Die Freiheitsmaschine – der Integral Fast Reactor (Teil 2: Konstruktionsprinzipien)

< == Teil 1: Einführung

Es gibt Hunderte möglicher Kernreaktor-Konfigurationen. Sie können in einem Parameterraum lokalisiert werden, der – vereinfacht betrachtet – von vier bzw. fünf Achsen aufgespannt wird:

  • Brennstoff
  • Kühlmittel und Kühlkreislauf-Bauweise
  • Geometrie
  • ggf. Moderator
  • Brennstoffzyklus/Aufbereitung (gehört nur indirekt zum Reaktor selbst)


Die Wahl der ersten vier Parameter bestimmt die weiteren Eigenschaften des Reaktors (und hat Rückwirkungen auf den fünften): Unter anderem das Neutronenspektrum – schnell oder thermisch – und die Brutrate, die angibt, wie effizient die Maschine spaltbares Material aus fertilem erzeugt.

Als Brennstoff wurde für den IFR eine Metalllegierung gewählt. Dies war eine unkonventionelle Wahl: Fast alle Reaktoren der Welt, egal ob thermisch oder schnell, nutzen Oxidbrennstoff. Er bürgerte sich zu Beginn des Kernenergiezeitalters ein, da man mehrere seiner Eigenschaften für besonders vorteilhaft hielt: Zum einen sind Oxide als keramische Materialien äußerst hochschmelzend, zum anderen schwellen sie unter Neutronenbestrahlung nicht an. Bei den meisten Brüterprojekten – z. Bsp. Phenix/SuperPhenix in Frankreich, BN-600 in Russland oder Monju in Japan – wurde dieser Brennstofftyp einfach von den thermischen Reaktoren her übernommen, zusammen mit der Bauweise des Kühlkreislaufs: Man pumpte das Kühlmittel unten in den Reaktor hinein, oben wieder heraus, und leitete es zu einem Wärmetauscher außerhalb des Reaktors („Loop-Kühlung“) – genau wie bei einem LWR, nur dass jetzt statt Wasser Natrium zum Einsatz kam.

Es ist lustig, dass in der Technikgeschichte bestimmte Merkmale älterer Technologien bei neueren einfach übernommen werden, obwohl sie gar nicht mehr sinnvoll sind. Ein Beispiel ist die QWERTZ-Tastatur (Englisch: QWERTY). Sie wurde für Schreibmaschinen erfunden, bei denen man vermeiden wollte, dass Tasten, die oft direkt hintereinander gedrückt werden, nebeneinander liegen, damit die Hämmer sich nicht verklemmen. Bei moderneren Schreibmaschinen und Computern ist diese Anordnung völlig sinnlos, wird aber dennoch als „technologisches Rudiment“ weiterbenutzt. Ebenso ist es beim Brennstofftyp und der Bauweise des Kühlkreislaufs von Brutreaktoren. Oxid und Loop-Kühlung sind, wie die Forschungsarbeiten des Argonne National Laboratory ergaben, für Brüter im Grunde völlig ungeeignet. Der hauseigene Brutreaktor EBR-II – und das auf ihm aufbauende Projekt IFR – wurde mit völlig anderen Eigenschaften versehen: Metallbrennstoff und Poolbauweise, wodurch Sicherheit, Brutrate und Leichtigkeit von Recycling und Aufbereitung weit über alles hinaus gesteigert werden konnten, was bei Oxidbrütern möglich ist. Warum ist das so?

 

1. Metallbrennstoff 

Das Problem des Anschwellens des Metalls durch Bildung von Blasen gasförmiger Spaltprodukte konnte durch einen Trick behoben werden, der wie viele gute Ideen im Nachhinein einfach wirkt: Anstatt zu versuchen, durch immer neue Legierungen und Verschweißungen der Brennstabhülsen diese so robust zu machen, dass sie dem Druck des anschwellenden Brennstoffs standhielten, vergrößerte man ihren Radius relativ zum Brennstab selbst: Nun konnte dieser sich ungehindert ausdehnen, bis sich bei einer Schwellung von ca. 30% die Spaltgasblasen miteinander verbanden und die Gase in einen Hohlraum oberhalb des Brennstabs entließen. Danach schwoll das Material nur noch wenig an, und die Hülle wurde nicht sehr stark belastet. Zur thermischen Ankopplung des Brennstoffs an die Hülle wurde etwas Natrium in diese eingefüllt.

Der niedrige Schmelzpunkt von Uran-Plutonium-Legierungen konnte zum einen durch Zugabe von Zirkonium angehoben werden, zum anderen erwies sich diese Eigenschaft fast paradoxerweise als Sicherheitsbonus, wie wir im nächsten Kapitel über den IFR noch sehen werden! Hier sei soviel schon verraten: Erhöht sich die Temperatur über den Sollwert hinaus, dehnt das Metall sich stark aus, so dass Spaltstoffkerne aus der Reaktionszone entfernt werden und die Reaktivität stark sinkt, was Leistungsexkursionen automatisch begrenzt.

Außerdem hat Metall eine viel höhere thermische Leitfähigkeit als Oxid: Die erzeugte Wärme wird effizienter an das Kühlmittel abgegeben, und die Temperatur im Brennstabkern ist nicht viel höher als die des Kühlmittels, so dass deutlich weniger thermische Energie im Brennstoff gespeichert ist.

