Blog zum gesunden Bauen und Wohnen

Der Kugelhaufenreaktor
Vor- und Nachteile niedriger Leistungsdichte
Brennelemente
Besondere Vorteile

Die Transmutation (siehe Neue Solidarität 14/2003) löst das Abschalt- und das Entsorgungsproblem, aber sie ist aufwendig und komplex. Unberührt läßt sie ein anderes „Problem“, das man „technisch weitgehend im Griff“ hat, bei dem aber ein größerer Schadensfall und ein Restrisiko nicht ganz auszuschließen ist: das „Nachwärmeproblem“ des üblichen Leichtwasserreaktors. Dieses Problem vermeidet der Hochtemperatur-Kugelhaufenreaktor (HTR), bei dem eine Ãœberhitzung ausgeschlossen ist.

Die Lösung liegt beim Ofenprinzip. Es wurde ein Reaktor entwickelt, dem ständig frische Brennelemente zugeführt und die mit Spaltprodukten angereicherten Elemente entzogen werden können. Dieser viel einfachere und inhärent (d.h. aufgrund physikalischer Gesetze) sichere Hochtemperatur-Kugelhaufenreaktor (HTR) wurde Ende der 50er Jahre von Professor R. Schulten entwickelt und von 1966 bis 1988 im Forschungszentrum Jülich nach allen Regeln der Kunst getestet.

In ihn werden die Brennelemente als feste Kugeln von oben auf eine Schüttung eingebracht. Sie sacken während des Betriebs durch die Schüttung zum trichterförmigen Reaktorboden hinunter und werden dort abgelassen. Die abgebrannten Brennelemente sind so stabil, daß sie nach einer längeren Abklingzeit ohne weitere Bearbeitung in Fässer abgelegt und direkt ins Endlager gebracht werden können. Über das voneinander unabhängige Zuführen bzw. Ablassen der Brennelemente lassen sich die Spaltvorgänge im Reaktor allein schon weitgehend steuern.

Der Kugelhaufenreaktor

Ein besonderer Sicherheitsvorteil des HTR besteht darin, daß nur soviel Spaltmaterial im Reaktor enthalten ist, wie gebraucht wird, um die gewünschte Menge an Kernspaltungen pro Zeiteinheit aufrechtzuerhalten. Im Reaktor gibt es demnach keine „Ãœberkritikalität“, der durch Einsatz von Neutronengiften entgegengesteuert werden müßte. Daher läßt sich die Steuerung des Reaktors sehr vereinfachen, eine konstante Reaktivität wird unschwer eingehalten und damit ein entsprechend gleich bleibendes Leistungsniveau. Da die entstandenen Spaltprodukte mit den abgebrannten Brennelementen ständig aus dem Reaktor entnommen werden, sammeln sie sich nicht im Reaktor an, so daß die beim Abschalten des Reaktors entstehende Nachwärme immer die gleiche – und zwar eine relativ geringe – ist.

Auch für diesen Reaktor gilt der sogenannte negative Temperaturkoeffizient, auf den wir im Zusammenhang mit dem Leichtwasserreaktor schon aufmerksam gemacht hatten. Nimmt die Reaktorleistung zu, weil zum Beispiel mehr Brennelemente zugeschüttet als abgelassen wurden, dann steigt im Reaktor naturgemäß die Temperatur. Bei steigender Temperatur werden die Neutronen schneller und verlieren ihre Fähigkeit, Spaltprozesse auszulösen. Dementsprechend nehmen die Kernspaltungen ab. Wenn wegen der relativ geringeren Nachwärme die Temperatur wieder sinkt, nehmen die Spaltvorgänge wieder zu.

Wird der Reaktor mit Wasserdampf (vorgesehen war ursprünglich Heliumgas), der durch den Kugelhaufen strömt, „gekühlt“, wird dieser Effekt noch ausgeprägter. Wasser ist nämlich neben dem hier eingesetzten Graphit ein Moderator, d.h. er hilft mit, die Neutronengeschwindigkeit auf die für Kernspaltungen erforderliche Geschwindigkeit abzubremsen. Heißerer Dampf ist weniger dicht und bremst daher die Neutronen weniger ab. Auf diese Weise läßt sich der Reaktor so auslegen, daß er sich nahezu selbst regelt und ein großer Teil der aufwendigen Regeltechnik überflüssig wird.

