Die Freiheitsmaschine – der Integral Fast Reactor (Teil 5: Zukunftsperspektiven)

< == Teil 4: Brennstoffaufbereitung und Pyroprocessing

Wie soll es nun weitergehen?

Die physikalischen und technischen Konzepte wurden allesamt erfolgreich getestet, nun liegen sie aber in der Schublade, und warten darauf, wieder ans Licht geholt zu werden.

Das erste, was geschehen sollte, ist dass man eine große Pyroprozessanlage baut, in industriellem Maßstab, dazu geeignet, das Material tonnenweise zu verarbeiten. Sie sollte auch über eine Reduktionsstufe zur Vorbehandlung von LWR-Atommüll verfügen.

Da das ANL bereits über das nötige Know-How und die Apparate verfügt, um entsprechende Prozesse im Kilogrammbereich durchzuführen, sollte es recht einfach und schnell möglich sein, optimierte, hochskalierte Anlagen für den großtechnischen Einsatz herzustellen.

Dann wird es Zeit für den Bau des ersten kompletten IFR. Er wird nicht notwendigerweise in Amerika stehen. Zur Zeit überlegt Großbritannien, auf ein Angebot von GE/Hitachi einzugehen, zwei PRISM-Reaktoren (Power Reactor innovative Small Module – ein IFR-artiges System, allerdings vorläufig ohne integrierte Pyroprozessanlage) zur Entsorgung von Großbritanniens Plutoniumvorräten zu liefern. Im Interview deutete Eric Loewen, Chief Consulting Engineer Advanced Plants von GE auch an, dass es einen erweiterten „PRISM-Kit“ geben solle, der eine Pyroprozessanlage enthalte, also ein kompletter IFR sein werde.

Wenn die beiden PRISM in Großbritannien gebaut werden, ist das ein gutes Signal – die Menschen werden sehen: Aha, das ist technisch möglich, das funktioniert in der Praxis, Kernkraft bedeutet nicht zwangsläufig, dass wir hunderttausend Jahre lang auf Atommüll sitzen. Und das könnte der Anfang sein: der Anfang einer wirklichen Energiewende – einer weltweiten Wende weg von endlichen, umwelt-, gesundheits- und klimaschädlichen fossilen Brennstoffen hin zu sauberer Energie, die bis in die fernste Zukunft reichlich zur Verfügung steht.

Damit die riesigen Vorräte an abgereichertem Uran in IFRs nutzbar gemacht werden können, ist Plutonium – oder allgemeiner Transurane – als Katalysator nötig. Sobald die IFRs einmal laufen, können sie selbst Plutonium herstellen. Aber auch die bereits vorhandenen LWRs produzieren gewisse Mengen (bislang war dieser Nebeneffekt der thermischen Kernkraft als „Atommüll“ bekannt und gefürchtet). Wir sollten nun die Frage beantworten, für wieviele IFRs wir schon Plutonium vorrätig haben, und wie schnell die Flotte anwachsen kann.

Weltweit sind ca. 300.000 t LWR-Atommüll verfügbar, wovon ca. 1% (3000 t) Plutonium ist. Um einen 1 GWe-IFR zu starten, sind ca. 5 t Transurane nötig. Das bedeutet, dass die erste „Installationswelle“ insgesamt 600 GW umfassen kann, mehr als das Eineinhalbfache der gesamten heute installierten Kernkraftkapazität. Vergessen wir aber nicht, dass die Kernenergie bislang eigentlich eher experimentellen Status hat: Sie macht mit 370 GWe installierter Leistung nur wenige Prozent des Weltenergiebedarfs aus. Wenn sie substantiell dazu beitragen soll, dem Verbrauch von Fossilbrennstoffen entgegenzuwirken, muss die Kapazität sehr stark erhöht werden. Tom Blees schlägt eine Installationsrate von 250 GWe pro Jahr vor, Steve Kirsch rät sogar zu 1 GWe täglich! Bei einem solchen Konstruktionstempo würde das von den LWR vorproduzierte Plutonium noch nicht einmal zwei Jahre lang reichen. Mit anderen Worten: Vom Atommüll geht ein großes Umweltproblem aus – wir haben viel zu wenig davon! Zuwenig, um den Klimawandel effizient zu bekämpfen.

Prinzipiell kann man übrigens einen IFR auch mit U235 als Spaltstoff starten. Dies hat aber den Nachteil, dass es dazu sehr hoch (ca. 20%) angereichert werden muss, so dass zur Aufrechterhaltung einer hohen IFR-Installationsrate überproportional viel Uranabbau (und -anreicherung) notwendig wäre.