Um seinem Prädikat „Integral“ gerecht zu werden,  benötigt der IFR die Fähigkeit, seinen Brennstoff in einer direkt an den Reaktor angeschlossenen Anlage aufzubereiten und fast alles spaltbare Material (das sind im harten Neutronenspektrum alle Transurane) in Form neuer Brennstäbe wieder der Reaktion zuzuführen. Dies gewährleistet ein elektrochemischer Prozess, der Uran, Transurane und Spaltprodukte voneinander trennt, und der ebenfalls auf metallischen Brennstoff angewiesen ist. Zwar ist auch eine Verarbeitung von verbrauchtem Oxidbrennstoff – aus Leichtwasserreaktoren – damit möglich, sie benötigt jedoch eine vor den Elektroraffinierer geschaltete Reduktionsstufe.

Paper: Hofman et al. (1996): Metallic Fast Reactor Fuels

 

2.  Kühlmittel: Natrium. Kühlkreislauf: Kochtopf aka Pool.

Das Kühlprinzip des EBR-II/IFR versteht man sofort, wenn man sich anschaut, wie Wasser von einem Tauchsieder in einem Kochtopf erhitzt wird: Der Topf braucht keine aktiven Pumpen, um sich von allein ausreichend zu kühlen. Durch die Temperaturdifferenzen im Wasser entsteht von alleine ein System von Konvektionswirbeln, das Wärme vom Tauchsieder fort zu den Rändern des Topfes trägt, wo sie durch Wärmeleitung an die Umgebungsluft abgegeben wird.

Herkömmliche Kernkraftwerke dagegen funktionieren wie Durchlauferhitzer: Das Kühlmittel (meistens Wasser) wird von Pumpen durch den Reaktorkern gepresst und trägt dabei Wärmenergie fort. Beim Siedewasserreaktor wird es dabei gleich im Reaktor gasförmig und treibt direkt die Turbine, beim Druckwasserreaktor erhitzt der Primärkreislauf einen sekundären Kreislauf, der dabei in die Gasphase übergeht und die Turbine treibt. Beiden Konstruktionen gemeinsam ist dabei, dass das Kühlmittel aktiv in Bewegung gehalten werden muß, damit der Reaktorkern nicht überhitzt. Dass der Primärkreislauf unter hohem Druck steht, kommt als zusätzliches Sicherheitsrisiko hinzu.

Reaktoren, die wie der EBR-II nach dem „Kochtopfprinzip“ funktionieren, nennt man auch Poolreaktoren, da der Reaktor als ganzes in einem „Schwimmbecken“ voller Kühlmittel steht. Ein solcher Reaktor verfügt zwar auch über Pumpen, benötigt sie jedoch im Fall der Fälle nicht: Bei Stromausfall zirkuliert das Kühlmittel von alleine weiter, auch ohne Pumpenarbeit – genau wie die Suppe in einem Topf.

Soll ein hartes Neutronenspektrum genutzt – d.h. nicht moderiert – werden, um eine hohe Brutrate und einen effizienten Abbrand von Plutonium und anderen Transuranen zu erzielen, kann nicht mit Wasser gekühlt werden: Stöße mit den Protonen in den Wasserstoffatomen würden die Neutronen viel zu stark abbremsen! Überhaupt sollten alle leichten Elemente aus dem Reaktor möglichst fern gehalten werden – hier kommt ein weiterer Vorteil des metallischen Brennstoffs ohne Sauerstoffatome zum Tragen! Als Kühlmittel müssen flüssige Metalle genutzt werden: Natrium oder Blei/Bismuth-Gemische. Auf den ersten Blick scheint Blei/Bismuth günstiger zu sein, da Natrium stark reduzierend wirkt, aber diese Wahl hat deutliche Nachteile: Zum einen ist die Dichte von Blei sehr hoch, was eine sehr hohe Pumpleistung erfordert, zum anderen neigt es dazu, andere Metalle anzugreifen. Natrium reagiert zwar heftig mit Luft und Wasser, anderen Metallen gegenüber ist es dagegen sehr verträglich. Außerdem muß man berücksichtigen, dass das radioaktive Primärkühlmittel den Reaktor nie verlässt: Es zirkuliert nur ständig in dem Becken, in dem er montiert ist. Dieses verfügt über eine doppelte Wand, wobei der Hohlraum mit dem inerten Gas Argon gefüllt ist, so dass Sauerstoff gar nicht erst in die Nähe des Primärkreislaufs kommt.

Eine andere Variante, die manche in Betracht ziehen, ist die Kühlung durch Helium. Dies erlaubt trotzt niedrigen Atomgewichtes des Kühlmittels ein hartes Neutronenspektrum, da die Dichte des Gases sehr gering ist. Dieses Kühlmittel erlaubt es dem Reaktor jedoch nicht, eine seiner wichtigsten Sicherheitseigenschaften auszuspielen: Wegen der geringen Wärmekapazität ist hier aktives Pumpen stets erforderlich, der „Kochtopfeffekt“ kann nicht genutzt werden. Außerdem muß das Helium unter erhöhtem Druck stehen (sonst würde es nicht schnell genug strömen), während der Natriumkreislauf bei Normaldruck arbeitet. Letzteres ist ein bedeutender Sicherheitsvorteil, da eventuelle Lecks nicht zum explosiven Kühlmittelaustritt führen.

