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Reaktoren der 4. Generation, Kernfusion – die Zukunft der Atomenergie

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Extrem heisses Plasma im Fusions-Versuchsreaktor Wendelstein 7-X. Die kommerzielle Nutzung der Kernfusion liegt noch Jahrzehnte in der Zukunft. Bild: EPA/DPA

Reaktoren der 4. Generation, Kernfusion – das könnte die Zukunft der Atomenergie sein

05.11.2021, 06:0506.11.2021, 15:05
Daniel Huber
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Die kommerzielle Nutzung der Atomenergie ist stark umstritten. Nach einer optimistischen Phase der Euphorie schürten Unfälle wie im Schweizer Versuchsreaktor Lucens 1969 oder die teilweise Kernschmelze im amerikanischen Atomkraftwerk Three Miles Island 1979 zusehends Zweifel an der neuen Technologie. Die Katastrophe von Tschernobyl 1986 brachte die Atomenergie weitherum in Verruf und die Kernschmelze im japanischen Atomkraftwerk Fukushima vor gut zehn Jahren führte dazu, dass Staaten wie Deutschland oder die Schweiz den Ausstieg aus der Atomenergie beschlossen.

In der Diskussion über die Frage, welche Massnahmen gegen die Klimaerwärmung ergriffen werden sollen, kommt heute die Atomenergie wieder vermehrt ins Spiel – als mögliche Alternative für die Verbrennung fossiler Energieträger. Hier punktet die nukleare Option damit, dass bei dieser Art der Energieerzeugung auf den ersten Blick keine CO2-Emissionen anfallen. Dies gilt jedoch nicht für den Uran-Abbau und den Bau der Anlagen.

In einigen Industrieländern – darunter etwa die Schweiz, Deutschland und Spanien – gilt die Atomenergie nach wie vor als Sackgasse: Neue Atomkraftwerke seien zu teuer, das Problem der Endlagerung von radioaktiven Abfällen sei nicht gelöst und ohnehin käme der langwierige Bau von neuen Atomkraftwerken zu spät, um zur Einhaltung der Klimaziele beizutragen. Kein Investor sei deshalb bereit, das Risiko eines solchen Werkes zu tragen. Andere Länder wie China, Russland, Indien oder das Vereinigte Königreich planen hingegen neue Anlagen.

Fast alle Atomreaktoren, die derzeit für die kommerzielle Energieerzeugung betrieben werden, sind Leichtwasserreaktoren – viele davon aus der sogenannten dritten Generation, deren erste Vertreter 1996 in Betrieb genommen wurden. Obwohl die Reaktoren der dritten Generation sicherer sind als jene der zweiten Generation, besteht auch bei ihnen weiterhin das Risiko einer Kernschmelze mit potenziell verheerenden Folgen.

Die Zukunft der Atomenergie, die zumindest in einigen Ländern stattfinden wird, liegt jedoch voraussichtlich in den Reaktortypen der vierten Generation – und später womöglich sogar in der Kernfusion. Dass China vermutlich unlängst einen ersten, noch experimentellen Thorium-Reaktor in Betrieb genommen hat, beweist, dass diese Entwicklung nicht stillsteht. Und die Erfolgsmeldung des Massachusetts Institute of Technology (MIT) von letztem Monat, wonach es den Ingenieuren gelungen sei, ein Magnetfeld von bisher unerreichter Stärke zu erzeugen, zeigt, dass die Kernfusion nicht tot ist. Hier eine Übersicht zu den wichtigsten Reaktortypen der vierten Generation und den experimentellen Fusionsreaktoren:

Kernspaltung (Fission)

Bei der Kernspaltung werden schwere Atomkerne – beispielsweise Uran 235 – durch Neutronenbeschuss in zwei oder mehrere kleinere Kerne zerlegt; dabei werden weitere Neutronen freigesetzt, die wiederum andere Atomkerne spalten können (Kettenreaktion), wenn sie auf spaltbares Material treffen. Bei der Kernspaltung wird sehr viel Energie frei. Eine ungesteuerte Kettenreaktion liegt bei einer Atombombe vor. Mit geeigneten Materialien, die Neutronen einfangen (Moderatoren), kann eine gesteuerte Kettenreaktion erreicht werden. Solche gesteuerten Kettenreaktionen erfolgen in Kernreaktoren.

