Jan 18 2008

Mit Thorium in die nukleare Zukunft

Die Energie aus Kernkraftwerken erfreut sich gerade wieder grösserer Beliebtheit, weil sie praktisch klimaneutral ist – doch die Probleme sind die gleichen geblieben: Abfälle und Unfälle. Ein fast schon vergessenes Reaktordesign, das auf der Verwendung von Thorium statt Uran basiert, könnte dies grundlegend ändern.

Der heute stillgelegte Fluessigsalzreaktor der USA

Der heute stillgelegte Fluessigsalzreaktor der USA

Kernenergie hat viele Vorteile: Sie generiert sehr viel Energie aus sehr geringen Brennstoffmengen. Bei der Stromerzeugung in Kernspaltungsreaktoren entstehen zudem praktisch keine Treibhausgase oder Russpartikel, die Kernenergie ist also klimaneutral und (diesbezüglich) umweltfreundlich. Die Stromerzeugung ist unabhängig von Wetter, Jahreszeiten oder Sonnenscheindauer. Doch natürlich gibt es auch Nachteile: Die Gefahr eines nuklearen Unfalls, bei dem grosse Mengen an Radioaktivität freigesetzt werden, ist zwar klein, aber nicht Null: im unwahrscheinlichen Fall eines solchen Unfalls würden ganze Landstriche unbewohnbar. Gerade für kleine Staaten wie die Schweiz, die nicht einfach die betroffene Bevölkerung in eine andere Ecke des Landes umsiedeln könnten (weil das ganze Land von der Katastrophe betroffen wäre), scheint das Risiko, und sei es noch so klein, untragbar hoch. Ein weiteres Problem sind die radioaktiven Abfälle, für deren sicheren Entsorgung noch kein Land weltweit eine definitive Lösung gefunden hat. Die Wiederaufbereitung von abgebrannten Brennstäben, die es erlaubt, einen Teil des unverbrannten Brennstoffs wieder zu verwenden, ist teuer, gefährlich und stösst immer mehr auf politischen Wiederstand. Problematisch ist auch der militärische Missbrauch der Nukleartechnologie: unter geringer Abwandlung der Technik, die nötig ist, um Uran für die Verbrennung in Kernkraftwerken aufzubereiten, lässt sich hochangereichertes Uran für den Bau eines Typs von Atombomben (Uranbomben) herstellen. Aus dem Abfallprodukt Plutonium lässt sich ein weiterer Typ Atombomben bauen (Plutoniumbomben), die noch einfacher zu bauen und zu handhaben sind als Uranbomben.

Das Bedürfnis nach neuen Grosskraftwerken

Brauchen wir in der Schweiz denn neue Kernkraftwerke? Der bedarf an Strom steigt jährlich, während das Angebot begrenzt ist. Gerade in der Schweiz, wo rund 40% des Stroms aus Kernkraftwerken und rund 60% aus Wasserkraftwerken stammt, lässt sich die Stromproduktion kaum mehr gross steigern. Alternative Energiequellen haben sicher eine grosse Zukunft (insbesondere die Solarenergie, die das Potential hat, dereinst alle anderen Energieträger abzuhängen – dazu ein anderes Mal mehr), doch können Sie, vermutlich selbst bei starker Förderung, kaum den zusätzlichen Verbrauch abdecken, von der zurückgehenden Produktion von Kernenergie (Abschaltung alter Reaktoren) und Wasserenergie (Klimawandel) gar nicht zu reden. Falls sich in den nächsten Jahren kein spektakulärer Durchbruch in Sachen Kernfusion ankündigt, ist der Bau neuer Kernkraftwerke fast unumgänglich (die Alternativen, Gaskombikraftwerke oder Strom aus dem Ausland sind beide nicht attraktiv). Dazu kommt, dass sich mit der Elektrifizierung des Privatverkehrs in den nächsten Jahrzehnten (Umstieg auf Hybridautos, die in der nächsten Generation auch direkt an der Steckdose „aufgetankt“ werden können) wird den Stromverbrauch förmlich explodieren deutlich ansteigen lassen.

Was, wenn wir nun einen neuen Typ von Kernspaltungsreaktor zur Hand hätten, die alle Vorteile der bisherigen Reaktoren besitzt (plus ein paar weitere), aber alle Nachteile nur in stark abgeschwächter Form aufweist? Wären wir bereit, die Entwicklung und Installation solcher Anlagen zu fördern, oder sind wir bereits zu sehr in der „Atom ist gefährlich“-Denkweise verfangen?