Natrium ist allen bisherigen Forschungen zufolge das optimale Kühlmittel für einen Schnellen Reaktor. Mehr über die Sicherheitsaspekte von Natriumkreisläufen werdet ihr im nächsten IFR-Beitrag lesen können.

Wenn das Primärkühlmittel den Reaktor nicht verlässt, wie kommt dann die Wärmeenergie zur Turbine? Dafür sorgt der Sekundärkreislauf, der ebenfalls auf flüssigem Natrium beruht: Er fließt durch den Primärkreislauf (abgeschirmt von der Strahlung) in einem Wärmetauscher hindurch und trägt die Energie zum Dampferzeuger außerhalb des Reaktors. Dort überträgt er die Wärme endlich auf den Tertiärkreislauf, welcher auf verdampfendem Wasser beruht und den Turbogenerator treibt. Übrigens gibt es auch Entwürfe, bei welchen der Tertiärkreislauf superkritisches Kohlendioxid enthält – falls jemand um keinen Preis Wasser und Natrium in der gleichen Anlage sehen möchte.

 

3. Geometrie: Hexagonal. 

Alle Brettspiele-Fans sollten nun kurz an das Spielfeld von „Die Siedler von Catan“ denken.

Neutronen-Ökonomie ist in einem Brüter alles: Damit ein Überschuss an spaltbarem Material erzielt werden kann, müssen pro Spaltung möglichst viele Neutronen erzeugt werden, und von diesen möglichst wenige verloren gehen. Daher sollte der Anteil des Spalt- bzw. Brutstoffes an der Gesamtmasse des Reaktors möglichst hoch, und die Oberfläche des Reaktors pro Masseneinheit klein sein. Das bei LWR übliche rechteckige Layout ist dafür ungünstig. Viel besser ist eine sechseckige Geometrie: Die Brennstäbe sind in Form eines Gitters gleichseitiger Dreiecke angeordnet, und füllen hexagonale Kühlkanäle aus, von denen jeder über hundert Brennstäbe enthält. Zusammen bildet eine größerer Zahl dieser Kanäle einen wiederum im Ganzen sechseckigen Reaktorkern.

Der Clou ist nun, dass je nachdem, wie der Kern dimensioniert wird, und wie verschiedene Materialien in ihm angeordnet sind, verschiedene Transuran-Bilanzen erzielt werden können: Brut, Break-Even (Reaktor erzeugt genau soviel, wie er verbraucht), oder Abbrand (Reduktion der Transuranmenge). Zusammen mit dem Aufbereitungs-Pyroprozess erlaubt dies, die auf der Erde vorhandene Menge an Transuranen – die plötzlich gar nicht mehr „Atommüll“ heißen sondern „Energiequelle“ – präzise zu steuern. Sollen schnell viele neue IFR in Betrieb genommen werden, wird die Menge erhöht, sollen die vorhandenen ohne weitere Kapazitätserhöhung das vorhandene U238 aufbrauchen, wird Break-Even eingestellt und die Transuranmenge konstant gehalten, soll sie gesenkt werden, z. Bsp. weil in Form von Fusionskraftwerken eine neue Energiequelle zur Verfügung steht die die IFR voraussichtlich ablösen wird, dann ist auch dies möglich.

Brutkerne haben ein geringes Breite-zu-Höhe-Verhätnis (i.e. sie sind „schlank“) und verfügen außen herum um ein Blanket aus fast reinem Uran 238, das die austretenden Neutronen auffängt und zur Plutoniumerzeugung nutzt. Abbrandkerne dagegen sind „pfannkuchenförmig“ – sehr breit und niedrig – um die Leckrate zu erhöhen, und haben statt des Blankets einen Neutronenreflektor aus Stahl. Durch geeignete Anordnung von Spalt- und Brutstoff und von Blanket- und Reflektorelementen, sowie Veränderung der Form des Kerns kann das Brut-/Abbrandverhalten fast beliebig modifiziert werden: Nettoproduktion von Transuranen, Nettoabbrand und Break-Even als Grenzfall dazwischen. Auch an einem bereits arbeitenden Reaktor können leicht die entsprechenden Änderungen vorgenommen werden.

Paper: Wade and Hill (1996): The Design Rationale of the IFR

 

4. Aufbereitung: Der Pyroprozess

Von Anfang an verfügte der EBR-II über eine direkt an ihn angeschlossene Aufbereitungsanlage: Ein kastenförmiges Gebäude, mit normaler Luft gefüllt, in dem die Brennelemente auseinandergebaut wurden, nachdem sie zwei Wochen in einem Abklingbecken im Reaktorgebäude verbracht hatten, und ein mit Argon gefluteter ringförmiger Bereich, in dem die eigentliche Aufbereitung mithilfe von ferngesteuerten Effektoren durchgeführt wurde: Ursprünglich schmolz man den Brennstoff einfach, wodurch ein Teil der Spaltprodukte aus ihm entfernt wurde, und goss aus der Schmelze neue Brennstäbe. Es war jedoch klar, dass diese Methode für den IFR viel zu krude und ineffizient war. Das Ziel bestand ja darin, so gut wie alle Transurane – ca. 99.9% – wieder zurück in den Reaktor zu bringen, damit als Abfallstrom fast nur Spaltprodukte übrigblieben, deren gemeinsame Radiotoxizität nach 300 Jahren unter die von natürlichem Uranerz fällt.