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Schematische Darstellung der Kernspaltung. Animation: Wikimedia/Stefan-Xp

Flüssigsalzreaktor

Bei diesem Reaktortyp (engl. «Molten Salt Reactor», MSR) ist der spaltbare Brennstoff – oft eine Thorium-Mischung – in 600 °C heissem, geschmolzenem Salz gelöst und gleichmässig im Primärkreislauf des Reaktors verteilt. Damit ist eine Kernschmelze im klassischen Sinn ausgeschlossen. Es gibt keine Brennstäbe, die durch Wasser gekühlt werden müssen; die Spaltreaktion findet direkt im Primärkreislauf statt. Zudem arbeiten solche Reaktoren im Gegensatz zu herkömmlichen Druck- oder Siedewasserreaktoren bei Atmosphärendruck, was eine Dampfexplosion im Bereich des Reaktorkerns unmöglich macht. Bei Überhitzung kühlt sich der Reaktor überdies von selbst ab, da der Brennstoff sich dann ausdehnt und die Neutronen auf weniger spaltbare Atome treffen, was die Kettenreaktion bremst.

Schema eines Flüssigsalzreaktors vom Typ Single Fluid MSR
Von US Department of Energy Nuclear Energy Research Advisory Committee - http://www.ne.doe.gov/genIV/documents/gen_iv_roadmap.pdfVector source ...
Schema eines Flüssigsalzreaktors. Grafik: Wikimedia

Flüssigsalzreaktoren können im laufenden Betrieb abgebrannte Brennstäbe aufbereiten – sie sind damit «Brüter», die nicht nur Brennstoff verbrauchen, sondern zugleich neuen produzieren. Dies verringert die Menge des radioaktiven Abfalls, der zugleich nur 500 statt 10'000 Jahre lang gelagert werden muss. Freilich geben die Spaltprodukte eine starke Gammastrahlung ab, was ihre Handhabung erschwert. Als Brutreaktor kann dieser Reaktortyp durch eine geringe Menge Uran oder Plutonium in Gang gesetzt und danach mit nicht spaltbaren Nukliden wie Thorium betrieben werden. Thorium kommt in der Natur etwa drei- bis viermal häufiger vor als Uran. Gegen eine drohende Überhitzung lässt ein Schutzmechanismus das Flüssigsalz abfliessen, damit es auskühlen und kristallisieren kann.

Die Nachteile dieses Typs bestehen darin, dass Salz aggressiv ist und das Material schnell korrodiert. Bisher gelang es nie, die damit verbundenen Probleme zu lösen, obwohl das Konzept schon lange bekannt ist. Ein weiteres Problem bestand darin, dass gasförmiges, radioaktives Tritium aus der Anlage entwich. China ist dem Vernehmen nach dabei, einen solchen Mini-Versuchsreaktor mit 2 Megawatt thermischer Leistung in Betrieb zu nehmen, der – bezogen auf den Reaktor selbst – lediglich 3 Meter hoch und 2,5 Meter breit sein soll. Die Serienproduktion dieses Typs ist für 2030 vorgesehen.

«Atomkraft ohne Risiko? Der Flüssigsalzreaktor | Harald Lesch. »Video: YouTube/Terra X Lesch & Co

Hochtemperaturreaktor

Der Hochtemperaturreaktor (engl. «Very-high Temperature Reactor», VHTR) arbeitet nicht mit herkömmlichen Brennstäben; der Brennstoff ist in Kügelchen aus Kohlenstoff und Siliziumcarbonid eingeschlossen, die in Kugeln oder Blöcken in Prismenform eingebettet sind. Die Betriebstemperatur ist mit bis zu 950 °C wesentlich höher als bei anderen Reaktortypen. Dies ist möglich, weil das Kühlmittel (Helium, das kaum Wechselwirkungen mit Neutronen aufweist) gasförmig ist und sämtliche Teile, die mit diesem aufgeheizten Gas in Berührung kommen, aus Graphit bestehen. Das Graphit dient zugleich als Moderator; es bremst die Neutronen ab. Die hohe Temperatur soll einen höheren thermischen Wirkungsgrad ermöglichen und zudem Prozesswärme liefern, die ebenfalls genutzt werden kann.

Schema eines Kugelhaufenreaktors
Von Pebble_bed_reactor_scheme_(italiano).jpg: Picoterawattderivative work: OrbiterSpacethingytranslation: maxxl2 - Diese Datei wurde von diesem Werk abgeleitet: Pebble ...
Schema eines Kugelhaufenreaktors.Grafik: Wikimedia

Obwohl dieser Reaktortyp im Normalbetrieb zu den heissesten gehört, soll er nicht überhitzen können. Seine absolute Höchsttemperatur liegt bei 1600 °C, die dank einer ausreichenden Wärmeabfuhr nicht überschritten werden kann, auch wenn die Kühlsysteme ausfallen sollten. Ausserdem nimmt die Leistung des Reaktors ab, je heisser er wird – er weist einen negativen Temperaturkoeffizienten auf. Da als Kühlmittel ein Gas verwendet wird und nicht Wasser, gibt es keine Gefahr einer Dampfexplosion.

