Saubere Atomkraft mit Flüssigsalzreaktoren

Statt mit dem hochgiftigen Metallen wie in herkömmlichen Leichtwasserreaktoren kann zur Energierzeugung auch ein ungiftiger, und auch ungefährlicher Reaktor aus Thorium und
flüssigem Salz verwendet werden.

Was ist der Unterschied zwischen Thorium und Uran?

 

1) Der erste große Unterschied zwischen Thorium und Uran ist ihre Verfügbarkeit auf der Erde. Es gibt viermal so viel Thorium wie Uran. Zwar findet sich Thorium fast immer dort, wo auch Uran gefunden wird, doch zusätzlich kommt es in Lagerstätten so genannter „Seltener Erden“ vor. Außerdem in Granitformationen: Die größten europäischen Vorkommen gibt es in Norwegen, gefolgt von Grönland (manche Schätzungen sehen Grönland auch vor Norwegen). Thorium und Uran entstanden zusammen im Schmelzkessel einer Supernova, man findet sie in den Krusten von Erde, Mond und Mars…

2) Der zweite Unterschied liegt in ihren physikalischen Eigenschaften. Natururan liegt auf der Erde in zwei Formen, zwei „Isotopen“, vor: Uran 235, das spaltbar ist, also durch Neutronenbeschuss unter Freisetzung von Energie gespalten werden kann, und Uran 238, das selbst nicht spaltbar, aber „brütbar“ ist. Es nimmt Neutronen auf wie ein Pacman, statt sich aufzuspalten, wobei sein Kern instabil wird. Es versetzt sich wieder in den stabilen Zustand, indem es zu einem neuen Element wird: Plutonium 239. Dieses wiederum ist spaltbar.
Thorium existiert ausschließlich als brütbares Thorium 232. Unter externem Neutronenbeschuss verwandelt es sich aber zuerst in Protactinium 233 und anschießend in spaltbares Uran 233.

Dieser Unterschied erklärt, warum zu Beginn des Atomzeitalters dem sehr viel „direkteren“ Uran/Plutonium-Zyklus (U-Pu) gegenüber dem Thorium/Uran 233-Zyklus (Th-U233) der Vorzug gegeben wurde. Zumal das Ziel ja gar nicht war, eine neue saubere Energiequelle zu erschließen, sondern militärisch nutzbares Material zu produzieren. Für die Atombombe z.B.

In einem herkömmlichen Reaktor ist Thorium als fester Kernbrennstoff nur von geringem Interesse: Es macht den Brennstoff stabiler und reduziert ein wenig die Produktion minorer Aktinoide, also jener sehr schweren Elemente, die bis zu 400 000 Jahre lang radioaktiv bleiben.
In einem Flüssigsalzreaktor hingegen kann es sein ganzes Potenzial nutzen.

MSR können minore Aktinoide komplett „verbrennen“. Und unabhängig vom Reaktortyp produziert der Thorium-Zyklus weniger minore Aktinoide als der U-Pu-Zyklus.

Was ist ein Flüssigsalzreaktor?

Der Kernbrennstoff liegt in flüssiger Form vor. Das spaltbare Material ist sozusagen verdünnt in einem Trägermedium: einem Salz in geschmolzenem Zustand. In den meisten Designvarianten handelt es sich dabei um Lithiumfluorid mit Chlorsalz. Stellt man
den Reaktor ab oder bekommt der Brenner einen Riss, verfestigt sich das verflüssigte
Salz wieder in seine ursprüngliche, kristalline Form. Auslaufendes, hochradioaktives
Kühlwasser wie bei den giftigen Leichtwasserreaktoren ist somit obsolet – und auch
ungiftig. Der Brennstoff ist gleichzeitig auch Kühlflüssigkeit.

Salze sind äußerst stabile chemische Verbindungen. Sie reagieren weder mit Luft noch mit Wasser. Geschmolzene Salze entzünden sich nicht, und sie explodieren auch nicht.
Wichtig: Geschmolzenes Salz ist nicht das Gleiche wie flüssiges Natrium, ein Metall, das in manchen Reaktoren mit Festbrennstoffen als Kühlmittel verwendet wird.

Wie funktioniert ein Flüssigsalzreaktor?