Dies gelingt dem sogenannten Pyroprozess! Im Allgemeinen bezeichnet man als „Pyroprozess“ jedes chemische Verfahren, dass unter Einwirkung von Hitze abläuft. In diesem Fall handelt es sich um ein Zusammenwirken von hohen Temperaturen und elektrischer Spannung: Kern des Prozesses ist der Elektroraffinierer. Dieser ist ein Becken, in dem sich 500 Grad heiße Salzschmelze befindet. Die vorher kleingeschnittenen Brennstäbe kommen zusammen mit ihren Hüllen in einen Anodenkorb (positive Spannung – Elektronenakzeptor) in der Schmelze. Der Uran/Transurane/Spaltprodukte-Mix löst sich in dem heißen Salz auf. Zuerst wird das Uran zu einer Stabkathode (negative Spannung – Elektronendonator) transportiert, an der es sich dendritisch (in Form fraktal verästelter Zweige) ablagert. Sobald die Urankonzentration in der Schmelze hinreichend gesunken ist, kommt eine zweite Kathode mit anderer Spannung zum Einsatz, die aus einem Becken mit flüssigem Kadmium besteht. Sie sammelt die Transurane auf. Aufgrund einer Laune der Natur sprechen alle Transurane fast auf die gleiche Kathodenspannung an, so dass ein Mischprodukt entsteht, und kein reines Plutonium gewonnen werden kann: Schlechte Nachricht für Bombenbastler – gute Nachricht für den Frieden!

In der Pyroprozessanlage herrscht starke Radioaktivität – sie ist eine sogenannte „heiße Zone“. Daher werden die Arbeiten ausschließlich mithilfe von ferngesteuerten Effektoren und/oder Robotern durchgeführt werden.

Uran und Transurane werden anschließend in einem elektrischen Schmelzofen zu neuen Brennstäben gegossen.

Die Spaltprodukte bleiben teils zusammen mit den Brennstabhülsen im Anodenkorb zurück (Edelmetalle) oder aber gelöst in der Salzschmelze (sonstige Spaltprodukte) aus der sie herausgefiltert werden können. Hülsen und Edelmetalle werden zu robusten Stahlblöcken zusammengeschmolzen, die unedlen Spaltprodukte in Sodalith gesintert. Anschließend sollten sie rund 300 Jahre – während derer ihre Radioaktivität rasch abnimmt – in einem Stollen, einem Gewölbe, einem Bunker oder irgendeinem anderen robusten Lagerraum untergebracht werden. Man bedenke, dass es noch nie ein Problem darstellte, Gebäude zu errichten, die bedeutend länger stabil bleiben.

Paper: Laidler et al. (1996): Development of Pyroprocessing Technology

ANL Technical Report: Battles et al. (1991): Pyrometallurgical processing of Integral Fast Reactor metal fuels

 

Wie wird ein IFR-Kraftwerk nun voraussichtlich aussehen?

Eine klassisches, monolithisches Kernkraftwerk mit 1000 – 2000 MWe ist eine Möglichkeit. Als solches wird sich ein IFR optisch nicht sonderlich von den üblichen AKW unterscheiden: Eine oder zwei Reaktorkuppeln, oft mehrere Kühltürme, ein Turbinenhaus und ein Hochspannwerk. Direkt neben den Kuppeln wird jedoch als auffällige Neuerung die Pyroprozessanlage stehen! Wie beim EBR-II werden Tunnel oder Korridore sie mit den Reaktoren verbinden.

Andere Entwürfe dagegen planen den Einsatz kleiner modularer Reaktoren, von denen jeder wenige 100 MWe erzeugt. Diese könnten zum optimalen Schutz vor Flugzeugabstürzen oder Terroranschlägen unterirdisch installiert werden. Mehrere zusammen bilden ein großes Kraftwerk, oder einer alleine ein kleines Regionalkraftwerk, das eine kleinere Stadt oder ein Industriewerk lokal mit Elektrizität und Wärme versorgt.

Paper: Gluekler (1996): US Advanced Liquid Metal Reactor (ALMR) 

Ähnliches Design: PRISM (Power Reactor Innovative Small Module, ein Projekt von GE Hitachi mit IFR-ähnlichen Eigenschaften, wenn auch leider ohne Pyroprozessanlage) 

 

Zusammenfassung: Besonderheiten des IFR

  • Brennstoff ist eine Legierung aus Uran, Plutonium und Zirkonium. Dies sorgt für eine sehr hohe Brutrate, ausgezeichnete Sicherheitseigenschaften und einfache Aufbereitung.
  • Das Primärkühlsystem beruht auf einem Becken, das mit flüssigem Natrium gefüllt ist und wie ein Kochtopf wirkt: Pumpen sind nicht zwingend nötig, um Zirkulation für eine ausreichende Kühlung aufrecht zu erhalten. Die Ereignisse in Fukushima hätten einen IFR völlig kalt gelassen.
  • Durch Veränderung der Kerngeometrie kann Brut, Break-Even oder Abbrand erzielt werden.
  • Der Pyroprozess separiert Uran, Transurane und Spaltprodukte voneinander. Transurane werden zu 99.9% weitergenutzt – der radioaktive Abfall ist daher nach weniger Jahrhunderten harmlos. Der Prozess kann kein reines Pu239 separieren, ist daher zum Waffenbau ungeeignet. Er kann dagegen sehr wohl genutzt werden, um LWR-Atommüll zu recyceln: Indem dieser erst in einem vorgeschalteten Prozess reduziert und anschließend genau wie die IFR-Brennstäbe elektroraffiniert wird.