Thorium – die vergessene Alternative

Die Alternative heisst: Flüssigfluorid-Thorium-Reaktoren. Was zuerst arg chemisch und gefährlich klingt, ist in Wirklichkeit ein revolutionäres Reaktorkonzept, das ich im Folgenden etwas genauer vorstellen möchte. Thorium-Reaktoren verwenden als Brennstoff nicht Uran, sondern Thorium. Dieses Element ist in der Erdkruste rund drei Mal häufiger als Uran, so dass auch bei einem flächendeckenden, weltweiten Einsatz die Vorräte für Jahrhunderte gesichert wären. Zudem ist es in der natürlich vorkommenden Form praktisch nicht radioaktiv (im Gegensatz zum Uran, das in den natürlich vorkommenden Erzen wie Pechblende radioaktiv ist), die Halbwertszeit des einzigen, natürlich vorkommenden Isotops Thorium-232 beträgt über 14 Milliarden Jahre. Um dieses Isotop des Thoriums überhaupt erst spaltbar zu machen, muss es mit Neutronen beschossen werden – dann wandelt es sich in Thorium-233 um, das wiederum in wenigen Minuten zu Proactinium-233 zerfällt. Dieses muss nun von einem weiteren Neutroneneinfang geschützt werden, so dass es – in rund 27 Tagen – zu Uran-233 zerfallen kann.

Thorium-Nitrat

Thorium-Nitrat

Uran-233 wiederum ist ein hervorragender Kernreaktor-Brennstoff, mit dem sich eine Kettenreaktion aufrecht erhalten lässt: unter Neutronenaufnahme setzt Uran-233 weitere Neutronen frei, die weiteres Uran-233 zur Spaltung anregen – und nebenbei weiteres Thorium-232 zu Thorium-233 umwandeln, womit sich der Kreislauf schliesst. Die Spaltprodukte von Uran-233 sind wesentlich kurzlebiger: Der radioaktive Abfall würde bereits nach rund 300 Jahren nicht mehr gefährlich strahlen. Längerlebige radioaktive Nuklide werden nur in sehr geringen Mengen produziert. Zudem ist die totale Menge an radioaktiven Abfällen pro nutzbare Energie um etwa den Faktor 1000 kleiner. Dies liegt vor allem daran, weil rund 98% des Brennstoffs auch tatsächlich verbrannt wird, im Gegensatz zu Uran-Brennstoffen, wo die Brennstäbe nach rund 2-5% Verbrennung (je nach dem, ob Aufbereitet wird oder nicht) als Abfälle entsorgt werden müssen.

Eingebaute Sicherheit

Der spezielle Brennstoffkreislauf, insbesondere die Abtrennung des Proactiniums zum Schutz vor Neutronenstrahlung (diese Abtrennung ist notwendig, weil dem Reaktor sonst zu wenig Neutronen zur Verfügung stehen, um den Kreislauf aufrecht zu erhalten), erfordern ein spezielles Reaktor-Desgin. Dieses Design wird als „Flüssigfluorid“ (oder allgemeiner, „Flüssig-Salz“) Reaktor bezeichnet. Der Brennstoff wird der Reaktorkammer nicht in Form von festen Brennstäben zugeführt, sondern als Fluorid-Salz-Verbindung gelöst in einer anderen Fluorid-Lösung. Konkret würde im Fall des Thorium-Kreislaufs das Uran / Thorium mit jeweils vier Fluorid-Ionen verbunden und in einer Lithium-7-Fluorid / Berylliumfluorid Lösung transportiert. Fluoride sind äusserst stabile Verbindungen. Die Fluorid-Lösung fliesst durch den Reaktor, setzt das Thorium der Neutronenstrahlung aus und transportiert es danach, zum weiteren Zerfall zu Uran-233, wieder aus dem Reaktor heraus. Später wird das Uran-233 dem Reaktor wieder zugeführt, um nun gespalten zu werden und somit nutzbare Energie freizusetzen. Die Fluorid-Lösung befindet sich auf einer Temperatur von etwa 650°, bei Normaldruck. Im Unterschied zu herkömlichen Druckwasserreaktoren ist kein Überdruck erforderlich, was den Bau vereinfacht und verbilligt sowie mögliche Fehlerquellen eliminiert. Da der Brennstoff sich in einer Flüssigkeit befindet, müssen auch keine Brennstäbe gewechselt werden. Der Reaktor lässt sich jederzeit stoppen, in dem man den Zufluss der Flüssigkeit in den Reaktor verhindert. Ohne Uran-233-Brennstoff stirbt die Reaktion darauf sofort ab, was den Reaktor äusserst sicher macht. Zudem sinkt die Reaktivität des Brennstoffs mit zunehmender Temperatur: der Reaktor regelt sich also selbst, ein Explosion ist völlig ausgeschlossen.