Problematisch ist hingegen, dass bei hohen Temperaturen Spaltprodukte aus den Brennstoffkügelchen ins Kühlmittel austreten können. Zudem zeigte sich, dass die Entnahme der verbrauchten Kugeln unten im Reaktor zu Problemen führen kann, weil sich diese verklemmten und nicht nachrutschten. Ein deutscher Hochtemperaturreaktor einer älteren Generation in Hamm wurde stillgelegt, weil er schwerwiegende technische Mängel aufwies und zudem unwirtschaftlich arbeitete.

Schneller Natriumreaktor

Auch der schnelle Natriumreaktor (engl. «Sodium-cooled Fast Reactor», SFR) ist ein Brüter, ein sogenannter Schneller Brüter. Er produziert mehr Brennstoff, als er verbraucht, indem er das nicht als Brennstoff geeignete Isotop Uran-238 (das sehr viel häufiger vorkommt als das für die Kernspaltung geeignete Uran-235) in Plutonium-239 umwandelt. Als Kühlmittel dient bei diesem Reaktortyp jedoch flüssiges Natrium. Der Reaktor kann dadurch – im Gegensatz zu einem Leichtwasserreaktor – bei Normaldruck arbeiten und erzielt eine hohe Energie-Leistungsdichte.

Schema eines schnellen Natriumreaktors
By Sfr.gifderivative work: Beao - Sfr.gif, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8120627
Schema eines schnellen Natriumreaktors. Grafik: Wikimedia

Wenn ein Leck auftritt, schiesst das leicht entflammbare Natrium nicht wie Wasser explosionsartig heraus, sondern strömt langsam aus und verfestigt sich. Gerechnet werden müsste allenfalls mit einem kontrollierbaren Natriumbrand, da dieses Alkalimetall mit relativ geringer Energiefreisetzung verbrennt. Probleme könnte allerdings die Tatsache verursachen, dass waffenfähiges Plutonium entsteht. Dies müsste sehr strikt überwacht werden, um die Nonproliferation von Atomwaffen nicht zu gefährden.

Die Technologie wurde in der Vergangenheit bereits in anderen schnellen Reaktoren getestet. Derzeit gibt es Projekte für natriumgekühlte Schnellreaktoren in Russland und China, aber auch in Indien. Zudem treibt Microsoft-Gründer Bill Gates mit seiner Firma TerraPower in Kooperation mit GE Hitachi Nuclear Energy die Entwicklung eines schnellen Natriumreaktors mit einem Salzschmelzen-Energiespeichersystem voran. Diese «Natrium» genannten Kraftwerke sind sogenannte Laufwellenreaktoren, das heisst, die energieerzeugende Spaltungszone wandert mit der Zeit wellenförmig durch den Kern. Das Brutmaterial wird dabei auf der einen Seite verbraucht, während auf der anderen Seite Spaltprodukte und unverbrauchter Brennstoff zurückbleiben. Solche Reaktoren sollen noch in diesem Jahrzehnt auf den Markt kommen. Ein Prototyp soll bis Mitte der 2020er-Jahre betriebsbereit sein.

Schneller Bleireaktor

Der schnelle Bleireaktor («Lead-cooled Fast Reactor», LFR) wurde schon in der Sowjetunion konzipiert und in U-Booten eingesetzt. Hier wird im Kühlkreislauf geschmolzenes Blei oder eine Blei-Bismut-Mischung mit Temperaturen von 500 bis 600 °C verwendet. Dies hat den Vorteil, dass diese Schwermetalle im Gegensatz zu Natrium keine Brände verursachen können und falls sie bei einem Leck austreten, werden sie schnell fest. Blei reagiert auch kaum mit Wasser oder Luft, dafür kann es das Kühlsystem korrodieren. Das schwere Kühlmittel schirmt gut gegen Gamma-Strahlung ab und dient überdies als Neutronenreflektor; es wirft einige entweichende Neutronen zum Reaktorkern zurück. Der schnelle Bleireaktor benötigt zudem nach dem Runterfahren keine Elektrizität mehr für die Kühlung wie ein wassergekühlter Reaktor.

