Die Freiheitsmaschine – der Integral Fast Reactor (Teil 1: Einführung)

Was erwarten wir von einer guten Energiequelle?

„Umweltfreundlich soll sie sein!“, werden die meisten antworten. „Sie darf keine Schadstoffe in die Umgebung emittieren. Und sie soll nicht schon nach hundert Jahren erschöpft sein, sondern mindestens Jahrtausende lang zur Verfügung stehen. Auch wäre es gut, wenn sie für Menschen keine hohen Unfallrisiken birgt, zuverlässig ist und überall auf der Welt eingesetzt werden kann.“

Würde man fragen: „Und wie wäre es, wenn dieses Gerät als Nebeneffekt auch noch ein bereits vorhandenes Umweltproblem löst?“, dann bekäme man wohl meist die Antwort: „Ja, das wäre wunderbar, wenn es eine solche Maschine wirklich gäbe, genauso wie es wunderbar wäre, wenn es den Weihnachtsmann wirklich gäbe – aber das ist gewiß alles nur Phantasie!“

Unsere Träume reichen immer über die Realität hinaus. Was uns von den anderen Lebewesen auf der Erde unterscheidet, ist zum einen die Fähigkeit, uns vorzustellen, wie die Welt sein könnte oder sollte, zum anderen aber auch, gezielt Schritte zu unternehmen, um Veränderungen herbeizuführen. Anders als Dämme bauende Biber oder Turmnester kosntruierende Termiten folgen wir dabei nicht bloß Instinkten, sondern Träumen, Wünschen und Hoffnungen.

Nachdem Otto Hahn und Lise Meitner das Prinzip der neutronengeführten Kettenkernreaktion entdeckt hatten, schien der Traum von unbegrenzter Energie verwirklichbar zu sein: Denn Kernreaktionen setzen millionenmal mehr Energie frei als chemische. Sie können selbst aus winzigsten Stoffportionen große Wärmemengen herausholen (wenn auch nicht so viel wie die Materie/Antimaterie-Reaktion).

Als man in den 1940ern und ’50ern die  ersten Kernreaktoren konstruierte, waren nicht viele Uranvorkommen bekannt. Daher zielte man darauf ab, zu brüten, und dadurch die gesamte Uranressource (vor allem U238) zu nutzen und nicht nur das fissile U235. Der erste Kernreaktor, der Strom erzeugte, der EBR-I (Experimental Breeder Reactor I) war daher auch ein Brüter. Er versorgte zunächst vier Glühbirnen, später auch den Kontrollraum mit Elektrizität.

Im Laufe der folgenden Jahrzehnte wurden jedoch sehr große Uranlagerstätten entdeckt. Außerdem erwiesen sich thermische Reaktoren ohne Brutfähigkeit als einfacher und billiger konstruierbar. Daher verschob man den Einsatz von Brütern in die Zukunft, die Gegenwart gehörte dem Konverter, der nur in geringem Maß das U238 – die Hauptmasse der Ressoruce Uran – zu nutzen vermag.

Gegen Mitte des 20. Jahrhunderts hielt man fossile Brennstoffe noch quasi für unbegrenzt, und wegen Luftverschmutzung und Klimawandeln machte man sich noch keinerlei Gedanken. Die Kernenergie war das Ass im Ärmel, das man ausspielen würde, falls in der Zukunft Energieengpässe auftreten würden.  Angesichts der großen Uranressourcen und der Tatsache, dass die Kernenergie eigendlich nach wie vor eher experimenteller Natur war, schienen die ineffizienten Konverter völlig ausreichend.

Diese Situation hat sich gewandelt. Zum einen zeichnet sich ab, dass fossile Brennstoffe keinesfalls unbegrenzt sind sondern im Gegenteil kaum bis ins 22. Jahrhundert reichen dürften. Hinzu kommt, dass ihre Verbrennung mit schwerwiegenden Umweltproblemen einhergeht, von denen der Klimawandel nur eine ist. Zum anderen sehen wir mehr denn je, dass der Menschheit insgesamt viel zu wenig Energie zur Verfügung steht, damit aller sieben Milliarden (und in der Zukunft noch mehr) anständig leben können. Mangel an Trinkwasser, Wohnraum, Medikamenten, Kleidung und Nahrung haben immer auch Energiearmut mit als Ursache.