Wie in allen Atomreaktoren wird bei der Spaltung von Atomkernen Wärme freigesetzt. In einem Flüssigsalzreaktor zirkuliert die Flüssigkeit, in der die Kernspaltung stattfindet, durch Pumpen in einem Kreislauf, in den ein Wärmetauscher integriert ist. Das ist eine Art Heizkörper, in dessen Röhren die Leitungen, die das flüssige Salz enthalten, ihre Wärme an einen zweiten Kreislauf, den Sekundärkreislauf, abgeben. Dieser Sekundärkreislauf transportiert die Wärme dann zur Turbine, die den elektrischen Strom erzeugt.

Dass der Brennstoff flüssig ist, hat gleich mehrere Vorteile, die bereits in den 1950er Jahren im Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in Tennessee unter der Leitung von Alvin Weinberg erforscht wurden.
In einem herkömmlichen Reaktor sind die Uranpellets in über 40 000 „Stäben“ in 264 Brennstabbündeln angeordnet.

Der Brennstoff bleibt nur 3 Jahre im Reaktorkern. Wenn er ausgewechselt wird, sind nur 3 bis 5 % des Brennstoffs „verbrannt“. Und zwar deswegen, weil es sich eben um einen Brennstoff in fester Form handelt.
Wenn ein Atomkern von Uran 235 oder Plutonium (oder auch Uran 233 im Uran-Thorium-Zyklus) gespalten wird, zerbricht er in zwei neue Elemente, die so genannten „Spaltprodukte“.

Andere Kerne binden dafür ein Neutron und verwandeln sich in ein so genanntes „minores Aktinoid“, beispielsweise Plutonium.

Spaltprodukte und minore Aktinoide haben nicht die gleiche Struktur wie der ursprüngliche Brennstoff und finden deshalb in festen Pellets keinen passenden Platz. Durch diese Kräfte zerspringen die Pellets, bisweilen verformen sich sogar die Brennstabhüllen, bis hin zum Bruch. Außerdem „verderben“ einige Spaltprodukte wie zum Beispiel das Edelgas Xenon die Kettenreaktion, da sie selber Neutronen einfangen, die dann nicht für den Kernbrennstoff zur Verfügung stehen.

Daher müssen feste Brennstoffe regelmäßig ausgetauscht werden, um die Spaltprozesse im Reaktor auf einem ausreichend hohen Niveau zu halten, aber auch um das Brechen der Brennstabhüllen zu verhindern.

Ein MSR,also ein Flüssigsalzreaktor kann durchgehend betrieben werden, also ohne Abschaltungen zum Austausch von Brennelementen. Da der Brennstoff hier flüssig ist, kann er kontinuierlich dem Kreislauf entnommen und recycelt werden, in etwa so, wie das Wasser eines Schwimmbeckens umgewälzt und gefiltert wird. Außerdem können die Spaltprodukte täglich entfernt und außerhalb des Reaktors gelagert werden. Die minoren Aktinide verbleiben im Kern, bis auch sie gespalten werden und komplett „verbrannt“ sind.

Der kontinuierliche Betrieb erlaubt einem solchen Flüssigsalzreaktor, über 99 % seines Kernbrennstoffs zu nutzen!

Wie steht es um die Sicherheit eines MSR?

Übliche Leichtwasserreaktoren (LWR) arbeiten unter hohen Drücken: 155 bar bei den in Frankreich gängigen Druckwasserreaktoren, 75 bar bei Siedewasserreaktoren, die einen Teil des deutschen und Schweizer Reaktorparks bilden. Dieser Druck ist nötig, um das Wasser des Kühlsystems in flüssigem Zustand zu halten, das im Reaktor über 300° C heiß wird: Ohne diesen Druck würde das Wasser seinen Siedepunkt bei 100° C erreichen und die sich bildenden Dampfblasen würden zu „Sprüngen“, also Unterbrechungen in der Kühlung des Reaktors führen.

Die Flüssigsalze in einem MSR werden nicht bis zu ihrem Siedepunkt erhitzt, der bei rund 1800° C liegt, der Reaktor arbeitet bei ca. 750°C. Entsprechend muss kein Druck angelegt werden: die Belastung des Materials ist deutlich geringer.