Schema eines schnellen Bleireaktors
By Idaho National Libraryderivative work: Beao - Lfr.gif and before that [1]., Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8039779
Schema eines schnellen Bleireaktors.Grafik: Wikimedia

Der Reaktorkern könnte bis etwa 20 Jahre lang fest verschlossen am Stück Energie produzieren, danach könnte er als Ganzes ausgetauscht werden. Dies wäre interessant für Länder, die keine eigene nukleare Infrastruktur aufbauen können oder wollen. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass neben Strom auch Prozesswärme und Wasserstoff produziert wird. Da das Kühlmittel sehr schwer ist, müsste eine Anlage besonders gut gegen Erdbeben abgesichert werden. Nachteilig ist auch, dass Bismut eher selten ist und dass eine Blei-Bismut-Mischung als Kühlmittel Polonium produziert – dieses radioaktive Element ist schwierig zu handhaben.

«Neue Reaktortypen 2: Schneller Brüter, Thoriumreaktor u.a. | Special Kernphysik Elementarteilchen.»Video: YouTube/Grenzen des Wissens

Kernfusion

Die Kernfusion ist die hauptsächliche Energiequelle unserer Sonne und anderer Sterne. Im Gegensatz zur Kernspaltung werden bei der Kernfusion nicht Atomkerne unter Freisetzung von Energie gespalten, sondern miteinander verschmolzen. Unter den Bedingungen auf der Erde gelingt dies am leichtesten mit Wasserstoffatomen (Deuterium und Tritium), die zu Helium verschmolzen werden. Um eine Kernfusion in Gang zu setzen, sind ungeheure Mengen von Energie und enormer Druck notwendig. Bei der Wasserstoffbombe geschieht dies durch die Detonation einer Fissions-Bombe; bei der kommerziellen Nutzung der Kernfusion sollen diese Bedingungen durch extrem starke Magnetfelder hergestellt werden. Bisher ist es jedoch noch nie gelungen, Fusionsprozesse in Gang zu setzen, die mehr Energie erzeugen als sie verbrauchen. Das Potenzial der Kernfusion ist allerdings beträchtlich: 1 Gramm Brennstoff könnte so viel Energie freisetzen wie die Verbrennung von 11 Tonnen Kohle.

Schema der Kernfusion
Die schweren Wasserstoffatome Deuterium und Tritium verschmelzen zu Helium. Dabei werden Energie und Neutronen freigesetzt.Grafik: Shutterstock

Der Fusionsbrennstoff – «Plasma» – ist ein extrem dünnes, ionisiertes Gas aus Wasserstoffisotopen, das auf eine Temperatur von 150 Millionen °C gebracht werden muss, damit der Fusionsprozess in Gang kommt. Kein Werkstoff könnte solche Temperaturen aushalten, zudem würde das Plasma beim Kontakt zur Wand eines solchen Gefässes sofort wieder abkühlen. Aus diesem Grund wird das Plasma in Magnetfeldern eingeschlossen, die es isolieren und von den Gefässwänden fernhalten.

Tokamak

Die heute am weitesten verbreitete Bauart eines Fusionsreaktors ist der Tokamak. Hier wird das Plasma in einem torusförmigen Gefäss durch ein starkes Magnetfeld ringförmig zusammengehalten. Dieses Magnetfeld wird zum einen Teil durch äussere Magnetspulen aufgebaut, zum anderen Teil durch elektrischen Strom, der durch das Plasma fliesst. Letzteres geschieht durch Pulse, was den Dauerbetrieb erschwert – dies im Gegensatz zum anderen Reaktortyp, dem Stellarator.

The heat blanket, left, and vacuum vessel components of the ITER machine are pictured at the Tokamak complex in Saint-Paul-Lez-Durance, France, Thursday, Sept. 9, 2021. Scientists at the International ...
Der Versuchsreaktor ITER in Südfrankreich. Bild: keystone

Die derzeit leistungsfähigsten Fusionsanlagen beruhen auf dem Tokamak-Prinzip. Dazu gehört der von einem breiten Konsortium von Staaten betriebene Versuchsreaktor ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) in Südfrankreich, die bisher grösste solche Anlage. Sie kann Magnetfelder von bis zu 13 Tesla erzeugen. Der Innenraum umfasst etwa 1400 Kubikmeter, doch das Plasma – nicht mehr als jeweils etwa ein Gramm – nimmt nur etwa 850 Kubikmeter davon ein. Das Plasma heizt sich durch Kollisionen und Bewegungen der Teilchen auf, zusätzlich wird es durch mehrere externe Heizsysteme erhitzt. Die Anlage benötigt ungeheure Mengen von Energie: In den Spitzen sind es bis zu 620 Megawatt – das ist rund die Hälfte der Leistung des Atomkraftwerks Leibstadt. Hinzu kommt ein beträchtlicher Wasserverbrauch.