Das Zeitalter der Leichtwasserreaktoren mag allmählich zuende gehen. Möge die Morgendämmerung der IFR anbrechen, und das Atomzeitalter – ein Zeitalter sauberer, praktisch unbegrenzter Energie – damit erst wirklich beginnen!

==> Teil 3: Sicherheit

13 Gedanken zu “Die Freiheitsmaschine – der Integral Fast Reactor (Teil 2: Konstruktionsprinzipien)

  1. Ihre Darstellung der Schnellen Reaktoren, der dazugehörigen Brennstoffkreisläufe und der Hoffnungen, die in sie gesetzt wurden, wurde leider von der Wirklichkeit dieser Technologie schon lange eingeholt. Nach fast 50 Jahren Entwicklungszeit und vielen Milliarden, die in die Technologie gesteckt wurden, ist auch heute kein kommerzieller schneller Brüter in Betrieb.
    Meine These: Schnelle Reaktoren werden auch in den nächsten Jahrzehnten keinen Beitrag zur Energieversorgung leisten. Und dies liegt nicht an Übel meinenden und Zukunftstechnologien ablehnenden irrationalen Atomgegnern, sondern ist in der Technologie selbst begründet.
    Ihre positive Darstellung der Sicherheit und Zuverlässigkeit von schnellen Brütern und der Wiederaufarbeitung ohne detaillierter auf die Probleme der Technologie einzugehen (Zuverlässigkeit wegen Sodiumbränden, Ökonomie, Radionuklidfreisetzung bei WAA, Proliferation, Sicherheit bei LOCA, positiver Void Coefficient etc.) scheitert an ihrem eigenen Anspruch rational über diese Technologie nachzudenken:
    „Entscheidungen sollten stets rational begründet sein und nicht aus Angst heraus gefällt werden. Einmal getroffene Entscheidungen sind im Licht neuer Erkenntnisse zu überprüfen.“
    Dies ließe sich ergänzen durch folgenden Satz:
    „Entscheidungen sollten stets rational begründet sein und nicht aus falscher Begeisterung heraus gefällt werden.“
    Dazu würde gehören sich auch rationale Kritiken zur Kenntnis zu nehmen. Etwa hier.
    http://fissilematerials.org/library/rr08.pdf
    Dies trifft übrigens genauso auf Ihre Darstellung der Uranressourcen in einem anderen Blogeintrag zu.
    Bei erneuerbaren Energieträgern übrigens zeigen Sie ja auch, wie man auf die Probleme großindustriellen Einsatzes der Energieproduktion hinweisen muss und nicht einfach in Begeisterungsstürme („Freiheitsmaschine“) verfallen darf.

    Mit besten Grüßen
    M. Englert

    • Nach fast 50 Jahren Entwicklungszeit und vielen Milliarden, die in die Technologie gesteckt wurden, ist auch heute kein kommerzieller schneller Brüter in Betrieb.

      http://en.wikipedia.org/wiki/BN-600

      Ihre positive Darstellung der Sicherheit und Zuverlässigkeit von schnellen Brütern und der Wiederaufarbeitung ohne detaillierter auf die Probleme der Technologie einzugehen (Zuverlässigkeit wegen Sodiumbränden, Ökonomie, Radionuklidfreisetzung bei WAA, Proliferation, Sicherheit bei LOCA, positiver Void Coefficient etc.) scheitert an ihrem eigenen Anspruch rational über diese Technologie nachzudenken:

      Auf diese Problematiken gehe ich detaillierter in folgendem Beitrag ein: http://nuklearia.de/2012/06/13/die-freiheitsmaschine-der-integral-fast-reactor-teil-3-sicherheit/
      Es geht hier ja nicht um gebräuchliche Oxidkern-Brüter mit Loopkühlung, sondern über das IFR-Konzept: Metallkern mit Pool-Kühlung. Hieraus ergibt sich ein völlig anderes Verhalten bei Abweichung vom Sollzustand. Und die integrierte elektrochemische Aufbereitungsanlage macht die Abzweigung von waffenfähigem Material zumindest außerordentlich kompliziert: http://nuklearia.de/2012/07/15/die-freiheitsmaschine-der-integral-fast-reactor-teil-4-brennstoffaufbereitung-durch-pyroprocessing/

      Dazu würde gehören sich auch rationale Kritiken zur Kenntnis zu nehmen. Etwa hier.
      http://fissilematerials.org/library/rr08.pdf

      Okay, danke. Werde mich mit dieser Arbeit beschäftigen.

      Dies trifft übrigens genauso auf Ihre Darstellung der Uranressourcen in einem anderen Blogeintrag zu.

      An welcher Stelle würden Sie diese Darstellung als fehlerhaft ansehen?

      Bei erneuerbaren Energieträgern übrigens zeigen Sie ja auch, wie man auf die Probleme großindustriellen Einsatzes der Energieproduktion hinweisen muss und nicht einfach in Begeisterungsstürme (“Freiheitsmaschine”) verfallen darf.