Jedoch ist der Sinn von IFRs ja, dass sie (auch!) als Brüter arbeiten, d.h. mehr Plutonium herstellen können als sie verbrauchen. Der entscheidende Parameter ist hier die Verdopplungszeit: Dies ist die Zeit, die verstreicht, bis ein neuer IFR genug Plutonium erzeugt hat, damit ein weiterer gestartet werden kann – d.h. dass die ursprüngliche Menge sich verdoppelt hat. Bei IFRs kann aufgrund der exzellenten Neutronenökonomie eine sehr kurze Verdopplungszeit von 7 Jahren erreicht werden.

Alle 7 Jahre kann also ein IFR den Start eines weiteren unterstützen. Zum Vergleich: Leichtwasserreaktoren produzieren 250 kg Plutonium pro Gigawattjahr erzeugte Elektrizität. Um 5 t für einen IFR herzustellen, brauchen sie daher rund 20 Jahre!

Wir wollen eine Formel ableiten, die die maximale IFR-Anzahl (ausgedrückt als installierte Leistung in GWe) als Funktion der Zeit und der vorhandenen LWR angibt.

Die entscheidende Frage lautet: Wieviele IFR können jährlich in Betrieb genommen werden, wenn eine gewisse Anzahl LWR noch und eine gewisse Anzahl IFR schon vorhanden ist?

Wir gehen dabei davon aus, dass die vorhandenen Plutoniumvorräte bereits aufgebraucht wurden, also von Anfang an bereits 600 GWe IFR-Leistung existiert.

Das Problem wird von folgender Differentialgleichung modelliert:

x \times L(t) \, + \, y \times I(t) = \frac{\mathrm{d}I(t)}{\mathrm{d}t}

Die Faktoren x und y beschreiben die IFR-Baurate, die durch den Pu-Ausstoß von LWR bzw. IFR ermöglicht wird. L(t) und I(t) sind jeweils die Anzahl der zum Zeitpunkt t vorhandenen LWR/IFR ausgedrückt in installierten GW. Wir betrachten L(t) als fest vorgegebene Funktion, I(t) ist zu bestimmen.

Die Bauratenfaktoren lassen sich aus der Grenzwertableitung der DGL ermitteln:

\frac{\mathrm{d}I(t)}{\mathrm{d}t} = \lim_{\Delta t \to 0}\frac{I(t + \Delta t) - I(t)}{\Delta t} = \lim_{\Delta t \to 0}\frac{\alpha(\Delta t) \times L(t) + \beta(\Delta t) \times I(t) - I(t)}{\Delta t}

\alpha(\Delta t) \times L(t) ist der Zuwachs an IFR-Kapazität im Laufe einer infinitesimalen Zeitspanne \Delta t, der durch die Plutoniumproduktion der LWR ermöglicht wird, und \beta(\Delta t) \times I(t) entsprechend der Zuwachs, den die IFR durch Vervielfachung des Plutoniums selbst ermöglichen. Die Differentialrechnung erlaubt es uns, guten Gewissens von Millikernkraftwerken pro Sekunde zu sprechen.

Die durch LWR ermöglichte Baurate ist ganz einfach der Anzahl der LWR selbst proportional: Jeder stellt pro Zeiteinheit eine gewisse Pu-Menge her, die wiederum das Starten einer gewissen Anzahl IFR ermöglicht. Daher ist:

\alpha(\Delta t) = \frac{\Delta t}{T_1}

wobei T_1 = 20 \, \mathrm{yrs} die Zeit ist, die ein LWR benötigt, um die für den Start eines IFR nötige Masse Plutonium herzustellen (5 t).

Die Baurate, die die IFR selbst unterstützen hat dagegen exponentielle Form: Im Laufe einer Zeitspanne T_2 = 7 \, \mathrm{yrs} verdoppelt sich die Anzahl der Reaktoren. Das bedeutet:

\beta(\Delta t) = 2^\frac{\Delta t}{T_2}

Durch Einsetzen dieser Ausdrücke in den Differenzenquotient und Durchführung des Limes erhält man die Faktoren:

x = \frac{1}{T_1}

und

y = \frac{\ln{(2)}}{T_2}

Die allgemeine Lösung der Differentialgleichung lautet:

I(t) = \exp{(yt)} \times \left( C + x \times \int_0^t \exp{(-y\hat{t})} L(\hat{t}) \mathrm{d}\hat{t} \right)

dabei ist C = I(0) die Anzahl der IFR zum Zeitnullpunkt (Das Jahr 2025?!).

