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Atomkraftwerke der Generation IV

Reaktortypen im Überblick

Neue Atomkraftwerke sollen die Kernenergie revolutionieren. Die Generation IV der Atomkraftwerke könnte tatsächlich sicherer und günstiger sein – und es gibt nicht nur einen Hoffnungsträger. Aktuell heben sich acht Reaktordesigns ab. Allerdings sind sie größtenteils nur erdacht und nicht erbaut. Was steckt dahinter? Ein Überblick.

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Grafik: Polygraph Design

Flüssigsalzreaktor (Engl.: Molten Salt Reactor, Abk.: MSR)


Effizienter, sicherer und dazu weniger oder sogar kein Atommüll – das versprechen sich Forscher*innen vom Flüssigsalzreaktor. Seine Besonderheit: Der Brennstoff – oft eine Thorium-Mischung – wird nicht durch Wasser gekühlt, sondern ist in flüssigem Salz aufgelöst. Darüber hinaus soll der Reaktor abgebrannte Brennstäbe im laufenden Betrieb aufbereiten können, damit sie wieder für die Energiegewinnung eingesetzt werden.[1] Er ist damit ein sogenannter „Schneller Brüter“, verbraucht also nicht nur Brennstoff, sondern produziert gleichzeitig auch neuen. Durch diese Aufbereitung entsteht weniger nuklearer Abfall, der zudem weniger lange strahlt als nicht wiederaufbereitete Brennstäbe.[2] Um drohende Überhitzung zu vermeiden, gibt es beim aktuellen Design einen Schutzmechanismus, der das Flüssigsalz abfließen lässt. So kühlt es aus.[3] Doch es gibt auch einen Nachteil: Das waffenfähige Material ist nicht gut geschützt. Eine weitere Herausforderung: Bei einem Flüssigsalzreaktor aus den 1950er-Jahren – aus der alten Generation – traten durch das Salz verursachte Korrosionen im Material auf und in Folge eine hohe Strahlenbelastung.[4]

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Grafik: Polygraph Design



Hochtemperaturreaktor (Engl.: Very-high Temperature Reactor, Abk.: VHTR)


Dieser Reaktor arbeitet bei vergleichsweise hoher Temperatur (bis zu 950 Grad Celsius).[5] Statt mit Brennstäben läuft er mit Brennstoffkugeln oder auch Blöcken in Prismenform.[6] Als Kühlung dient Helium. Alle Bestandteile, die mit dem aufgeheizten Kühlgas in Kontakt kommen, bestehen aus Graphit, das außerdem die Neutronen abbremst.[7] Bei diesem Modell gilt eine Kernschmelze, also ein Unfall durch die Überhitzung des Brennstoffes, als ausgeschlossen. Denn selbst wenn er im Normalbetrieb einer der heißesten Reaktoren ist, kann er nicht überhitzen: 1600 Grad Celsius ist seine absolute Höchsttemperatur, die beschränkt wird durch eine Wärmeabfuhr, selbst wenn die Kühlsysteme ausfallen. Zudem besitzt er einen negativen Temperaturkoeffizient der Reaktivität, das heißt, je mehr sich der Reaktor aufheizt, desto geringer wird seine Leistung.[8] Er produziert neben Elektrizität auch Wasserstoff. [9] Durch die hohe Temperatur im Kernkraftwerk kann zudem Prozesswärme erzeugt werden – also Abwärme, die durch einen Prozess in anderen Bereichen wie der Industrie genutzt werden kann. [10] Der einzige deutsche HTR – aus einer älteren Generation – wurde 1989 in Hamm laut Tagesspiegel wegen „schwerwiegender technischer Mängel“ und Unwirtschaftlichkeit stillgelegt.[11]

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Gasgekühlter schneller Reaktor (Engl.: Gas-cooled fast reactor, Abk. GFR)


Der Reaktor verdankt seinen Namen dem Heliumkreislauf mit circa 850 Grad Celsius und schnellen Neutronen (schnellen elektronischen Teilchen). Das Helium dient hier als Kühlmittel. Seine Besonderheit: Er bereitet verbrauchten Brennstoff vor Ort wieder auf und verwendet ihn.[12] Außerdem produziert er neben Energie auch Wasserstoff und Prozesswärme.[13] Das Design kombiniert das Brennstoffrecycling-Verfahren des natriumgekühlten schnellen Reaktors mit der Reaktortechnologie des Hochtemperaturreaktors mit besonders hoher Temperatur. [14] Seit 2000 forscht das GIF (Gen IV International Forum) an einem Design, das vor allem das Sicherheitskonzept und den Reaktorkern in den Fokus nimmt. [15] Marktreif soll das Design 2035 sein.[16]