      Sie haben natürlich damit recht: Jeder hat seine Lieblingstechnologie und bewertet sie „instinktiv“ besonders positiv. Wer weiß: Könnte es in den nächsten Jahren einen Durchbruch in der Solartechnik geben – etwa mit Nanobeschichtungen, die 99% des einfallenden Lichtes in Elektrizität umsetzen? Falls ja, dann wäre diese Nanobeschichtung die „Freiheitsmaschine“. Allerdings müssen wir dann immer noch das Problem der langlebigen Transurane in den angesammelten Reaktorabfällen lösen. Und dazu braucht es ein hartes Neutronenspektrum. Auch für prozesswärmebedürftige Anwendungen in der Industrie bleiben Kernreaktoren eine interessante Option, wie auch als Antrieb für Schiffe (sowohl Meeres- wie Raumschiffe). Das brauchen nicht zwingend IFRs zu sein. Flüssigsalzreaktoren oder beschleunigergetriebene Systeme könnten für manche Anwendungen geeigneter sein.

      Natürlich sollte man stets versuchen, ausgewogen über alles nachzudenken. Eventuell werde ich mal einen Artikel in Form eines Gesprächs zwischen mir und einem Kernenergie-Skeptiker schreiben (und damit meine ich keinen fiktiven Dialog sondern ich möchte dieses Gespräch wirklich mit jemandem führen und veröffentlichen).

  2. Nun, es mag intellektuell spannend sein, sich mit Atomtechnlogogien auch neuerer Art auseinanderzusetzen. Fakt bleibt: das es überhaupt Atomreaktoren gibt verdanken wir zunächst der Erfindung bzw. Entwicklung von Atombomben. Dass ’nebenbei‘ systembedingt große Wärme-/Energiemengen frei werden und man das kommerziell (zivil) nutzen kann, ist ein ähnliches ‚Nebenprodukt‘ wie die Teflonpfanne, nur, leider, viiiiel gefährlicher.
    (Schnelle) Brutreaktoren waren bisher sämtlichst ein Riesenflop, und auch die nichtrealisierten Projekte wie Kalkar in D. ein Milliardengrab, zum Glück nie atomar bestückt.

    Das ungelöste ‚Endlagerproblem‘ durch eine noch ungelöstere ‚100 Jahre weiterfahren‘-Strategie mit Brutreaktoren zu ersetzen halte ich für einen Irrweg, selbst wenn das ein oder andere Problem technisch gelöst werden kann. Und richtig viele Milliarden für die Atomforschung kamen und kommen eben nur zu Stande wenn ein ökonomischer Nutzen am Ende des Tunnels erkennbar ist oder ein militärischer Nutzen anliegt oder der Steuerzahler angezapft wird.

    Die Atomenergiefreunde bei den Piraten sind somit nicht nur auf einer eher exotischen Schiene untewegs (Fortenwicklung Brutreaktoren), sondern auch auf einer gesellschaftlich nicht akzeptierten. Dass die Nuklearpiraten das Thema der gesellschaftlichen Akzeptanz (leider) ausblenden, ist unklug und schade.

    In einer Partei, die sich strikt demokratisch definiert und den Bürger/Einwohnerwillen zur maßgeblichen Prämisse ihres Handelns macht, muß die erste Kontrollfrage lauten: gibt es einen Ort in der Bundesrepublik, an dem man mit mehrheitlicher Akzeptanz der Bevölkerung für einen neuartigen Atomreaktortyp ‚moderner Brüter‘ denselben wird errichten können ohne massive Widerstände?
    Diese Frage kann man getrost jetzt hier und heute ohne ein Meinungsforschungsinstitut oder LQFB zu bemühen mit ‚voraussichtlich nein‘ beantworten.

    Rein aus verfahrensökonomischen Gründen erübrigt sich daher die Diskussion innerhalb der Partei um ein ‚ja‘ oder ’nein‘ zu solchen Reaktoren und deren Neuerrichtung.
    Unabhängig davon können, selbstverständlich, Atomtechnikbegeisterte bzw. -interessierte neue Ideen diskutieren, und über ihren Disskussionsprozess informieren.

    Wer aber Vorgänge z.B. in einem mit flüssigem Natrium gekühlten Atomreaktor mit kochendem Wasser in einem Tauchsieder vergleicht, verharmlost unzulässig, auch wenn er ein Prinzip erläutern möchte.

    Ein Atomkraftwerk ist keine Bonbonfabrik und keine Teeküche, das sollte schlicht und einfach mal klar sein, vollkommen unabhängig vom ‚wie‘ der ablaufenden technologischen Prozesse. Radioaktives Inventar in einem kommerziellen Atomrekator ist stets hochgefährlich und potenziell hochgefährdend, und energetische Prozesse bei denen Leistungen in Gigaawattbereich ‚abgerufen‘ bzw. generiert werden können sind es auch.

    • „Riesenflop“ eher nicht – sie haben sich aufgrund der höheren Anschaffungskosten und niedriger Uranpreise eben nur noch nicht durchgesetzt. Das mit den Atombomben ist eher ein Nullargument – Raketen wurden auch zu militärischen Zwecken entwickelt (Stichwort V2), soll man deshalb nun auf Einsatz der Rückstoßtechnologie verzichten?

      Wer die langlebigen Transurane im schon vorhandenen Atommüll nicht in neuen Reaktoren transmutieren will, muss eben ein Endlager für 300.000 Jahre finden: Nicht einfach!

      Dass wir Nukleiden eine Minderheitenmeinung vertreten – hoppla, das haben wir auch schon gemerkt 😉 Aber im Ernst, dass man den Mehrheitswillen zur obersten Richtschnur der eigenen politischen Ansichten und Ziele machen sollte, da muss ich dir einfach widersprechen: Wenn die Mehrheit der Deutschen die Ausübung des Islam verbieten oder die Todesstrafe wiedereinführen will, werde ich ganz sicher nicht zustimmen!