Bei einem Störfall verhält sich ein MSR ganz anders als ein LWR:
Da der MSR nicht unter Druck steht, ist seine Struktur viel weniger anfällig. Und da geschmolzenes Salz und kein Wasser zirkuliert, ist das Risiko von Dampfexplosionen wie in Tschernobyl ausgeschlossen.

In allen Reaktoren sind die Spaltprodukte die Substanzen im Brennstoff, die die höchste Radioaktivität aufweisen. In einem LWR können, wenn es beim Störfall zu Explosionen kommt wie in Tschernobyl und Fukushima, Spaltprodukte wie Cäsium 137 und Jod 131 in die Atmosphäre geschleudert werden und die Umwelt kontaminieren. Durch das kontinuierliche Recycling des Brennstoffs in einem MSR ist die Menge von Spaltprodukten zum Unfallzeitpunkt gering.

– Wenn in einem LWR die Brennstabhüllen brechen, werden die Spaltprodukte freigesetzt. In einem MSR sind die im Reaktorkern vorhandenen Spaltprodukte eng an das Salz gebunden durch die chemischen Eigenschaften dieses Salzes. Selbst bei sehr hoher Temperatur bleiben die Schadstoffe im Salz „gefangen“ und gelangen nicht in die Atmosphäre.

– Das Salz/Brennstoffgemisch erstarrt, sobald die Temperatur unter 600°C fällt: sollte bei einem Unfall etwas von diesem Gemisch den Reaktorbehälter verlassen, würde es sofort zu einer festen Masse, in der spaltbares Material und Abfallstoffe eingeschlossen blieben. Eventuelle Ausfälle im Rest des Kraftwerks würde diese Salzbarriere, die die Schadstoffe einschließt, nicht beeinträchtigen.

Da diese Salze kaum mit der Luft reagieren und nur schlecht wasserlöslich sind, besteht auch keine Brand- oder Explosionsgefahr. Selbst im Fall einer gezielten Zerstörung des Reaktorbehälters (Bombenangriff, Attentat) wäre die radioaktive Strahlung im Vergleich zu der bei einem Unfall in einem Reaktor mit festem Kernbrennstoff sehr gering.

Ein Reaktor der Physiker:

Flüssigsalzreaktoren werden oft als „Reaktoren der Physiker“ bezeichnet: Ihr Sicherheitssystem gehorcht den Gesetzen der Physik und bedarf keiner komplexen zusätzlichen Einrichtungen.

In den uns bekannten Reaktoren werden die Sicherheitseinrichtungen mit Strom versorgt. Als in Fukushima ein Tsunami die Stromversorgung unterbrochen und die Notstrom-Dieselgeneratoren überschwemmt hatte, blieben die Pumpen, die das Kühlwasser des Reaktors in Bewegung halten sollten, einfach stehen. Das führte zu einer Überhitzung des Reaktors und schließlich zu einer Explosion.

Wenn in einem LWR plötzlich das Kühlwasser fehlt, kann man auch nicht einfach den Kernbrennstoff herausholen, damit er sich nicht weiter erhitzt: Die Entfernung der Brennelemente ist eine aufwändige, komplexe Aktion, die nicht eben einmal schnell durchgeführt werden kann.

Aus einem MSR kann man den Brennstoff jederzeit entfernen, denn er liegt in flüssiger Form vor. Unten im Reaktorbehälter befindet sich immer ein „Pfropfen“ aus Salz, das durch ein Kühlsystem in festem Zustand gehalten wird. Bei einem Stromausfall stoppt dieses Kühlsystem, die Temperatur des Reaktors bringt den Pfropfen zum Schmelzen, und der Brennstoff fließt von selbst durch die natürlich Schwerkraft ab in einen tiefer gelegenen Auffangbehälter.