Wir wollen 2 verschiedene Szenarien betrachten:

  • Gleichbleibende LWR-Kapazität
  • Linear steigende oder fallende LWR-Kapazität

1. L(t) = L = \mathrm{const.}

In diesem Fall hat die DGL die Lösung:

I(t) = \exp{(yt)} \times \left[ C + \frac{xL}{y} \times \left( 1 - \exp{(-yt)} \right) \right]

Ein interessanter Spezialfall ist L = 0, d.h. gar keine LWR. Die Lösung reduziert sich dann zu:

I(t) = C \times \exp{(yt)} = C \times 2^\frac{t}{T_2}

2. L(t) = L_0 + \gamma \times t wobei \gamma positiv oder negativ sein kann.

Die Lösung lautet:

I(t) = \exp{(yt)} \times \left[ C + \frac{x}{y^2} \times \left( \gamma + L_0 y - \exp{(-yt)} \times (\gamma y t + \gamma + L_0 y) \right) \right]

Eine Grafik sagt mehr als tausend Formeln! Die resultierenden Kurven I(t) über ein Zeitintervall von 30 Jahren (bei „vorinstallierter“ IFR-Kapazität von 600 GWe):

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  • Rote Kurve: Keine LWR (erstes Szenario mit L=0).
  • Grüne Kurve: LWR-Kapazität nimmt im Laufe der 30 Jahre linear von 400 GWe auf 0 ab (zweites Szenario fallend).
  • Blaue Kurve: LWR-Kapazität konstant bei 400 GWe.
  • Purpurne Kurve: LWR-Kapazität steigt linear von 400 GWe auf 1000 GWe (zweites Szenario steigend).

Als LWR-Anfangsleistung wurde 400 GWe gewählt – etwas mehr als der heutige Wert, da gerade in Ostasien demnächst sicher noch einiges an neuer Kapazität gebaut werden wird.

Wie zu erwarten, führen größere LWR-Anzahlen zum schnelleren Wachstum der IFR-Kapazität. Man sieht jedoch auch, dass letztere eine überraschend schwache Funktion von ersterer ist: Nach 30 Jahren unterscheidet sich der LWR-reichste Fall (linear anwachsend von 400 GWe auf 1000 GWe) vom LWR-freien Fall nur um knapp 50% (17.000 GWe vs. 11.500 GWe). Dies liegt natürlich daran, dass die exponentielle „Selbstvermehrung“ der IFR durch Brüten von Plutonium die lineare Nachproduktion durch LWR völlig in den Schatten stellt.

Diese Kurven sind natürlich nur theoretisch! Denn in der Realität können wir sicher nicht beliebig schnell Kernkraftwerke bauen. 1 GWe pro Tag ist bereits viel, dürfte aber bei in Serie produzierten, modularen Reaktoren durchaus noch machbar sein. Deshalb ist hier die erste Ableitung der Kurven \mathrm{d}I(t)/\mathrm{d}t geplottet:

ImageBam image upload

Es ist nicht überraschend, dass die ersten Ableitungen einen ähnlichen Verlauf aufweisen wie die Kurven selbst: Schließlich sind sie, der zugrundeliegenden DGl zufolge, an jedem Punkt gleich dem Funktionswert mal einem gewissen Faktor, plus einem kleinen additiven Wert (dem Beitrag der LWR).

Es fällt deutlich auf, dass schon nach ca. 15 Jahren die Ableitungen Werte von größenordnungsmäßig 300 GWe/Jahr annehmen! Wesentlich höhere Konstruktionsraten sind vermutlich unrealistisch. In der Praxis wird es so sein, dass die Baurate bis auf einen gewissen Wert erhöht wird, und die Installation dann mit konstantem Tempo fortschreitet. Als Beispiel betrachten wir die Situation, dass im Fall ohne LWR (rote Kurven) die Baurate bis auf 1 GWe/Jahr anwächst, und dann konstant bei diesem Wert bleibt.

Wir lösen die Gleichung

\frac{\mathrm{d}I(t)}{\mathrm{d}t} = 600 \, \mathrm{GW} \times \frac{\ln{(2)}}{7 \, \mathrm{yrs}} \times 2^\frac{t}{7 \, \mathrm{yrs}} = 365 \, \frac{\mathrm{GW}}{\mathrm{yrs}}

auf nach t. Es kommt heraus:

t_\mathrm{GrowMax} \approx 18 \, \mathrm{yrs}

Die zu diesem Zeitpunkt installierter Kapazität beträgt:

I(t_\mathrm{GrowMax}) \approx 3570 \, \mathrm{GW}

Beinahe das Zehnfache der heute installierten Kernkraftleistung bzw. der gesamte Primärenergieverbrauch von 700 Millionen Menschen, die auf dem Niveau der Deutschen (5000 W pro Kopf) leben! Dies sind 1.4 mal mehr Menschen, als die EU Einwohner hat. Sie alle könnten ihren kompletten Energiebedarf mit den Freiheitsmaschinen bestreiten, ohne nur ein Gramm Kohlendioxid oder sonstige Schadstoffe zu emittieren.