      Im englischsprachigen Ausland wird in Umweltschützerkreisen ganz offen über Kerntechnik und ihren Einsatz diskutiert. Viele, die dort früher gegen Kernkraft waren, sind nun dafür – z. Bsp.:
      http://www.marklynas.org
      http://www.monbiot.com

      International betrachtet sind wir somit keinesfalls eine „winzige Randgruppe“. Interessant ist, das Falkvinge, der Gründer der ursprünglichen schwedischen Piratenpartei, sich für den Einsatz von LFTR ausgesprchen hat. Er wäre somit Mitglied der Nuklearia, wenn er Deutscher wäre.

      Zum Schluß möchte ich hinzufügen, dass den ganzen Globus auf europäischem Niveau nur von klassischen Erneuerbaren zu speisen in absehbarer Zukunft nicht umsetzbar ist. Zusammen mit der Notwendigkeit, die langlebigen Komponenten schon vorhandener Reaktorabfälle zu zerstören folgt aus meiner Sicht hieraus ganz klar die dringende Notwendigkeit von Kernreaktoren der IV. Generation.

  3. Naja… also die britische Regierung denkt ernsthaft darueber nach, den PRISM zur Reduktion ihres Plutoniuminventars einzusetzen.

  4. Auch wenn vieles in diesem Artikel richtig ist möchte ich doch einige Kritikpunkte.

    1) Pool vs. Loop
    Zunächst muss man festhalten das die russischen BN Reaktoren und der Super Phenix (im Gegensatz zum Phenix) sowie auch etwa der britische PFR ebenfalls Pool Reaktoren waren/sind, das ist also kein Alleinstellungsmerkmal des IFR.

    Die Poolbauweise hat auch einige Nachteile: der Pool ist sehr groß und muss vor Ort aus Segmenten zusammengeschweißt werden, das ist aufwendig und teuer. Außerdem sind viele wichtige und recht komplexe Einbauten im flüssigen Metall versenkt wodurch sie sich nur schwer warten lassen.

    2) Metall vs. Oxidbrennstoff
    Der wichtigste Grund dafür warum in allen modernen Reaktortypen Oxidbrennstoff verwendet wird ist die höhere Temperatur die damit erreicht werden kann. Der Aufbau des Kristallgitters von metallischem Uran ändert sich bei 688°C, das Uran dehnt sich bei dieser Temperatur schlagartig aus. Dies limitiert die maximale Brennstofftemperatur (die in der Praxis deutlich über der Kühlmitteltemperatur liegt!) oder sorgt zumindest beim Betrieb bei hohen Temperaturen für erhebliche Probleme. Höhere Temperaturen sind aber erwünscht um die thermodynamische Effizienz bei der elektrischen Energieerzeugung zu erhöhen und eventuell möglichst viele Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Prozesswärmeproduktion zu schaffen. Uranoxid hat einen Schmelzpunkt von 2878°C (mehr als 1100°C höher als metallisches Uran) und hat über den gesamten Temperaturbereich ein stabiles Kristallgitter. Tatsächlich wurde der EBR-II seinerzeit mit einer vergleichsweise niedrigen Temperatur betrieben (maximal 472°C im Natrium, der Superphenix kam etwa auf 545°C, die BN-600 schaffen 550°C). Mir ist allerdings nicht bekannt ob das sehr spezielle Brennstabdesign des IFR die Änderung des Uran Kristallgitters nicht tolerierbar macht; ich kann es mir aber nur schwer vorstellen, alleine weil sich mit der Dichte des Brennstoffs auch die Reaktivität (sprunghaft) ändert. Gegebenenfalls wüsste ich gerne mehr darüber.

    • Hallo,

      vielen Dank für die sehr ausführliche technische Anmerkung!
      Dass noch andere schnelle Reaktoren Poolkühlung nutzen war mir geläufig, das besondere bei EBR-II (IFR) war eben, dass man Poolkühlung und metallischen Brennstoff kombinierte um günstige Reaktoreigenschaften zu erzielen.

      Das mit der Kristallgitteränderung des Urans ist ein sehr interessanter Hinweis, ich werde recherchieren, ob/wie das bei der IFR-Entwicklung berücksichtigt wurde.

  5. Als Ingenieur der sich auch ein wenig mit der Instandhaltung von Systemen beschäftigt bin ich kein Freund der Pool Variante.

    Bei der Pool Variante sind primäre Wärmetauscher und Pumpen in den Reaktor integriert. Pumpen und Wärmetauscher sind neben Messgeräten die Komponenten die am häufigsten reperaturbedürftig werden. Bei einem Schnellen Natrium Brüter erfordert die Reperatur ein Ablassen des Natrium, ausblasen mit Helium unter Schutzgas, abklingen der Radioaktivität. Wartung, Reperatur und Ersatz sind bei der Poolvariante extrem erschwert bis unmöglich.

    Die Pool Variante mag bei den kleinen, kompakten russischen SVBR Reaktoren vorteilhaft sein, weil man dort bei Schäden den ganzen Reaktor austauscht und überholen kann.