Eines ist klar: Wenn die Kernenergie bei der Bekämpfung dieser Probleme eine wichtige Rolle spielen soll, muß sie sich über die momentan verbreiteten Konverter hinaus entwickeln. Abgesehen von ihrer außerordentlichen ineffizienz – sie nutzen ja weniger als 1% des Urans – lassen mehrere „Kinderkrankheiten“ sie für einen massiven, weltweiten Einsatz ungeeignet erscheinen: Ihre Unfähigkeit, sich bei einem Pumpenausfall selbst zu kühlen, wirft Sicherheitsprobleme auf, und das weiche Neutronenspektrum führt zu einem fortlaufenden Aufbau langlebiger Transurane in den Brennelementen, ohne dass man einen konkreten Plan hat, wie mit diesem Material zu verfahren sei.

Das Faszinierende ist, dass die Lösung des ersten Problems – Ineffizienz – das dritte Problem – Transurane – gleich mit löst. Das zweite – Sicherheit – ist eine eher separate Angelegenheit, für die aber auch eine verblüffend einfache Lösung existiert.

Als die USA Anfang der 1980er das „Integral Fast Reactor„-Forschungsprogramm starteten, war den Wissenschaftlern des Argonne National Laboratory klar, worauf sie zurückgreifen konnten: Auf die jahrzehntelange Praxiserfahrung, die mit dem EBR-II, einer größeren Weiterentwicklung des EBR-I, die sogar Strom ins Netz einspeiste, gewonnen worden war. Es stellte sich heraus, dass der EBR-II genau die richtigen technologischen Zutaten enthielt, aus denen sich – unter Hinzufügung einiger weiterer, neuartiger Komponenten – eine Maschine konstruieren ließe, die genau die Eigenschaften hat, die ein Atomkraftwerk der Zukunft benötigt:

• Inhärente Sicherheit
• Steuerbarkeit der Menge langlebiger Transurane
• Fast komplette Nutzung der Ressource Uran
• Proliferationssicherheit
• Wirtschaftlichkeit

Um welche Zutaten handelt es sich?

Die verbreiteten Druck- und Siedewasserreaktoren arbeiten ein wenig wie ein Durchlauferhitzer: Ein Kühlmittel (Wasser) wird durch eine Wärmequelle hindurchgepumpt und entnimmt ihr dabei Energie. Versagt der Pumpmechanismus, wird der Durchlauferhitzer immer wärmer bis er Schaden nimmt, weil die Wärmequelle mehr Energie erzeugt, als entnommen wird.

Wie ließe sich dieses Problem vermeiden? Denken wir an Wärmequellen, die keine aktiven Pumpen brauchen, um ausreichend gekühlt zu bleiben: Z. Bsp. ein Tauchsieder in einem Wassertopf oder ein Kamin in einem Zimmer. Bei diesen sorgt schon die natürliche Konvektion (d.h. zirkulierende Strömungen, die durch Temperaturunterschiede ausgelöst werden) des Wassers bzw. der Luft dafür, dass die Wärme in ausreichendem Maße abtransportiert wird. Warum nicht einen Kernreaktor nach dem gleichen Prinzip aufbauen?!

Genau dies war in der Konstruktion des EBR-II realisiert. Es handelte sich um einen sogenannte Poolreaktor: Der eigentliche Kernreaktor befand sich in einem großen Becken, das mit flüssigem Natrium (schweres Kühlmittel für hartes Neutronenspektrum!) gefüllt war. Dieses zirkulierte unablässig, wie Wasser in einem Kochtopf, auch ohne dass die Pumpen aktiv arbeiteten. In zwei spektakulären Experimenten (April 1986) schaltete man die aktiven Kühlmechanismen  – einmal die Primärkreislaufpumpen und einmal die Wärmeentnahme aus dem Sekundärkreis – bei mit voller Leistung laufendem Reaktor ab! Die Maschine stabilisierte sich sofort, ohne dass irgendwelche kritischen Betriebszustände eintraten.

