Reaktorforschung und neue Reaktoren

Schneller Brutreaktor (Fast Breeder Reactor, FBR)

Der „schnelle Brüter“ ist Atomkraftwerk und Plutoniumfabrik in einem. Neben der Stromproduktion wandelt er nicht spaltbares Material in spaltbares Plutonium um. So soll das Kraftwerk mehr Brennstoff produzieren, als es verbraucht. Als Kühlmittel kommt meist flüssiges Natrium zum Einsatz, einige Konzepte sehen stattdessen Blei oder Gas als Kühlmittel vor.

Foto: Wikimedia

FBR Schneller Brüter in Japan/Monju

Brutreaktoren bergen besonders hohe Sicherheitsrisiken, sowohl im Betrieb als auch beim Umgang mit ihrem Brennstoff. Diese Probleme konnten bis heute nicht gelöst werden. Natrium, das sich bei Kontakt mit Feuchtigkeit entzündet, stellt eine permanente Brandgefahr dar. Bevor das erbrütete Plutonium als Brennstoff eingesetzt werden kann, muss es außerdem in einem aufwendigen und extrem umweltschädlichen Prozess in einer Wiederaufarbeitungsanlage extrahiert und verarbeitet werden. Plutonium ist nicht nur radioaktiv und hochgiftig, sondern auch atomwaffentauglich. Seine Produktion und industrielle Verarbeitung in großen Mengen stellt eine immense Gefahr für den Weltfrieden dar.

Das Projekt „Schneller Brüter“ ist bereits mehrfach gescheitert: Der deutsche Prototyp aus den 1980er Jahren in Kalkar ging wegen Sicherheitsmängeln nie in Betrieb. Der französische „Superphénix“ lag die meiste Zeit still und das Euratom-Projekt „Astrid“ wurde 2019 noch vor Baustart eingestampft. Nur Russland betreibt trotz enormer Risiken derzeit zwei natriumgekühlte Reaktoren, allerdings nicht als Brüter, sondern zum Verbrennen von Plutonium aus ausrangierten Atomwaffen. Trotz gravierender Mängel und Nachteile pumpt unter anderem die EU weiterhin Milliarden in die Brüter-Entwicklung. Mit einem kommerziellen Schnellen Brüter der Generation IV ist – wenn überhaupt  – nicht mehr in dieser Hälfte des Jahrhunderts zu rechnen.

Flüssigsalzreaktor

Beim Flüssigsalzreaktor ist der Brennstoff in einer Salzschmelze aufgelöst, die zugleich als Kühlmittel dient. Bei Störungen soll die radioaktive Flüssigkeit in einen Ablasstank fließen und die Kettenreaktion stoppen. Bislang ist aber kein Material bekannt, das ausreichend beständig gegen die stark korrosive Salzschmelze wäre. Es besteht die Gefahr von Leckagen und dem Austritt radioaktiver Stoffe. Flüssigsalzreaktoren produzieren zwar weniger und kurzlebigeren Atommüll als Leichtwasser-Reaktoren. Gleichzeitig verursacht ihr Betrieb weitaus höhere radioaktive Emissionen für die Umgebung.

Foto: Danapit

MSR Flüssigsalzreaktor

Die meisten Flüssigsalzreaktor-Modelle sind auf Thorium als Brennstoff ausgelegt. Der Reaktor „erbrütet“ aus Thorium spaltbares und waffentaugliches Uran-233. Damit liefert er reinen Stoff für den Bau von Atombomben. Das Uran-233 muss im laufenden Betrieb des Reaktors chemisch abgetrennt und dem Brennstoff-Zyklus entnommen werden. Die Gefahr, dass der brisante Stoff dabei unbemerkt entwendet wird, ist groß. Selbst kleine Terrororganisationen könnten unter diesen Voraussetzungen eine Atombombe bauen. Die Entwicklung von Thorium-Reaktoren ist daher schon wegen des Risikos der Verbreitung von waffenfähigem Material nicht zu verantworten.

China testet seit 2021 einen Thorium-Flüssigsalzreaktor. Mit einem kommerziellen Flüssigsalzreaktor rechnen Expert*innen aber nicht vor 2060. Die EU betreibt unter anderem am Joint Research Center (JRC) in Karlsruhe (früher: Institut für Transurane, ITU) Grundlagenforschung für Thorium-Flüssigsalzreaktoren. Auch die USA und weitere Länder verfolgen ehrgeizige Ziele auf diesem Gebiet.

Kugelhaufenreaktor ([Very] High Temperature Reactor, [V]HTR)

Beim Kugelhaufenreaktor ist die Betriebstemperatur mit 700 bis 1.000 Grad etwa dreimal so hoch wie in herkömmlichen Druckwasserreaktoren. Das erhöht den Wirkungsgrad und ermöglicht die Nutzung der Prozesswärme, etwa zur Produktion von Wasserstoff.

Foto: Tim Reckmann

THTR Hamm Uentrop

Die wesentlichen technischen Schwierigkeiten sind ungelöst. In allen bisher betriebenen Kugelhaufenreaktoren kam es zu massiven Sicherheitsproblemen, weil die kugelförmigen Brennelemente sich anders verhielten als erwartet. Ihre Grafit-Ummantelung kann den Austritt radioaktiver Stoffe nicht ausreichend verhindern. Es entsteht radioaktiver Staub, der bei Störfällen die Reaktivität ansteigen lassen kann. Wassereinbrüche können zu einer Überkritikalität mit katastrophalen Folgen führen.

Kugelhaufenreaktoren liefern außerdem relativ reines Spaltmaterial zur Herstellung von Atomwaffen. Sie gelten zudem als besonders geeignet zur Erzeugung von Tritium für Wasserstoffbomben.

