Technologiesuche zur Energiegewinnung mit Kernspaltung
Militär bestimmt Technologieauswahl bei der Generation I
Vom „Chicago Pile 1“ im Rahmen des „Manhattan-Projektes zum Bau der Atombombe über die Entwicklung mit Kernenergie angetriebener U‑Boote oder die zum Glück gescheiterte Idee atomgetriebener Flugzeuge bis hin zur Verbreitung von Leichtwasserreaktoren in Kernkraftwerken und zur Forschung an sogenannten Schnellen Brütern mit der dualen Funktion zwecks Gewinnung von Energie als auch spaltbaren Elementen waren die Fortschritte bei der Nutzung der Energie der Atomkerne immer von militärischen Interessen bestimmt. Somit waren andere Konzepte zu sicheren und für militärische Begehrlichkeiten weniger nützlichen Kernkraftwerken trotz erfolgreicher Demonstrationen bei der Technologiesuche zur Energiegewinnung mit Kernspaltung chancenlos.
“Ich glaube keiner von uns, mit der möglichen Ausnahme von Edward Teller, war sich im klaren darüber, wie stark die Reaktorentwicklung von der Reaktorsicherheit abhängen würde”, Alvin Weinberg, Kernphysiker und Erfinder des Druckwasserreaktors
Inhaltsverzeichnis
- Die Energie der Atomkerne
- Energiepotenziale der Kernspaltung
- Rezeptur der gesteuerten Kernspaltung oder „Der Mann mit der Axt”
- Technologiesuche zur Energiegewinnung mit Kernspaltung in der Generation I
- Leichtwasserreaktoren der Generation II
- Harrisburg — Tschernobyl — Fukushima
- Neue Sicherheitskonzepte und die Generation III
- Kernkraftwerke neu gedacht und die Generation IV
- Die Energie der Sonne durch Kernfusion und aufkommende Technologien
Atomkraft ohne Risiko?
Im Rahmen des Manhattan-Projektes zeigte die Demonstration „Chicago Pile 1“ die Möglichkeit einer gesteuerten Kettenreaktion durch Kernspaltung. Doch das eigentliche Ziel des Manhattan-Projektes bestand im Bau von Atombomben. Die in diesem Zusammenhang parallel entwickelten Kernreaktoren sollten zuerst eine Aufgabe erfüllen. Es galt, Plutonium für Atombomben zu erbrüten. Zwar kann für diese Massenvernichtungswaffen auch Uran-235 benutzt werden. Aber dies erfordert den Abbau von Uranerz sowie die Aufbereitung des Rohstoffes. Erschwerend ist, dass in der Natur vorrangig Uran-238 vorkommt. Die im Erz enthaltene geringere Konzentration an Uran-235 muss in einem aufwendigen Prozess angereichert werden. Somit fiel die Entscheidung, die Atombombe mit Plutonium zu bauen, das ein Kernreaktor, der eine geringere Konzentration an Uran-235 benötigt, erbrüten sollte.
Es ging also Anfang der 1940-er Jahre überhaupt nicht darum, eine sichere und effiziente Form der Energiegewinnung zu entwickeln. Der Bau von Kernreaktoren musste sich der Entwicklung der Atombombe unterordnen. Die damals gefällten Entscheidungen bei der Technologiesuche zur Energiegewinnung mit Kernspaltung bestimmen noch heute die Sicherheit der Kernreaktoren der zweiten Generation. Plutonium bildet die Brücke zwischen der Entwicklung von Kernwaffen und Kernkraftwerken.
Im Manhattan-Projekt erhielt somit ein Team um den Kernphysiker Alvin Weinberg den Auftrag, einen Kernreaktor zu entwickeln, der Plutonium erbrütet. Um diese Aufgabe zu bewältigen, mussten die Wissenschaftler eine Instabilität in Kauf nehmen. Genau diese Instabilität spielte später beim Reaktorunglück in Tschernobyl eine entscheidende Rolle (Quelle: Thorium/Tonelotto). Dies bedeutete, dass beim Ausfall des Wasserkreislaufes der Reaktor außer Kontrolle geraten und explodieren kann. Der Öffentlichkeit gaukelte man aber vor, der Fokus läge auf der Entwicklung der friedlichen Nutzung von Kernenergie. Stattdessen formierte sich im Hintergrund ein Apparat, zehntausende von Atombomben zu produzieren. Wichtige Entscheidungen zur Reaktorentwicklung ordneten sich dieser Aufgabe unter.
