebe­ne 3: Reak­tor­typ 1 (fort­lau­fen­de natür­li­che Zah­len für Typen)

Merk­ma­le des Reaktortyps

  • Bau­wei­se: kon­ven­tio­nel­le Großbauweise
  • Reak­tor­be­zeich­nung: West­ing­house AP1000 (USA)
  • Gene­ra­ti­on: II/III

Die Viel­falt der Reak­tor­klas­sen zeigt sowohl die Anpas­sungs­fä­hig­keit als auch die tech­no­lo­gi­schen Fort­schrit­te und Mög­lich­kei­ten in der Nukle­ar­tech­no­lo­gie. Bevor wir uns den zukunfts­wei­sen­den Kern­re­ak­to­ren der Gene­ra­ti­on IV zuwen­den, benö­ti­gen wir ein Modell zur Reak­tor­be­schrei­bung, um eine gemein­sa­me Spra­che zur Dar­stel­lung von Reak­tor­bau­wei­se und Reak­tor­funk­tio­nen zu ver­wen­den. Ansons­ten ergeht es uns wie beim Bau des Turms von Babel und wir ver­ste­hen die Unter­schie­de zwi­schen den ver­schie­de­nen Tech­no­lo­gie­ent­wick­lun­gen nicht.

 

Ontologisches Beschreibungsmodell für Reaktoren

Zur ein­heit­li­chen Beschrei­bung aller Reak­to­ren wird an die­ser Stel­le ein Begriffs­mo­dell vor­ge­schla­gen, das vom soge­nann­ten onto­lo­gi­schen Ener­gie­sys­tem­mo­dell abge­lei­tet ist. Die­ses Modell zer­legt ein Ener­gie­sys­tem in einen Satz von Ele­men­ten, die der Model­lie­rungs­exper­te Attri­bu­te nennt. Ein Teil die­ser Ele­men­te bil­det wie­der­um eine Grup­pe von Ener­gie­sys­tem­kom­po­nen­ten. Die­se Kom­po­nen­ten besit­zen bestimm­te Eigen­schaf­ten und Funk­tio­nen. Sie ste­hen über Ver­bin­dun­gen zuein­an­der in Bezie­hung (Rela­tio­nen). Der inter­es­sier­te Leser kann die begriff­li­che Grund­la­ge zu den The­men Sys­tem und Modell unter fol­gen­der Quel­le fin­den: [C/sells – IOP Teil D. (06/2020)].

Wir ver­fol­gen im nächs­ten Kapi­tel das Anlie­gen, bis­her betrie­be­ne und neue Reak­tor­ty­pen auf die­ser Basis ver­gleich­bar zu beschrei­ben. Dar­zu­stel­len sind somit je Reak­tor­klas­se die wich­tigs­ten Kom­po­nen­ten und Funk­tio­nen sowie ihre Eigen­schaf­ten und Ver­bin­dun­gen. Wir bli­cken dazu noch ein­mal auf das Kapi­tel „Rezep­tur der gesteu­er­ten Kern­spal­tung“ zurück. Zur popu­lär­wis­sen­schaft­li­chen Ver­an­schau­li­chung dient eine soge­nann­te Zuta­ten­lis­te, die die Rezep­tur zur Funk­ti­on eines Kern­re­ak­tors darstellt.

Die Ver­bin­dung mit dem genann­ten Ener­gie­sys­tem­mo­dell erfolgt über die Zuord­nung von Kom­po­nen­ten, Eigen­schaf­ten, Funk­tio­nen und Ver­bin­dun­gen zu den jewei­li­gen Zuta­ten. Dies soll die Ele­men­te eines Reak­tor­sys­tems über­schau­bar und für jede Reak­tor­klas­se auf glei­che Wei­se darstellen.

 I.         Brenn­stof­fe (Spalt­ma­te­ri­al)

  1. Aus­gangs­ma­te­ri­al und Transmutationen
  2. Struk­tur des Brenn­stof­fes und Aggregatzustand

II.         Zün­der (Spalt­aus­lö­ser)

  1. Lang­sa­me (ther­mi­sche) Neutronen
  2. Schnel­le Neutronen

III.         Neu­tro­nen­steue­rung

  1. Neu­tro­nen­quel­le zum Start der Kettenreaktion
  2. Neu­tro­nen­ab­sor­ber zum Ein­fan­gen von Neu­tro­nen zwecks Regu­lie­rung oder Unter­bin­dung der Kettenreaktion
  3. Mode­ra­tor zur Erzeu­gung lang­sa­mer (ther­mi­scher) Neutronen

IV.         Wär­me­trans­port und Kühlung

  1. Medi­en zur Auf­nah­me und Trans­port der Wär­me­en­er­gie der Spaltungsprodukte
  2. Kühl­mit­tel

V.         Sicher­heits­tech­ni­ken und Abfallbehandlung

  1. Kern­schmel­ze­be­hand­lung
  2. Behand­lung aus­ge­brann­ter Brennstoffe
  3. Abfäl­le und Abfalllagerung

Wir wer­den bei jedem Reak­tor­typ auf die­se Ele­men­te ein­ge­hen, wobei die ein­heit­li­che Form der Reak­tor­be­schrei­bung über das Rezep­tur­gleich­nis die Ver­gleich­bar­keit zwi­schen Reak­to­ren ver­bes­sert wer­den soll.

Klas­si­fi­zie­rung und Sys­tem­mo­dell für Kernreaktoren

Quellen

[C/sells – IOP Teil D. (06/2020)] Inter­ope­ra­bi­li­tät — Grund­la­gen der Mas­sen­fä­hig­keit Teil D. Glos­sar: Ergeb­nis­do­ku­ment Ter­mi­no­lo­gie Zel­lu­lä­res Ener­gie­sys­tem. SIN­TEG-Pro­gramm des BMWi. Pro­jekt C/sells. Teil­pro­jekt 2 / Arbeits­pa­ket 2.8. 04/2020

 

Klas­si­fi­zie­rung und Sys­tem­mo­dell für Kern­re­ak­to­ren: Lei­men / Hei­del­berg — 04. Janu­ar 2024

Andre­as Kieß­ling, ener­gy design

Kommentar verfassen

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert

drei + dreizehn =