    Bei grossen Reaktoren, ob Natriumbrüter, bleigekühlte Schnelle Reaktoren, MSR erachte ich die Poolvariante als Spielerei von Reaktorphysikern und Chemikern und als k.o. Kriterium für einen erfolgreichen Betrieb.

    Holger

    • Anmerkung…Reperatur eines Schnellen Brüters Pool Variante…

      Oeffnen des Reaktors
      Entladen der Brennelemente nach einer Abklingzeit nach Herunterfahren des Reaktors.
      Entladen des flüssigen Natriums und Lagerung desselben in festem Zustand.
      Ausblasen des Reaktorbehälters und der Spalten mit Helium um Natriumreste zu beseitigen.
      Abklingen des Behälters bis an diesem gearbeitet werden kann. Die Zeit dieser Aktion ist von der Aktivierung des Strukturmaterials abhängig.

    • …es sei jedoch bemerkt, dass der BN 600 (der momentan erfolgreichste schnelle Leistungsreaktor) über Poolkühlung verfügt 😉

      • Das ist leider so…

        Ich hatte vor einigen Jahren gemeint, dass der Natriumgekühlte Brüter das Reaktorkonzept der Zukunft darstelle.
        Ich hatte sehr viele der KfK und FZK Berichte studiert und auch nachgerechnet. Ich hatte Kontakt zu einigen Wissenschaftlern die am SNR300 mitgearbeitet haben.
        Die Genauhigkeit und die wissenschaftliche Strenge war beeindruckend.
        Ich meine, dass der SNR300, Loop Konzept, von Anfang an sehr zuverlässig funktioniert hätte und die BN Serie in den Schatten gestellt hätte.

  6. Hier ist immer nur vom IFR die Rede ! Es gibt doch auch andere HTR-Konzepte, wie z.B. den Kugelbettreaktor ! Der ist in Jülich 21 Jahre ohne Störfall gelaufen ! Leider wurde er im Zuge des Atomausstiegs stillgelegt und entsorgt ! Angeblich, weil er unwrtschaftlich war ! Kommt der nicht in Frage ? Wenn nicht, warum nicht ? Wie rechnet sich denn der IFR ?

    Wichtig erscheint mir eine ausreichend hohe Temperatur (ca. 1000 Grad), um aus Müll und Biomasse Kraftstoff herstellen (hydrieren) zu können. Dann kann man mit der Ausgangstremperatur des Hydrierwerks (ca.650 Grad) noch Dampf und Strom erzeugen, so dass die Sache effizienter und wirtschaftlicher wird. Überhaupt kommt die Frage der Wirtschaftlichkeit und Machbarkeit bei dieser rein technisch-physikalischen Betrachtung etwas zu kurz ! Was nützt das beste Konzept auf dem Papier, wenn man niemanden findet, der es umsetzt ? Investoren interessiert die Technik nur am Rande – die wollen eine überzeugende Wirtschaftlichkeitsrechnung sehen !

    • Nun, der HTR ist ein vom IFR prinzipiell unterschiedliches Konzept, das im thermischen Neutronenspektrum arbeitet und nicht im schnellen wie der IFR. Die Brennstoffkugeln enthalten Graphit als Moderator (d.h. er bremst die Neutronen durch Stöße ab). Der HTR hat daher mehr Verwandtschaft mit einem klassischen Leichtwasserreaktor als mit einem schnellen Reaktor. Er kann nicht zum Recycling von bestrahlten Brennelementen aus herkömmlichen Kernkraftwerken eingesetzt werden und ist auch nicht zum Erbrüten von fissilen Nukliden (U233/Pu239) aus fertilen (Th232/U238) geeignet.
      Thorium kann zwar und wurde schon in HTR eingesetzt, aber AFAIK ist die Konversionsrate dabei nicht ausreichend hoch, dass ein Überschuss an U233 erzeugt werden würde, mit dem sich weitere Reaktoren starten ließen (d.h. man kriegt HTR nicht zum Brüten – im Gegensatz übrigens zu Leichtwasserreaktoren, mit denen im Th232/U233-Zyklus gebrütet werden kann: http://atomicinsights.com/light-water-breeder-reactor-adapting-proven-system/).

      Weitere Nachteile sind der hohe Innendruck des HTR und die von Tom Blees in „Prescription“ (http://nuklearia.de/2012/07/30/energie-sozialdemokratie-das-weltwerk/) erwähnte Tatsache, dass man die Brennstoffkugeln nicht in einem Pyroprozessor recyceln kann (wobei ich vermuten würde, dass sich mit etwas Forschung eine Methode finden lässt, die dies ermöglicht, d.h. es lässt sich wahrscheinlich eine Technik entwickeln, um die unverbrauchten Aktinide aus den bestrahlten Kugeln herauszuschmelzen).

      Für Wirtschaft bin ich wahrlich kein Experte! 😉 Bislang war der Leichtwasserreaktor unter den Kernreaktoren die kostengünstigste Variante, weswegen er sich ja auch durchgesetzt hat. Aber verbesserte Produktionsverfahren, insbes. automatisierte Serienproduktion von IFR-Modulen, könnten dies zugunsten des schnellen Reaktors verschieben!

      Andererseits kann man auch den „sozialistischeren“ Weg à la Tom Blees gehen und die Energieerzeugung auf staatliche oder sogar mundialisierte Non-Profit-Organisationen umstellen. Das mag vielen als ein ungewöhnlicher, fast schon radikaler Weg erscheinen, aber es lohnt sich IMO darüber nachzudenken!

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