Atomgetriebene U‑Boot
Graphitmoderierte Reaktoren
Bei Kenntnis der Hintergründe der Entwicklung erster Kernreaktoren verwundert es nicht, dass die ursprünglichen Interessenten an der Nutzung von Kernenergie nicht aus der Energiewirtschaft kamen. Nein, stattdessen interessierte sich die Marine für den Einsatz von Kernreaktoren in U‑Booten. Die Idee atomgetriebener U‑Boote, die quasi unendlich lange unter Wasser fahren konnten, war verführerisch.
Nun bestand die Aufgabe darin, die geeigneten Zutaten zu finden sowie eine Auswahl aus den damit verbundenen Variationsmöglichkeiten zu treffen. Mögliche Rezeptbestandteile haben wir im Kapitel „Rezeptur der gesteuerten Kernspaltung“ unter den Positionen I.a bis V.c betrachtet. Damit sind bei Kombination aller möglichen Zutaten tausend Reaktortypen denkbar.
Als Brennstoff (Position I.a) kam Uran-233, Uran-235 und Plutonium-239 in Frage. Als Wärmetransport- und Kühlmittel (Positionen IV.a – IV.c) wurden Wasser, schweres Wasser, Gas und Flüssigmetall betrachtet. Ein Moderator sollte die bei der Kernspaltung freiwerdenden schnellen Neutronen zu thermischen Neutronen (Position III.a) verlangsamen. Zur Auswahl standen dabei wiederum Wasser und schweres Wasser, aber auch Beryllium und Graphit (Position III.c). Ein schneller Brüter, dessen Name sich dadurch begründet, dass die Kernspaltung nicht mit thermischen sondern mit schnellen Neutronen (Position III.b) ausgelöst wird, benötigt wiederum keinen Moderator.
In den frühen Tagen der Reaktorentwicklung kam Graphit als Moderator in Frage. Graphit war kostengünstig und die moderierenden Eigenschaften von Wasser waren noch nicht bekannt. Das Material ist leicht zu bearbeiten und kann in unterschiedliche Formen gegossen werden, was die Integration in Reaktorkomponenten ermöglicht. Es bietet aber auch weitere Vorteile in Bezug auf das thermische Verhalten.
Druckwasserreaktoren
Wasser diente in den ersten Versuchsreaktoren vorrangig zum Wärmetransport in Richtung Turbinen sowie zur Kühlung. Mit Wasser kennt sich die Marine aus. Die Ingenieure mussten nur dafür sorgen, dass das Wasser nicht verdampft und immer wieder dem Kreislauf zugeführt wird. Der wasserbetriebene Kühlkreislauf sowie die Graphitblöcke, die bei der Kernspaltung freiwerdende schnelle Neutronen zu thermischen Neutronen verlangsamen, dürfen aber nicht in Kontakt kommen. Ansonsten führen chemische Reaktionen zwischen Graphit und Wasser zur Wärmeentwicklung und somit zur Gefahr eines Graphitbrandes. Deshalb muss bei graphitmoderierten Reaktoren das Wärmetransport- und Kühlmittel Wasser in gesonderten Röhren durch den Bereich der Kernbrennstoffe und des Moderator-Materials geführt werden.
Mit der Entdeckung der moderierenden Eigenschaften von Wasser entstand das Konzept der Leichtwasserreaktoren. Die mit Tabletten aus Uran-235 gefüllten Brennstäbe befinden sich im Wasser, das zugleich als Kühlmittel sowie als Moderator dient. Aber Wasser siedet leider schon bei rund 100 Grad Celsius. Um die Energie der Kernspaltung optimal abzutransportieren, werden Temperaturen um 300 Grad Celsius benötigt. Damit das Wasser nicht siedet, muss es unter hohen Druck gesetzt werden. Das Konzept des Druckwasserreaktors war geboren. Dieser Reaktor konnte in kompakterer Bauweise als ein graphit-moderierter Reaktor konstruiert werden.