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Natriumgekühlter schneller Reaktor (Engl.: Sodium-cooled Fast Reactor, Abk.: SFR)


Der natriumgekühlte schnelle Reaktor gehört zu den schnellen Brütern. Das heißt, er erbrütet (produziert) mehr Brennstoff für die Stromerzeugung als er verbraucht – dieser Reaktor schafft das, indem er durch Kernspaltung Uran in Plutonium umwandelt. So sorgt er teilweise allein für seinen eigenen Brennstoff-Nachschub. Um den Reaktorkern zu kühlen, wird flüssiges Natrium eingesetzt. Dies führt dazu, dass der Reaktor bei niedrigem Druck und einer hohen Energie-Leistungsdichte (thermischer Leistung pro Kubikmeter Reaktorkern) betrieben werden kann. [17] Im Falle eines Lecks strömt das entflammbare Natrium dann nicht plötzlich, sondern langsam aus und verfestigt sich.[18] Ein möglicher Brand soll dadurch bezwing- und kontrollierbar sein. Bereits in der Vergangenheit wurde der Großteil dieser Basistechnologie in anderen schnellen Reaktoren getestet.[19] In Indien wird derzeit ein Kernkraftwerk dieser Art errichtet, das dieses Jahr in Betrieb gehen soll.[20]

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Bleigekühlter schneller Reaktor (Engl.: Lead-cooled Fast Reactor, Abk.: LFR)


Dieser Reaktor wurde schon in der Sowjetunion[21] erdacht und in Unterseebooten eingesetzt. Aktuell forscht das GIF (Gen IV International Forum) an diesem Reaktorkonzept und entwickelt es weiter. Im Gegensatz zu den anderen Kernkraftwerkskonzepten kühlt beim LFR eine Blei-Bismut-Legierung die Brennstäbe. Die Schwermetall-Mischung kann im Gegensatz zu Natrium keine Brände entfachen. Allerdings kann Blei Korrosionen im Kühlsystem verursachen.[22] Da die Legierung eher schwer ist, muss das Atomkraftwerk gegen Erdbeben besonders abgesichert werden.[23] Sein Vorteil: Der Reaktorkern könnte 15 bis 20 Jahre am Stück Energie produzieren, wenn er fest verschlossen ist. Außerdem generiert das Werk neben Strom auch Prozesswärme und Wasserstoff.[24]

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Leichtwasserreaktoren mit besonders hohem Druck und hoher Temperatur (Engl.: Supercritical Water-cooled reactor, Abk.: SCWR)


Hier übernimmt 500 Grad Celsius heißes Wasser bei über 205 Bar den Job als Kühlmittel und Moderator – es bremst wegen seiner hohen Dichte die Neutronen ab. Zum Vergleich: Ein Bar entspricht etwa dem Luftdruck auf der Erdoberfläche.

Das sogenannte leichte Wasser, das im Namen des Reaktors steckt, leitet die Wärme der Kettenreaktionen weiter, bremst die freien Neutronen ab und absorbiert auch einen Teil von ihnen. Als Brennstoff dient 235U (Uran mit 235 Teilchen). Der Reaktor gilt als besonders effizient und einfach im Bau.[25] Ein Vorteil ist, dass er nebenbei auch Wasserstoff produzieren kann. Außerdem soll er günstiger sein als ein „normaler“ Leichtwasserreaktor.[26]



Laufwellenreaktor (Engl. Traveling Wave Reactor, Abk.: TWR)


Als Grundlage dient ein Konzept aus den 1950er-Jahren: [27] Dieser Reaktor kann abgebrannte Brennstäbe, also Atomabfall, und abgereichertes 238Uran als Brennstoff verwenden und so den Brennstoffkreislauf schließen. „Ein solcher Reaktor könnte theoretisch hundert Jahre laufen“, sagt John Gilleland, technischer Leiter des Atomprogramms von TerraPower LCC. [28] Dadurch, dass der Reaktor selbstständig unter Verschluss neuen Brennstoff erbrütet, ist es schwerer, das Uran für Atomwaffen zu entwenden.[29] Doch er benötigt flüssiges Natrium als Kühlung und das gilt als sehr leicht brennbar – eine mögliche Störquelle.[30] Mitte der 2020er möchte das amerikanische Unternehmen TerraPower einen ersten betriebsfähigen Prototyp auf den Markt bringen – einen Simulator gibt es bereits.[31] Damit können die Forscher*innen den Betrieb des Reaktors in der Theorie untersuchen.