Die zweite essentielle Zutat ist ein metallischer Reaktorkern. Für kommerzielle Kernkraftwerke wählte man Oxid-Brennelemente: man glaubte, diese seien aufgrund ihres hohen Schmelzpunktes sicherer. Auch schwellen sie während des Aufenthalts im Reaktor nicht so stark an durch Spaltprodukt-Gasblasenbildung wie metallische. Die Forschungsarbeiten am EBR-II und später zum IFR-Projekt zeigten aber, dass Metallbrennelemente viele Vorteile haben. Bei übermäßiger Erhitzung dehnen sie sich stark aus, wodurch fissiles Material aus der Reaktionszone entfernt und die Reaktivität verringert wird. Die Abwesenheit von Sauerstoffatomen in ihnen erlaubt die Nutzung eines besonders harten Neutronenspektrums, was zu einem optimalen Abbrand von Transuranen führt. Außerdem können verbrauchte metallische Brennelemente mit einem neuartigen Aufbereitungsverfahren, dem sogenannten Pyroprocessing – einem elektrochemischen Verfahren das bei hohen Temperaturen in einer Salzschmelze abläuft – behandelt werden: Dieses erlaubt es, Spaltprodukte abzutrennen, Uran und Transurane dagegen  in neue Brennelemente einzubringen und wieder in den Reaktor zu schicken. Das einzige Abfallprodukt, das nicht wieder recycled wird, ist ein Mix von Spaltprodukten, dessen Radioaktivität nach wenigen Jahrhunderten schwächer geworden ist als die von natürlichem Uranerz.

Auch „verbrauchte“ Brennelemente von Leichtwasserreaktoren können so aufbereitet werden, nachdem zuerst in einem Reduktionsbad der Sauerstoff aus ihnen entfernt wurde. Die Transurane und das U238, woraus sie fast komplett bestehen, werden im schnellen Neutronenspektrum zur Energiequelle.

Da der Pyroprozess kein reines Plutonium 239 abzutrennen vermag (es bleibt immer mit anderen Transuranen verunreinigt) ist er zur Waffenherstellung ungeeignet.

Je nachdem, wie der Kern eines IFRs aufgebaut ist, kann die Menge an Transuranen verringert, gleich gehalten oder erhöht werden – um neue IFR mit ihnen zu starten. Dies erlaubt es, mit Transuranen zu wirtschaften, anstatt sie sich, wie bei den heutigen Kernkraftwerken, immer weiter ansammeln zu lassen, ohne dass man wirklich weiß, was man mit ihnen anstellen soll.

Das IFR-Projekt erzielte auf der ganzen Linie Erfolge, nicht nur theoretisch sondern auch im Experiment. Ein parallel durchgeführtes, industrielles Designprojekt entwarf den ALMR (Advanced Liquid Metal Reactor), der die kommerzielle Inkarnation des IFR werden sollte: Ein kleiner, modularer Reaktor, geeignet zur Serienproduktion in Fabriken. Einer alleine könnte ein kleines regionales Atomkraftwerk betreiben, mehrere zusammen ein großes zentrales. Sogar die Umrüstung von Kohlekraftwerken wäre so möglich: Durch Austausch des kohlebefeuerten Dampferzeugers durch ein IFR-Modul.

Warum wurden diese fabelhaften Maschinen nicht bis zur Serienreife entwickelt? Warum sind sie noch nicht auf der ganzen Welt verbreitet?

1993 beschloß die Clinton-Regierung, dass das gesamte Projekte eingestellt werden sollte. Man wäre versucht, diese Entscheidung als ökologisches und soziales Verbrechen zu bezeichnen.

Aber der IFR ist nicht tot. Träume sterben nie. Vor allem nicht, wenn es quasi schon realisierte Träume sind.

Andere Länder – Russland, Indien, China – unternehmen ernste Anstrengungen auf dem Gebiet der Brutreaktorentwicklung. Aber es wäre schade, die ganzen Forschungsergebnisse aus den USA einfach zu beerdigen. Insbesondere die Erfahrungen der amerikanischen Wissenschaftler mit metallischen Brennelementen sind unschätzbar. Die meisten anderen Brüter nutzen nämlich Oxidkerne, was wahrscheinlich eine ungünstige Wahl ist.

Längst sind Umweltschützer, aber auch Entwicklungshelfer, auf den IFR aufmerksam geworden. Zusammen mit vielen der an dem Projekten beteiligten Wissenschaftler gründeten sie den Science Council for Global Initiatives: Ein Projekt mit derartig weitreichend Möglichkeiten und Chancen darf nicht sterben!

Das IFR-Konzept ist ein großes Thema! Deshalb habe ich in einer kleinen Artikelserie verschiedene Aspekte herausgegriffen und genauer untersucht und vorgestellt:

• Aufbau und Konstruktionsprinzipien des IFR
• Sicherheitsaspekte
• Der Pyroprozess zur Brennstoffaufbereitung
• Zukunftsperspektiven und Einsatzszenarien für den IFR

Über Feedback, Kritik und Fragen freue ich mich jederzeit!

==> Teil 2: Konstruktionsprinzipien