Die Interessen der Marine bezüglich eines kostengünstigen Aufbaus mit minimalem Platzbedarf führten also zur Entscheidung, einen Reaktor mit Uran-235 als Brennstoff sowie mit Wasser zum Wärmetransport, zur Kühlung und zur Abbremsung der Neutronen im Druckbehälter zu bauen.
Die Umsetzung im ersten Atom-U-Boot Nautilus im Jahre 1952 verdankte er seiner kompakten, für ein U‑Boot passenden Größe sowie dem für die Marine geeigneten Umgang mit Wasser. In der Folge wurde dieses System auch bei Kernkraftwerken bevorzugt. Das erste kommerzielle Kernkraftwerk entstand 1954 noch mit einem graphitmoderierten Reaktor in der Sowjetunion in Obninsk sowie 1958 in den USA in Shippingport mit einem Druckwasserreaktor.
Atomgetriebenes Flugzeug
Flüssigbrennstoff
Die im Druckwasserreaktor verwendeten Festbrennstoffe bargen ein Problem. Nach der Reaktorabschaltung bei Störfällen finden in den Brennstäben weiterhin spontane Kernspaltungen statt. Für Reaktoren mit Maximalleistungen bis zu einem Gigawatt bedeutet dies immerhin noch mehrere Megawatt Restleistung. Die hierbei freiwerdende Wärmeenergie muss abgeführt werden. Darum kümmern sich Notkühlsysteme. Wenn diese Kühlsysteme versagen, drohen mehrere Risiken. Die steigende Temperatur im Reaktor kann die Schmelze des Brennstoffes bis hin zur unkontrollierten Kettenreaktion verursachen, was zur Katastrophe von Tschernobyl führte. Weiterhin verursachen hohe Temperaturen die Spaltung des Kühlwassers zu Wasserstoff und Sauerstoff. Dies kann zur Knallgasreaktion wie in Fukushima führen. Natürlich vereinfacht diese Darstellung das Geschehen stark. Aber wir widmen uns diesen Risiken ausführlicher im nächsten Kapitel.
Deshalb forschte schon frühzeitig ein Team um den Kernphysiker Alvin Weinberg in Oak Ridge an einem anderen Reaktortyp mit Flüssigbrennstoff. Dazu entstand der HRE 1 genannte Versuchsreaktor — der homogene, wässrige Reaktor — schon im Jahre 1953. Nach Lösung verschiedener technologischer Herausforderungen funktionierte der HRE 2 bis zu seiner Abschaltung im Jahr 1964 problemlos. Diese Anlage arbeitete auch mit thermischen Neutronen (Rezepturposition III.b). Sie wurde mit schwerem Wasser gekühlt (Positionen IV.a – IV.c) und mit Graphit moderiert (Position III.c). Aber als Brennstoff wurde flüssiges, zirkulierendes Uran-235 (Position I.a und b) eingesetzt.
Nun interessierten sich auch die Luftstreitkräfte der USA für diese Idee. Das Konzept atomgetriebener U‑Boote war in Flugzeugen nicht umsetzbar, aber Reaktoren mit Flüssigbrennstoffen schienen eine Alternative zu bieten. Die Airforce richtete mit starkem politischem Einfluss in Oak Ridge ein Projekt zur Entwicklung des atomgetriebenen Flugzeuges ein, das im Jahre 1961 wieder eingestellt wurde.
Die Flugzeugtriebwerke benötigen Temperaturen bis zu 800 Grad Celsius, was Festbrennstoffe ausschloss. Dies traf aber auch auf Wasser als Kühlmittel zu. Somit stellte sich die Frage, welches Mittel zum Wärmetransport und zur Kühlung sowie in welchem Zustand Uran als Flüssigbrennstoff geeignet war.
Flüssigsalz-Reaktoren
Geschmolzene Fluoride als Flüssigsalze mit darin aufgelöstem Uran waren die Antwort. Die Verbindung von Brennstoff, Wärmetransport und Kühlmittel im Flüssigsalz (Position I.a bis b sowie Position V.a bis c) war hergestellt.