Auch in punkto Atommüll bietet die Technik keine Vorteile – im Gegenteil: Aufgrund der Form der Brennelemente haben die hochradioaktives Abfälle ein Vielfaches des Volumens im Vergleich zu herkömmlichen Reaktortypen.

Neu ist die Technik nicht. HTR-Projekte in Deutschland, USA und Südafrika sind gescheitert. In China läuft ein Demonstrationsreaktor. Mit einem kommerziellen Reaktor ist erst gegen Mitte des Jahrhunderts zu rechnen, die Entwicklung wird noch mehrere Milliarden Euro verschlingen. Die USA planen aktuell eine Anlage mit mehreren Modulen.

Small Modular Reactors, SMR (Kleine modulare Reaktoren)

SMR ist ein Sammelbegriff für Reaktoren mit einer maximalen elektrischen Leistung von 300 Megawatt, das ist etwa ein Fünftel eines großen AKW. Die heute verfolgten SMR-Konzepte beruhen teils auf herkömmlicher Reaktortechnik (Druckwasserreaktoren wie die derzeit üblichen AKW), teils handelt es sich auch um Brutreaktoren, Flüssigsalzreaktoren oder Hochtemperaturreaktoren (siehe oben) oder andere Generation-IV-Reaktormodelle. Oft sollen SMR in einzelnen Modulen gefertigt und vor Ort zusammengebaut werden können. Vielfach sollen sich auch mehrere kleinen Reaktoren zu einem größeren Kraftwerk zusammenschalten lassen können.

Foto: Mrcukilo

Small Modecular Reaktor (SMR) in Argentinien

Die angebliche Sicherheit von SMR beruht hauptsächlich darauf, dass jeder einzelne Reaktor aufgrund seiner Größe weniger radioaktives Material enthält. Trotzdem werden in einer mit Reaktoren übersäten Welt Unfälle und Terrorangriffe unterm Strich wahrscheinlicher. Durch die geplante große Verbreitung steigt auch die Gefahr, dass nukleares Material oder Know-how in die falschen Hände gerät („Proliferation“). Zudem wird bei manchen Designs an redundanten Sicherheitsmaßnahmen gespart, um die Kosten niedrig zu halten. Auch das bestehende Atommüll-Problem würde sich mengenmäßig und geografisch ausweiten.

In den letzten Jahrzehnten wurden stets noch größere AKW gebaut, um die aufgrund der nötigen Sicherheitssysteme immensen Kosten mit entsprechend größerer Stromproduktion wieder einspielen zu können. Dass im Gegensatz zur Erfahrung der letzten Jahrzehnte nun gerade kleine Reaktoren mit geringem Strom-Output unterm Strich billiger zu bauen und zu betrieben sein sollen als große, ist selbst bei einer angenommenen „Serienfertigung“ der Mini-Reaktoren unplausibel. Allerdings gibt es an kleinen Reaktoren ein besonderes militärisches Interesse, etwa zum Antrieb von U-Booten.

Weltweit gibt es etwa 50 SMR-Konzepte. Zahlreiche Firmen sowie unter anderem die USA, Frankreich, Großbritannien und China verfolgen SMR-Pläne. In Russland ist mit der Akademik Lomonossow ein schwimmender SMR herkömmlicher Reaktortechnik in Betrieb. SMR auf Grundlage herkömmlicher Reaktortechnik könnten vor der Mitte des Jahrhunderts auf den Markt kommen. Mit Generation-IV-SMR ist erst in der zweiten Jahrhunderthälfte zu rechnen. 

Fusionsreaktor

In einem Fusionsreaktor werden Kerne nicht gespalten, sondern miteinander verschmolzen. Die meisten Konzepte basieren auf der Verschmelzung von Deuterium und Tritium. Die technischen Hürden sind enorm, denn die Kernfusion auf der Erde braucht sehr hohe Temperaturen – etwa 100-150 Millionen Grad. Das sorgt für einen sehr hohen Energiebedarf. Daher wäre Strom aus Kernfusion voraussichtlich sehr teuer. Entscheidende technische Probleme sind nicht ansatzweise gelöst, daher ist die Machbarkeit fraglich.

Eine Kernschmelze ist in einem Fusionsreaktor nicht möglich, trotzdem kann bei einem Unfall viel Radioaktivität austreten. Schon im Normalbetrieb durchdringt Tritium die Reaktorwände und kann bei Aufnahme in den Körper Krebs verursachen. Tritium kommt außerdem als „Booster“ in Atomwaffen zum Einsatz.

Im Betrieb werden die Komponenten stark radioaktiv kontaminiert und müssen häufig ausgetauscht werden. Insgesamt entsteht möglicherweise ebenso viel strahlender Abfall wie in einem konventionellen AKW gleicher Leistung, allerdings mit deutlich kürzeren Halbwertszeiten.

Forschungsanlagen gibt es unter anderem in Greifswald und Garching bei München. ITER, der internationale Demonstrationsreaktor für die Kernfusion, sollte ursprünglich 2016 in Cadarache (Frankreich) in Betrieb gehen und 5 Milliarden Euro kosten. Inzwischen werden die Kosten für den Reaktor, der selbst im günstigsten Fall keine einzige Kilowattstunde Strom erzeugen würde, auf 20 bis 22 Milliarden Euro geschätzt. Das erste Plasma wird wohl nicht vor 2028 gezündet. Ein kommerzieller, Strom erzeugender Fusionsreaktor ist vor Ende des Jahrhunderts nicht denkbar. Die EU gibt dennoch Milliarden aus ihrem Forschungsbudget für die Kernfusion aus.

Foto: iter.org

ITER Fusionsreaktor