Kleine modulare Reaktoren (Engl. Small Modular Reactors, Abk. SMR)


Reaktoren mit einer elektrischen Leistung von maximal 300 Megawatt gelten als kleine Reaktoren.[32] Zum Vergleich: Ein mittleres Atomkraftwerk besitzt eine Leistung von circa 1400 Megawatt.[33] Modulare Systeme bestehen aus einzelnen Reaktor-Modulen, die auch zu einer größeren Anlage zusammengefasst werden können. Sie werden „standardisiert“ und als Einheit in Fabriken produziert. Dadurch lassen sie sich in kurzer Zeit zu den gewünschten Standorten transportieren sowie dort aufbauen und sind im Vergleich zu nicht modularen Atomkraftwerken schnell gefertigt und günstiger.[34] Laut Öko-Institut gibt es über 45 SMR-Konzepte mit verschiedenen Reaktoren, als am leichtesten realisierbar sieht es ein modulares System mit Leichtwasser-Kühlung. Denn dieses Konzept knüpft an bereits vorhandene Entwicklungen an. Die kleinen modularen Reaktoren laufen mit niedrig angereichertem Uran als Brennstoff und produzieren „grundsätzlich gleiche Mengen an radioaktiven“ Abfällen wie aktuelle Kernkraftwerke.[35]



Exkurs Atomkraftwerk

Was ist ein Reaktor?


Der Reaktor ist der Behälter, in dem die Kernspaltung abläuft. Es gibt verschiedene Reaktormodelle, die sich im Aufbau unterscheiden. Sie verwenden etwa verschiedene Kühlsysteme oder Brennelemente und können unterschiedlich groß sein.

Was verstehen wir unter atomarer Kettenreaktion?


Im Kernreaktor wird der Brennstoff – meist Uran – mit Neutronen beschossen, um eine Kernspaltung auszulösen, die Wärmeenergie und weitere Neutronen freigibt. Die freien Neutronen spalten weiteren Brennstoff. Dieser Prozess setzt sich als Kettenreaktion automatisch fort.

Wie funktioniert ein Atomkraftwerk?


Atomkraftwerke sind, vereinfacht gesagt, besonders große Wasserkocher, die durch Dampf Turbinen antreiben und so Strom erzeugen. Zunächst muss ein Brennstoff, meist Uran, zu einer Kettenreaktion gebracht werden, die Energie freigibt. Dadurch heizen sich die Brennstäbe auf, die wiederum ihre Wärme ans Wasser abgeben. Es entsteht Dampf, der Turbinen (große Räder) ankurbelt. Die Drehbewegung erzeugt Strom. Wie es genau funktioniert, könnt ihr hier sehen:

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Wie ist ein Atomkraftwerk aufgebaut?

Man unterscheidet zwei Teile: Im nuklearen Teil (Reaktorgebäude) sitzt in einem Druckbehälter der Reaktorkern, der aus Brennelementen besteht. In ihnen befinden sich dünne Brennstäbe mit Brennstoff, meist aus Uran. Sie können aber auch Plutonium oder Thorium enthalten. Luftdicht verschlossen läuft hier die Kernspaltung ab, die Wärme erzeugt. Diese Wärme wird in einem Wärmetauscher im zweiten Teil, konventioneller Teil genannt, an einen geschlossenen Wasserkreislauf abgegeben. Das Wasser erhitzt sich. Der entstehende Dampf bringt die Turbine in Bewegung, die wiederum einen Generator antreibt, der schließlich Strom produziert. Der Wasserdampf wird anschließend in einem Kondensator zu Wasser abgekühlt – durch einen dritten Wasserkreislauf – und kann dann wieder als Kühlwasser eingesetzt werden. Meist wird als Kühlmittel Flusswasser genutzt. Durch den Kühlturm steigt schließlich das erhitzte Wasser des dritten Kreislaufes als reiner Wasserdampf wieder in die Atmosphäre.