Wasser benötigt Druckreaktoren, um bis zu 300 Grad Celsius Betriebstemperatur flüssig zu bleiben. Flüssigsalze sieden erst bei 1500 Grad Celsius und funktionieren somit bei 800 Grad problemlos. Flüssigsalz-Reaktoren benötigen deshalb keine Druckgefäße. Wasser als Kühlmittel besitzt in Verbindung mit einem Druckreaktor ein hohes Explosionsrisiko. Es neigt dazu, bei zu hohen Temperaturen durch die Spaltung zu Wasserstoff und Sauerstoff Knallgas zu bilden. Flüssigsalze sind chemisch äußerst stabile Verbindungen, womit ein Sicherheitsproblem entfällt.
Während der Präsidentschaft von John F. Kennedy reifte die Erkenntnis, dass es keine gute Idee ist, den Absturz eines Flugzeuges mit Kernreaktor zu riskieren. Die Airforce zog sich aus dem Vorhaben zurück. Aber die Vorteile dieses Reaktors waren offensichtlich. Im Jahre 1966 erfolgte die Inbetriebnahme eines Versuchsreaktors zur Energiegewinnung mit im Flüssigsalz aufgelösten Uran-235 mit der Bezeichnung MSRE (englisch: Molten-Salt Reactor Experiment), mit dem auch Materialprobleme dieses Reaktortyps gelöst wurden. Im Jahr 1968 fand ein weiteres Experiment zur Umstellung des Reaktors auf Thorium statt. Dieses Element ist in der Erdkruste häufiger vorhanden als Uran. Im Reaktor wird Thorium durch Kernreaktionen in Uran-233 als Brennstoff umgewandelt.
Wir kommen aber erst im Kapitel “Kernkraftwerke neu gedacht und die Generation IV” darauf zurück. Denn die Entwicklung des Flüssigsalz-Reaktors fand Anfang der 1970-er Jahre ein jähes Ende. Die politischen Entscheider waren der Meinung, dass Kernreaktoren gleichzeitig zur Energiegewinnung und zur Erzeugung von waffenfähigem Plutonium eingesetzt werden sollten. Sicherheitsbedenken der Kernphysiker von Oak Ridge wurden ignoriert und Alvin Weinberg, Miterfinder des Druckwasserreaktors, als Leiter der Entwicklung von Flüssigsalzreaktoren 1973 gefeuert.
Damit setzten sich die Leichtwasser-Reaktoren mit Festbrennstoffen als hauptsächliche Entwicklungslinie auf Basis von Siedewasserreaktoren, Druckwasserreaktoren und schnellen Brütern durch.
Siedewasser- und Druckwasserreaktoren sowie Schnelle Brüter
Militärische Interessen und Ignoranz gegenüber Risiken
Die Geschichte zeigt, dass militärische Interessen die Reaktorauswahl für die Energiewirtschaft bestimmten. Die US-Marine entschied sich für festes Uran-235 mit normalem Wasser (leichtes Wasser) als Kühlmittel und Neutronenbremsstoff. Die richtige Entscheidung, Kernreaktoren nicht in Flugzeugen einzusetzen, besiegelte gleichzeitig die Möglichkeit der friedlichen Nutzung anderer Reaktorkonzepte.
Damit fiel aber auch die Entscheidung gegen Reaktoren mit höherer Sicherheit. Bei Normaldruck betriebene Flüssigsalzreaktoren benötigen keine Druckgefäße. Sie arbeiten ohne Wasser, das in Leichtwasserreaktoren zur Knallgasbildung mit weiterem Explosionspotenzial führen kann. Auch die Verwendung von Graphit in graphitmoderierten Reaktoren birgt ein Risiko. Bei Störfällen kann der Kühlkreislauf mit Wasser versagen. Das weiterhin vorhandene Graphit bremst die durch anhaltende Kernspaltungen erzeugten Neutronen trotzdem ab. Diese Neutronen lösen wiederum Kernspaltungen aus. Der selbstverstärkende Prozess führt im schlimmsten Fall zum Schmelzen der Brennstäbe.