Fusionsreaktoren sind inhärent sicher in dem Sinne, dass keine Kernschmelze stattfinden kann; die Kernfusion hält nur so lange an, als die nötige Energie zugeführt wird. Die kleinste Störung lässt den Fusionsprozess innert Sekunden zusammenbrechen. Die Gefahr durch freigesetzte Radioaktivität ist ebenfalls praktisch vernachlässigbar. Hingegen wird Material des Fusionsreaktors durch Neutronenbeschuss schwach bis mittelradioaktiv. Die Halbwertszeit der meisten dieser Radioisotope beträgt jedoch weniger als zehn Jahre.

Stellarator

Im Gegensatz zum Tokamak benötigt ein Fusionsreaktor des Stellarator-Typs keinen gepulsten Strom, der im Plasma selbst fliesst. Dadurch ist dieser Reaktortyp weniger anfällig für Instabilitäten und unmittelbar für den Dauerbetrieb geeignet. Dafür ist seine Spulengeometrie wesentlich komplexer, was sowohl die Konstruktion wie die Wartung sehr viel aufwendiger macht. Zudem ist der Teilchen- und Energieverlust bei steigender Plasmatemperatur bisher höher als beim Tokamak. Da Stellaratoren noch nicht so lange entwickelt werden wie Tokamaks, sind sie derzeit noch weniger leistungsfähig.

Alle fünf Module stehen auf dem Maschinenfundament (Dezember 2011). Zum kompletten Anlagenkern fehlt nur noch das letzte Stück der Aussenhülle (vorne oben).
Wendelstein 7-X ist der grösste Fusionsreaktor nach dem Stellarator-Modell.Bild: KEystone

Der erste grosse Stellarator steht in Greifswald im Nordosten Deutschlands. Das Herzstück von Wendelstein 7-X, der weltweit grössten solchen Anlage, ist ein kreisförmiger Magnetkäfig mit einem Radius von 5,5 Metern, in dem bis zu 30 Milligramm Plasma in einem Volumen von rund 30 Kubikmetern eingeschlossen werden. 2018 konnte es für 26 Sekunden stabil gehalten werden. Das Ziel der Versuchsanlage ist jedoch, das extrem heisse Plasma 30 Minuten lang aufrecht zu erhalten. Davon ist Wendelstein 7-X noch weit entfernt – und die kommerzielle Nutzung der Kernfusion erst recht.

«Bau eines Fusionsreaktors • Tokamak Stellarator ITER • Live im Hörsaal | Hartmut Zohm.»Video: YouTube/Urknall, Weltall und das Leben

So sieht das AKW in Fukushima von innen aus

Video: srf/SDA SRF
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quelle: keystone / ennio leanza
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Japan acht Jahre nach Fukushima
Video: srf
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303 Kommentare
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Die beliebtesten Kommentare
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The oder ich
05.11.2021 06:40registriert Januar 2014
Danke für die spannende Aufzählung. Die Älteren unter uns erinnern sich sicher noch, dass der Fusionsreaktor uns in den 70ern als DIE Lösung der Kernkraft versprochen wurde (inklusive Lösung des Entsorgungsproblems), die bis ins Jahr 2000 wirtschaftlich sein werde.

Jetzt haben wir 2021 und die Prognosen für die Kernfusion sind immer noch "bis in 20 bis 30 Jahren"
17215
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no-way
05.11.2021 06:43registriert November 2016
Schau mal was passiert in den USA .neue Reaktor in Georgia (vogtle). Plan war 14 billion und Betrieb ab 2016. Hat bis jetzt 27.8 Billionen gekostet und das Start wurde wieder am Mai 2022 verschoben.
Hätte diese 28 Billionen als Solarpanel+Akku storage angewendet, hätte man schon jetzt einen ähnlichen System, dafür erneuerbar, dezentralisiert und nicht von Brennstoff abhängig.
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chrissy_dieb
05.11.2021 06:27registriert Januar 2020
Vor 10 Jahren wäre man für so einen Artikel geächtet worden.

Egal wie man zu Kernenergie steht, wir täten gut daran eine konsistente Haltung zu haben. Man kann unmöglich über die Energiestrategie in 30 oder 80 Jahren sprechen, aber gleichzeitig Kernkraftwerke im 10-Jahresrythmus an- und ausschalten.
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