Wenn trotz vollem Reaktorbetrieb sämtliche Kühlsysteme vollständig abgeschaltet werden, bleibt die Temperatur in der heißesten Zone des Reaktorkerns unter der kritischen Temperatur von 1600C. Der Grund dafür ist, daß die Zerfallswärme von der Bausubstanz des Reaktors aufgenommen und durch Wärmeleitung, Wärmestrahlung und natürliche Luftzirkulation nach außen abgegeben werden kann. Die Temperatur erhöht sich an der heißesten Stelle zwischen den Brennelementen nur um 10°C. Die Temperatur des Kesselsystems bleibt bei diesem Unfall unter 500°C. Es baut sich dabei, im Falle der Heliumkühlung, kein zusätzlicher Gasdruck auf.

Tatsächlich wurden am Versuchsreaktor in Jülich 1988 mehrere Verrsuche durchgeführt, bei denen das Kühlsystem während des Vollbetriebs ganz abgeschaltet wurde. Die innere Selbstregelung des Reaktors verlief so, wie es theoretisch berechnet worden war. Reaktorbehälter und Inventar nahmen unter dieser Belastung keinen Schaden, auch kam es nicht zur Freisetzung von Spaltprodukten aus den Brennelementen. Der Reaktor konnte nach dem Versuch problemlos weiterbetrieben werden.

Vor- und Nachteile niedriger Leistungsdichte

Diese Sicherheit hat einen Preis: Sie wurde durch die relativ niedrige Leistungsdichte im HTR erkauft. Im Unterschied zum Leichtwasserreaktor mit einer Leistungsdichte von 90 MWth/m3 werden im HTR nur 3 MWth/m3 erreicht. Pro Rauminhalt muß also wesentlich weniger Wärme abgeführt werden, was wiederum die Voraussetzung dafür ist, daß Gas (Helium oder Wasserdampf) als Kühlmittel ausreicht. Andererseits fallen dadurch Reaktorkessel und das dazugehörige Gebäude im Verhältnis zur Nutzleistung recht groß aus.

Die Gaskühlung bedeutet allerdings auch einen Vorteil. Die Kühlgase – das extrem stabile Edelgas Helium, aber auch der Wasserdampf – nehmen aus einem Grund, den wir weiter unten erläutern, keine Radioaktivität und keine radioaktiven Teilchen auf. Sie können daher unmittelbar genutzt werden und brauchen nicht in aufwendigen Wärmetauschern ihre Nutzenergie an einen Sekundär- oder gar Tertiärkreislauf weiterzugeben.

Die Kühlgase können bei einem Druck von 60 bar unmittelbar über eine Gasturbine elektrische Energie erzeugen oder bei einer geplanten Austrittstemperatur von bis zu 950C im Falle von Helium und 650C im Falle von Wasserdampf Prozeßwärme für industrielle Anwendungen zur Verfügung stellen. Dadurch, daß aufwendige und energieverlustreiche Wärmetauschprozesse vermieden werden können, läßt sich bei diesem Hochtemperaturreaktor eine für Kernkrkraftwerke sehr hohe Leistungsausbeute von 48% erzielen.

Die geringe Leistungsdichte und daher relative Größe des Reaktors und der dazugehörigen Gebäude verteuern den Reaktor. Dem stehen aber die verbilligenden Gewinne entgegen. Der Wegfall von Wärmetauschern, die Vereinfachung der Regelung, mögliche Einsparungen an mehrfach vorhandenen Sicherheitssystemen (Redundanz) senken die Investitionskosten für diesen Reaktor erheblich.

Ein weiterer günstiger Kostenfaktor liegt auch in dem Reaktorgefäß, das infolge der geringeren Leistungsdichte auch wesentlich einfacher gehalten werden kann. Statt einem Reaktordruckgefäß aus Edelstahl wie beim Leichtwasserreaktor reicht in diesem Fall auch ein gröberer Spannbetonbehälter, der innen mit hitzebeständigem Graphit ausgekleidet wird.

Allerdings liegt die optimale Betriebsgröße des Kugelhaufenreaktors bei etwas über 100 MWe. Dem gegenüber sind moderne Leichtwasserreaktoren auf 1300 MWe ausgelegt. Die relativ kleine Betriebsgröße macht den Reaktor für die Stromversorgungsunternehmen in dichtbesiedelten Industriegebieten uninteressant. Interessant wird er aber wegen seines Angebots von Prozeßwärme für industrielle Anwendungen und zum Einsatz in entlegenderen Gebieten ohne Verbundnetz und relativ geringem Energiebedarf in der Grundlast. Das macht den Reaktor, vor allem auch wegen seiner sicheren Handhabung, vor allem für einzelne Unternehmen und für Entwicklungsländer interessant.