Dieses Auffangreservoir, im Englischen „drain tank“ genannt, hat eine ganz andere Form als der Reaktor: Das Salz fließt darin in die Breite. Dadurch wird die natürliche Abkühlung beschleunigt und die Kerne des spaltbaren Materials werden noch dazu so weit von einander entfernt, dass die nukleare Kettenreaktion unterbrochen wird. Der Spaltprozess hört von selber auf, während das Salz auskühlt. Man nennt das ein passives Sicherheitssystem, das weder eine Versorgung mit elektrischem Strom noch ein Eingreifen durch den Menschen erfordert: Es beruht ganz einfach auf den Gesetzen der Schwerkraft und auf denen der Thermodynamik und der Neutronenphysik.
Während beim Leichtwasserreaktor durch eine Kernschmelze die Temperatur der Brennstäbe
soweit ansteigt, bis sie schliesslich explodieren. Diese höhere Dichte beschleunigt die Kettenreaktion, und damit den Temperaturanstieg.

In einem MSR ist der Kern ja bereits geschmolzen. Das spaltbare Material im Reaktorkern ist von vornherein am Punkt seiner höchsten Konzentration, man kann es nicht noch weiter verdichten und so einen kritischen Zustand herbeiführen, also eine unkontrollierte Kettenreaktion.
Dass der Brennstoff in flüssiger Form vorliegt, hat noch einen weiteren großen Vorteil: Der Reaktor kann nicht „durchgehen“, wie in Tschernobyl geschehen. Bei dem Unfall in dem ukrainischen Reaktor ist dieser in einen Teufelskreis eingetreten: Je höher die Temperatur stieg, desto schneller lief die nukleare Kettenreaktion ab, was wiederum die Temperatur nach oben trieb und so weiter.

Dank des geschmolzenen Salzes ist ein solcher Teufelskreis beim MSR nicht möglich, im Gegenteil: Je höher die Temperatur steigt, desto mehr dehnt sich das Salz aus, desto weniger ist also das spaltbare Material konzentriert und desto schwerer ist es für die Kettenreaktion, in Gang zu bleiben. Ein Temperaturpeak führt daher in einem MST zur Unterbrechung der Kettenreaktion.

Auch hier sind es wieder die Gesetze der Physik, die für die Stabilität eines MSR sorgen. Daher braucht es auch keine Steuerstäbe, um einen MSR herunterzufahren: ganz einfach, weil er sich sofort von selbst abschalten würde, wenn es zu einer Überhitzung käme.

Die Sicherheit eines MSR wird also durch die Gesetze der Physik gewährleistet, nicht durch Sicherheitseinrichtungen, die zerstört oder ausgeschaltet werden können oder ganz einfach ausfallen.

Erneuerbare Energien und Flüssigsalzreaktoren:

Positive Wechselwirkungen führen dazu, dass sich in einem MSR die nukleare Kettenreaktion bei steigender Temperatur verlangsamt, wodurch der Reaktor bei der Energieerzeugung sehr flexibel ist. Er kann quasi unmittelbar auf einen veränderten Strombedarf im Versorgungsnetz reagieren, die so genannte „Lastanpassung“ ist problemlos.

Das Prinzip dahinter ist einfach: Verlangt das Netz nach mehr Strom, wird dem Reaktor mehr Wärme entzogen, um die Turbinen schneller drehen zu lassen. Der Reaktor kühlt dadurch ab. Durch die Abkühlung zieht sich der flüssige Kernbrennstoff zusammen, die Atomkerne nähern sich einander an, die Kettenreaktion beschleunigt sich. Dadurch steigt die Temperatur, bis sie sich auf dem gewünschten Leistungslevel stabilisiert. Sobald das Netz nach weniger Strom verlangt, wird weniger Wärme entnommen, die Brennstoff-Flüssigkeit dehnt sich aus, die Kettenreaktion verlangsamt sich.

Durch dieses System ist dieser Reaktortyp ideal zur Ergänzung eines massiven Ausbaus von nicht permanent verfügbaren Energiequellen wie Fotovoltaik und Windstrom, denn ein MSR kann seine Leistung in wenigen Minuten verdoppeln, um eine plötzliche Verringerung der Stromproduktion bei Ausfall von Windrädern oder auch fehlender Sonneneinstrahlung zu kompensieren. Andersherum kann er seine Energieproduktion ebenso schnell auch drosseln, damit wieder erneuerbare Energien genutzt werden können, wenn Wind oder Sonne zurück sind.