Quellen und weiterführende Literatur

[1] Dr. Christoph Pistner Dr. Matthias Englert für Öko-Institut e.V.: Neue Reaktorkonzepte. Eine Analyse des aktuellen Forschungsstands. (April 2017) https://www.oeko.de/fileadmin/oekodoc/Neue-Reaktorkonzepte.pdf S. 26
[2] https://www.zeit.de/2019/41/kernkraftwerke-atomkraft-energiewende-atommuell/komplettansicht
[3] Dr. Christoph Pistner Dr. Matthias Englert für Öko-Institut e.V.: Neue Reaktorkonzepte. Eine Analyse des aktuellen Forschungsstands. (April 2017) https://www.oeko.de/fileadmin/oekodoc/Neue-Reaktorkonzepte.pdf S. 26
[4] https://www.deutschlandfunk.de/dual-fluid-reaktor-mit-fluessigbrennstoff-im-reaktor-soll.676.de.html?dram:article_id=462710
[5] Dr. Christoph Pistner Dr. Matthias Englert für Öko-Institut e.V.: Neue Reaktorkonzepte. Eine Analyse des aktuellen Forschungsstands. (April 2017) https://www.oeko.de/fileadmin/oekodoc/Neue-Reaktorkonzepte.pdf S. 58
[6] ebd.
[7] ebd.
[8] https://www.spektrum.de/lexikon/physik/hochtemperaturreaktor/6804
[9] https://www.gen-4.org/gif/jcms/c_42153/very-high-temperature-reactor-vhtr
[10] https://www.spektrum.de/lexikon/physik/hochtemperaturreaktor/6804
[11] https://www.tagesspiegel.de/politik/atomkraft-in-deutschland-gescheitert-in-china-neu-gebaut/8478502.html
[12] https://www.gen-4.org/gif/jcms/c_9357/gfr
[13] ebd.
[14] ebd.
[15] https://www.hindawi.com/journals/stni/2009/965757/
[16] https://tu-dresden.de/ing/maschinenwesen/iet/wket/forschung/unsere-forschungsbereiche/gasgekuehlte-reaktoren
[17] Leistungsdichte: die Verteilung von enthaltener oder übertragbarer Leistung
[18] https://www.zeit.de/2019/41/kernkraftwerke-atomkraft-energiewende-atommuell/komplettansicht
[19] https://www.gen-4.org/gif/jcms/c_42152/sodium-cooled-fast-reactor-sfr
[20] https://www.zeit.de/2019/41/kernkraftwerke-atomkraft-energiewende-atommuell/seite-3
[21] https://dual-fluid-reaktor.de/miscellanious/history/
[22]Dr. Christoph Pistner Dr. Matthias Englert für Öko-Institut e.V.: Neue Reaktorkonzepte. Eine Analyse des aktuellen Forschungsstands. (April 2017) https://www.oeko.de/fileadmin/oekodoc/Neue-Reaktorkonzepte.pdf, S. 14
[23] https://www.spektrum.de/news/kernkraftwerke-der-zukunft/1527265
[24] https://www.gen-4.org/gif/jcms/c_9358/lfr
[25] https://www.spektrum.de/news/kernkraftwerke-der-zukunft/1527265
[26] https://www.gen-4.org/gif/jcms/c_9358/lfr
[27] https://www.gen-4.org/gif/jcms/c_42151/supercritical-water-cooled-reactor-scwr
[28] https://www.heise.de/tr/artikel/Sanfter-Brueter-791511.html
[29] https://terrapower.com/productservices/twr
[30] https://www.youtube.com/watch?v=qdAH4019or0
[31] https://terrapower.com/productservices/twr
[32] Dr. Christoph Pistner Dr. Matthias Englert für Öko-Institut e.V.: Neue Reaktorkonzepte. Eine Analyse des aktuellen Forschungsstands. (April 2017) https://www.oeko.de/fileadmin/oekodoc/Neue-Reaktorkonzepte.pdf S. 97
[33] https://www.ndr.de/nachrichten/info/Watt-Das-leisten-die-Anlagen-im-Vergleich,watt250.html
[34] Dr. Christoph Pistner Dr. Matthias Englert für Öko-Institut e.V.: Neue Reaktorkonzepte. Eine Analyse des aktuellen Forschungsstands. (April 2017) https://www.oeko.de/fileadmin/oekodoc/Neue-Reaktorkonzepte.pdf S. 97
[35] ebd., S. 106
[36] https://ec.europa.eu/health/scientific_committees/opinions_layman/depleted-uranium/de/index.htm
[37] https://www.bfs.de/DE/themen/ion/wirkung/radioaktive-stoffe/plutonium/plutonium_node.html
[38] ebd.
[39] https://www.chemie.de/lexikon/Thorium.html