Baut man noch 12 Jahre mit dieser Rate (1 GWe pro Tag) weiter, dann hat man nach insgesamt 30 Jahren eine Gesamtleistung von 7950 GWe, und nach weiteren 20 Jahren 15250 GWe – entsprechend dem kompletten heutigen Primärenergieverbrauch auf der Erde! Allein die Vorräte der Vereinigten Staaten an Abgereichertem Uran (insgesamt 2124 TWyrs) könnten diesen Verbrauch 140 Jahre lang aufrechterhalten. Fügt man noch die Vorräte Europas, Russlands, Chinas, Japans und anderer Staaten hinzu, dann besteht kein Zweifel, dass die Menschheit ihren gesamten Energiebedarf aus IFRs viele Jahrhunderte lang wird stillen können, ohne auch nur ein Gramm Uran abbauen zu müssen.

Und wenn nach dem Aufbrauchen des U238, irgendwann gegen Mitte des 3. Jahrtausends, noch keine neuartige Energiequelle – Stellarator? Tokamak? Polywell? Solarkraftwerke im All? – die IFRs verdrängt hat, dann wird die Menschheit zusätzliches Uran in unbegrenzter Menge aus dem Meerwasser extrahieren können. Es existiert auf der Erde keine Knappheit an Energieressourcen. Man benötigt nur die richtige Technologie um sie zu extrahieren, und die Freiheitsmaschine IFR ist diese Technologie.

Wer sich noch genauer über den IFR informieren möchte, dem seien zwei Bücher ans Herz gelegt:

„Plentiful Energy – The Story of the Integral Fast Reactor“ von Charles E. Till und Yoon Il Chang. Hier werden nicht nur die physikalischen, chemischen und technischen Hintergründe detailliert, aber weitgehend allgemeinverständlich dargestellt – auch der historische Kontext des Projektes, der Einfluss der Politik und Zukunftsaussichten im Kontext von Energieknappheit und Klimawandel werden umfassend behandelt.

Leseproben:

„Prescription for the Planet – The painless remedy for our energy and environmental crises“ von Tom Blees ist ein visionäres Buch über eine Zukunft, in der IFRs das Rückgrat der Energieversorgung darstellen. Die Betonung liegt hier nicht so sehr auf physikalischen Details, sondern auf politischen und auch ökonomischen Konzepten, die eine Energierevolution ermöglichen. Hier geht’s zur Rezension!

Leseproben:

UPDATE: Tom Blees hat das komplette Buch zum freien Download zur Verfügung gestellt!

Die Sonderausgabe von Progress in Nuclear Energy über den IFR kann man sich kostenlos herunterladen (kapitelweise), sofern man über eine Universität ins Internet geht, die schon bezahlt hat. Ansonsten muss man die Artikel kaufen.

Damit die große friedliche Revolution – der Umstieg der Zivilisation ins postfossile, energiereiche Zeitalter – kommen kann, müssen die Menschen dies aktiv wünschen! Solange Kernkraft den Gruselfaktor einer großen, haarigen Spinne in der Badewanne hat, und jedes Projekt von Verzögerungen und Protesten begleitet ist, kommen wir nicht effektiv von Öl, Gas und Kohle los. Das IFR-Zeitalter kann dann anbrechen, wenn die Menschen lautstark nach den Freiheitsmaschinen rufen: Wenn sich Demonstrationszüge durch Berlin ziehen, mit Transparenten, die „Nie wieder Kohle!“, „Atommüll spalten statt endlagern!“, „Saubere IFR-Energie jetzt!“ u.ä. fordern – dann merken die Politiker, dass sie eine gute Technologie nicht ewig in die Schublade zwingen können. Sobald ihnen klar ist, dass die Mehrheit der Bevölkerung die IFRs nachdrücklich will, werden sie sich gegenseitig förmlich umrennen, so schnell, wie sie das Ganze in Angriff nehmen wollen werden. Denn alleine schon die Angst vor der sinkenden Popularität bzw. dem Verlust von Stimmen lässt Politiker hüpfen, sobald sie merken, dass die breite Mehrheit ein bestimmtes Ziel hat, und heute einmal nicht wieder nachhause geht, bevor sie nicht sieht, dass sich etwas entsprechendes tut!

Man bedenke, dass selbst der totalitäre Staat DDR in die Knie gezwungen werden konnte, nur dadurch, dass die Menschen massenhaft auf die Straße gingen und sich nicht mit leeren Versprechungen abspeisen ließen.

Wer soll die friedliche Energierevolution starten?

Du – ja, genau du! Atomhörnchen wants you! Be part of the Revolution. Und ein guter erster Schritt wäre, wenn du bei der Nuklearia mitmachst!! 😉

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