Auch die existierenden Reaktoren kennen eine solche Lastanpassung, durch den festen Brennstoff ist diese allerdings begrenzt. Ein Feststoff wie die Uranpellets kann nicht ebenso schnell und auch nicht ebenso oft aufgeheizt werden und sich dabei ausdehnen wie ein flüssiger. Existierende LWR können, je nach Baureihe, eine Leistungszunahme von 1 bis 5 % ihrer Maximalleistung pro Minute liefern.

Was für Abfälle produziert ein Flüssigsalzreaktor?

Jeder Reaktor, ganz gleich, welchen Zyklus er nutzt (den klassischen Uran-Plutonium-Zyklus oder den, der auf Thorium-Uran 233 basiert), produziert zwei Arten von Abfällen: Spaltprodukte und „minore Aktinoide“.

Spaltprodukte entstehen durch die Spaltung eines Atomkerns des spaltbaren Materials (Uran 233, Uran 235 oder Plutonium 239) in zwei neue, leichtere Elemente (Cäsium 135, Jod 131, Strontium 90…).

Aktinoide entstehen, wenn der Kern nicht gespalten wird: Das Neuron wird „eingefangen“, und der Kern wird zu dem eines neuen, schwereren Elements. Bei der Spaltung des herkömmlichen Kernbrennstoffs, der aus Uran 238 mit einem durch Anreicherung erhöhten Anteil an Uran 235 besteht, entstehen vor allem folgende minore Aktinoide: Neptunium, Americium, Curium.

Minore Aktinoide können selbst auch wieder gespalten werden, allerdings nicht in den heute existierenden Reaktoren.

In einem LWR wird die Energie der Neutronen durch das Wasser gebremst, eine solche Spaltung ist daher unmöglich: Die Neutronen sind einfach nicht „kräftig“ genug, um die minoren Aktinoide zu spalten.

In einem so genannten „fortschrittlichen“ Festbrennstoff-Reaktor, wo die Neutronen nicht gebremst werden (beispielsweise Brutreaktoren wie der französische Superphénix), müssen die Brennelemente ausgetauscht werden, bevor alle minoren Aktinodie „verbrannt“ sind. In einem MSR, insbesondere im europäischen Konzept MSFR, in dem die Neutronen nicht gebremst werden, verbleiben die Aktinoide im Reaktorkern, bis auch sie gespalten sind.

Minore Aktinoide beeinträchtigen noch dazu die Stabilität eines Reaktors mit Festbrennstoff, während der MSR alles anstandslos „verdaut“: angesammeltes Plutonium aus militärischen Beständen, minore Aktinoide aus LWR – für all das kann man einen MSR als „Verbrennungsanlage“ konfigurieren. Genau das ist auch das Projekt einer der Varianten des europäischen MSFR, des deutschen DFR sowie der beiden dänischen MSR, des Seaborg Wasteburner und des Copenhagen Atomics Waste Burner.

Die Abfallmenge könnte beispielsweise durch den europäischen MSFR im Vergleich zu den heutigen LWR um 80 % gesenkt werden!

Aber die Wirkung eines Flüssigsalzreaktors macht sich besonders bei der Lagerungsdauer der Abfälle bemerkbar.

Für die gleiche Leistung produzieren LWR und MSR die gleiche Menge an Spaltprodukten: Eine Kernspaltung ohne Spaltprodukte gibt es nicht. Aber 83 % der Spaltprodukte sind bereits nach 10 Jahren nicht mehr radiotoxisch. Die übrigen 17 % brauchen 350 Jahre, bis sie nicht mehr gefährlich sind.

Minore Aktiniode hingegen behalten ihre Radiotoxizität über extrem lange Zeiträume: Erst nach rund 400 000 Jahren fällt ihre Radiotoxizität unter den Wert der natürlichen Radioaktivität!

Bisher sind in LWR-Abfällen Spaltprodukte und minore Aktinoide vermischt. Sie werden in Glas eingeschmolzen, in Edelstahlbehälter verpackt und zwischengelagert, bis sie irgendwann einmal in tiefen geologischen Schichten endgelagert werden.

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Veröffentlicht am 23. Februar 2017 in Umwelt und mit , , getaggt. Setze ein Lesezeichen auf den Permalink. Kommentare deaktiviert für Saubere Atomkraft mit Flüssigsalzreaktoren.

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