Brennelemente

Die entscheidenden Vorzüge des Reaktors werden durch seine besonderen Brennelemente möglich. Es handelt sich um harte Kugeln mit einem Durchmesser von 6 cm. Diese Kugeln bestehen weitgehend aus dem Moderatormaterial Kohlenstoff. In ihn werden die eigentlichen Brennstoffpartikel eingearbeitet. Das sind wiederum kleine Kugeln mit einem Durchmesser von etwa 1 mm. Sie enthalten das spaltbare Material in Form von Uran- oder Thoriumoxid. Dieses wird von einer dünnen Schicht Kohlenstoff umgegeben.

Diese wiederum sind, und das ist das Geheimnis dieser Brennelemente, von einer Schicht Siliziumkarbid (SiC) eingehüllt. Zum Schluß wird die Brennstoffkugel insgesamt von mehreren voneinander unabhängigen, jeweils 100 m dicken SiC-Schichten umgeben. Sie stabilisieren die Brennstoffkugel so, daß sie nicht nur möglichen Quetschungen im Schütthaufen des Reaktors, oder dem Aufprall sehr schnell in den Reaktorraum hineingeschossener Abschaltstäbe standhält, sondern auch allen Versuchen, ihnen wieder Brennstoffpartikeln entnehmen zu wollen.

Entscheidend ist hierbei das SiC. Die Verbindung der beiden eng verwandten Elemente Kohlenstoff und Silizium ist chemisch extrem fest. Das macht SiC sehr hitzebeständig und außerordentlich widerstandsfähig gegen jede Form von Korrosion oder mechanischem Abrieb. Siliziumkarbid wird bereits weegen seiner Härte als Schleifmittel und auf Werkzeugen zur Bearbeitung von Hartstählen und Hartmetall, Glas etc. verwendet. Das Entweichen flüchtiger Spaltprodukte, wie es beim Leichtwasserreaktor vorkommt, ist ausgeschlossen.

Man hat SiC auch an vielen Stellen der Erde im Erdreich gefunden. Dort war es Hunderte von Millionen Jahren allen denkbaren chemischen Einflüssen ausgesetzt, ohne sich zu verändern. Es veränderte sich auch nicht, als man es bei Laborversuchen längere Zeit mit extrem harten Neutronen bestrahlte. Die in Siliziumkarbid eingeschlossenen Spaltprodukte, aber auch die nuklearen Brennstoffe, können aus dieser Hülle nicht mehr entweichen. Eine Wiederaufbereitung dieser Brennstoffe ist daher ebenfalls kaum möglich, die in ihnen noch enthaltenen Restbrennstoffe oder wertvolle Spaltprodukte können also nicht zurückgewonnen werden.

Andererseits sind die Kugeln bereits für das Endlager fertig „konditioniert“: Sie können nach einer gewissen Abklingzeit – vorgesehen sind 100 Jahre – so wie sie sind, ins nukleare Endlager verbracht werden. Es ist unmöglich, daß aus ihnen radioaktive Stoffe heraus und ins Grundwasser gelangen könnten, außerdem wäre dann ihre Eigenstrahlung relativ gering und nicht mehr gefährlich. Auch die direkte Endlagerfähigkeit birgt einen großen wirtschaftlichen Vorteil – jedenfalls, solange genügend nukleare Brennstoffe zur Verfügung stehen und der Preis für sie relativ gering ist.

Besondere Vorteile

Der besondere Vorteil des HTR liegt darin, daß das Kühlmittel den Reaktor mit einer sehr hohen Temperatur verläßt, die vielfältige Anwendungsmöglichkeiten eröffnet. So ist im Falle der Stromerzeugung die Restwärme nach der Gasturbine so hoch (120°C bis 250°C), daß in diesem Fall die Kraftwärmekopplung nicht auf Kosten der Stromerzeugung ins Gewicht fällt.