Außerdem neigt Uran in Form fester Pellets zu Porosität. Somit können nur 10 Prozent des Urans in Brennstäben zur Kernspaltung genutzt werden. Die Brennstäbe müssen ausgetauscht sowie in einem aufwendigen Verfahren mehrmals wiederaufbereitet werden. Am Schluss verbleibt ein hochradioaktives Material zur Endlagerung.
Die graphitmoderierten Reaktoren und auch die Leichtwasserreaktoren erzeugen radioaktive Stoffe mit Halbwertzeiten von mehreren hunderttausend Jahren. Dies schafft eine unlösbare Endlagerproblematik. Zu diesem radioaktiven Restmüll gehört waffenfähiges Material, das die friedliche Nutzung der Kernenergie zu einem hohen Risiko für die Menschheit macht. Flüssigsalzreaktoren sind als Brüter von kernwaffenfähigem Plutonium ungeeignet. Sie könnten somit die Akzeptanz in der Bevölkerung zur Nutzung der Kernenergie erhöhen.
Aber die Entscheidung für wassergekühlte Reaktoren bei der Technologiesuche zur Energiegewinnung mit Kernspaltung war gefallen. Wissenschaftler, die wie Alvin Weinberg auf die Risiken dieser Reaktortypen verwiesen, konnten sich kein Gehör verschaffen. Die weitere Differenzierung der sich weltweit durchsetzenden Reaktoren erfolgt unter den Begriffen Siedewasser‑, Druckwasserreaktoren und Schnelle Brüter.
Der Siegeszug der wassergekühlten Reaktoren mit Festbrennstoffen
Der Leichtwasserreaktor setzte sich weltweit durch. Aber nicht alle Reaktoren nutzten das Konzept des Druckwasserreaktors. Die konkurrierende Lösung des Siedewasserreaktors war kostengünstiger. Er funktioniert mit einem einzigen Dampf-Wasserkreislauf, ohne im Reaktorbehälter erhöhten Druck zu verwenden. Somit siedet das Wasser bereits bei 100 Grad Celsius, wobei entstehender Dampf direkt zum Antrieb der Turbinen dient. Die Turbinen treiben die Generatoren zur Erzeugung elektrischen Stroms an. Auch die Verwendung von natürlichem, also leichtem Wasser minimierte die Kosten. Die grundsätzlichen Schwächen des Siedewasserreaktors liegen in der niedrigen Siedetemperatur des Wassers bei Normaldruck, aber auch in der Verbindung zwischen dem hoch radioaktiven Bereich im Kernreaktor und dem Turbinenraum durch den Primärkühlkreislauf. Das folgende Kapitel „Harrisburg, Tschernobyl, Fukushima und die Generation II“ beschreibt das Konzept ausführlicher und geht auf die damit verbundenen Risiken ein.
Im alternativen Leichtwasserreaktor befindet sich das Wasser zusammen mit Brennstoff, Moderator und Steuerstäben in einem Druckbehälter. Der Druck beträgt rund 160 Bar, also das 160-fache gegenüber dem Luftdruck an der Erdoberfläche. Damit siedet Wasser erst bei 300 Grad und bleibt im Normalbetrieb des Reaktors flüssig. Ein Wärmetauscher überträgt die Wärme auf einen wasserbetriebenen Sekundärkreislauf. Dieses Konzept entkoppelt die Dampferzeugung und die Nutzung des Dampfes zum Antrieb der Turbinen vom Bereich hoher Radioaktivität. Mehr Details dazu gibt es ebenso im nächsten Kapitel.
Schlussendlich führte die Motivation zur Erzeugung von spaltbaren Materialien innerhalb der Reaktoren zum Konzept der schnellen Brüter. Hierbei handelt es sich auch um wassergekühlte Reaktoren mit Festbrennstoffen. Da nicht thermische Neutronen, sondern schnelle Neutronen zur Spaltung genutzt werden sollten, entfällt der Einsatz eines Moderators. Aber erhalten wir uns noch ein wenig die Neugierde auf das folgende Kapitel.
Quellen
[Thorium/Tonelotto] Thorium — Atomkraft ohne Risiko?, Regie: Myriam Tonelotto, Produktion: Citizen Films, 2018.
“Technologiesuche zur Energiegewinnung mit Kernspaltung” — Leimen / Heidelberg — 10. Januar 2023
Andreas Kießling, energy design
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