Die Erzeugung von überhitztem Wasserdampf im HTR findet zahlreiche Einsatzmöglichkeiten in der Industrie, wenn man bedenkt, daß in der deutschen Industrie noch in den 90er Jahren jährlich Dampf mit einem Energiegehalt von 30000 bis 40000 MW/a eingesetzt wurde. Dieser wurde durch Verbrennung von Kohlenwasserstoffen erzeugt. Der HTR kann neben der üblichen Stromerzeugung daher auch industrielle Großfeuerungsanlagen ersetzen.

Ein Anwendungsbereich, für den der HTR ursprünglich eigentlich entwickelt worden ist, war die hydrierende Kohlevergasung. Bei der vom HTR gelieferten hohen Temperatur reagieren Kohle und Wasserdampf in einem Wirbelbett miteinander. Dabei entsteht ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, das in einem nachgeschalteten Prozeß in Methan umgewandelt werden kann. Interessanter und inzwischen sehr aktuell ist die Methanisierung von Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) zu Methan oder höherwertigen Kohlenwasserstoffketten. Auf diese Weise ließen sich die Verbrennungsgase der Kohlenwasserstoffe (CO2 und H2O) im Kreis führen (recyclen) und unter Einsatz der Kernenergie des HTR wieder in Kohlenwasserstoffe zurückverwandeln. Es ist erstaunlich, daß die gleichen Leute, die uns mit einer angeblichen Klimakatastrophe erschrecken wollen, die Voraussetzung für ein Recycling des CO2 in Deutschland verhindert haben.

Der überhitzte Dampf aus dem HTR hat noch weitere Nutzungsmöglichkeiten, die der Verknappung der Ölreserven entgegenwirken könnte. Mit Hilfe dieser Reaktorwärme würde es nämlich wirtschaftlich möglich, die Ölreserven in den riesigen Teersand- oder Ölschieferlagergebieten abzubauen, die vor allem in Kanada und China, aber auch in anderen Weltgegenden, vorkommen.

Der erste funktionstüchtige 300-MWe-Kugelhaufen-HTR wurde daher in Hamm-Uentrop im Ruhrgebiet gebaut und nach zwei Betriebsjahren, in denen er über eine Milliarde kWh erzeugte, stillgelegt. Nach zahlreichen mehr oder weniger willkürlichen Verschärfungen der ursprünglichen Auflagen, verabredeten fünf Ministerpräsidenten der SPD, darunter auch Johannes Rau, den Ausstieg aus der Kernenergie. Die erste gemeinsame Tat war der Widerruf der Betriebsgenehmigung für den HTR-300, als die Industrie nicht mehr bereit war, die ständig zusätzlich erhobenen finanziellen Belastungen alleine zu tragen.

Das in Deutschland angesammelte Wissen wurde – wie im Falle anderer Technologien vom Fax bis zum Transrapid – vom Ausland verwertet, in diesem Falle von China und Südafrika. China verfügt über große Teersandgebiete, Südafrika über große Lager an Kohle, die mit Hilfe des HTR veredelt werden kann.

China betreibt seit März 2001 einen 10-MW-Versuchsreaktor nach dem Kugelhaufenprinzip und will ähnlich wie Südafrika schließlich einen 100-MW-Reaktor in Modulbauweise auf den Markt bringen. In Südafrika haben die Bauarbeiten für ein solches Modul bereits begonnen. Im Jahr 2004 soll der erste Prototyp fertiggestellt werden und ab 2007 die Lieferung der in Serie gebauten Reaktoren beginnen. An dem Projekt beteiligen sich neben dem südafrikanischen Versorgungsunternehmen Eskom die Firmen British Nuclear Fuels und die US-Firma Exelon, die 40 bis 50 dieser Reaktoren in Nordamerika einsetzen will. Die Regierung in Pretoria hat dem Projekt, nach dem mehrere unabhängige Studien jeden Zweifel an der Machbarkeit beseitigen konnten und dem Reaktor bescheinigt haben, daß er katastrophensicher ist, inzwischen die Zustimmung erteilt.

Teil1 Ehrlich streiten über Kernenergie
Teil2 Quellen der Energie
Teil3 Was geschieht eigentlich im Kernreaktor?
Teil4 Warum der „GAU“ beherrschbar ist
Teil5 Wann ist Radioaktivität gefährlich?
Teil6 Das sogenannte Abfall-Problem
Teil7 Transmutation
Teil8 Der Öko-Reaktor
Teil9 Ist der Ausstieg aus der Kernenergie moralisch vertretbar?

Name: Dr. Helmut Böttiger
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