Schoene Blaue Steinchen

Schoene Blaue Steinchen

Ein grosser Vorteil dieses Designs liegt darin, dass kein Uran-233 aus dem Kreislauf entfernt werden darf, da sonst der Reaktor zum Stillstand kommt. Uran-233 lässt sich zwar zumindest theoretisch für Atombomben verwenden – aber man kann nur eines der beiden haben, entweder Bombe oder funktionierender Reaktor. Zudem entsteht stets eine kleine Menge Uran-232, das starke Gammastrahlung aussendet, die sehr leicht zu identifizieren ist. Flüssigfluorid-Thorium-Reaktoren können also mit geringem Aufwand gegen den militärischen Missbrauch abgesichert werden. Da der Reaktor seinen eigenen Brennstoff erbrütet, braucht er auch keinerlei Anreicherungsanlagen (Zentrifugen), die sich für die Anreicherung von Uran missbrauchen lassen.

Thorium ist darüber hinaus ziemlich günstig. Um den ganzen Strom aus den Schweizer Kernkraftwerken durch Thorium-Reaktoren zu ersetzen, wären pro Jahr etwa drei Tonnen Thorium nötig. Bei einem Weltmarktpreis von 60 Dollar pro Kilogramm könnte damit mit rund 200000 Franken die Schweiz für ein Jahr versorgt werden. Uran ist im Gegensatz dazu rund fünf mal teurer (zudem braucht die Erzeugung der gleichen Menge Strom mehr Uran, wegen der geringeren Umwandlungseffizienz), Tendenz steigend.

Es ist sogar möglich, der Fluoridlösung bestehende radioaktive Abfälle heutiger Kernkraftwerke beizumischen. In diesem Fall werden diese zu kurzlebigeren radionukliden Zerschlagen: die Menge hochradioaktiven Abfalls liesse sich also verringern.

Fazit

Fassen wir also nochmals zusammen. Das Konzept des Flüssigfluorid-Thorium-Reaktors hat entscheidende Vorteile:

– Es ist sehr viel sicherer als herkömliche Designs, insbesondere sind herkömliche „GAU“s unmöglich

– Es entstehen rund 1000 Mal weniger radioaktive Abfälle, die zudem nach 300 Jahren ungefährlich sind

– Es besteht die Möglichkeit, bestehende radioaktive Abfälle mitzuverbrennen

– Es ist unmöglich, Uran oder Plutonium für den Bau von Atombomben abzuzweigen

– Thorium, der Ausgangsstoff für den Brennstoffkreislauf, ist sehr viel günstiger und weltweit häufiger als Uran

Warum werden denn nicht schon lange Flüssigfluorid-Thorium-Reaktoren gebaut? Zum einen hat sich die Entwicklung der Kernenergietechnik einseitig auf „Festkörper“-Kernreaktoren konzentriert. Die Erfahrung mit diesem Reaktortyp ist klein: in den USA, in Kanada und in Indien wurden bereits Reaktoren gebaut, die mit Thorium arbeiten, während Flüssigfluorid-Thorium-Reaktoren nur in den USA getestet wurden. Für die Ansprüche der Militärs jener Zeit, die eher einen schnellen Brüter im Sinn hatten, der grosse Mengen von Plutonium erzeugen konnte, genügte der Reaktor nicht den Ansprüchen, so dass die Finanzierung des Projekts in den 70er Jahren beendet wurde.

In den letzten Jahren aber hat das Interesse in Thorium als Brennstoff für Kernkraftwerke stark zugenommen, unter anderem auch wegen dem stark gestiegenen Uran-Preis. Länder wie Norwegen steigen heute in die Erforschung von Flüssigfluorid-Thorium-Reaktoren ein, Indien, das über gigantische Thorium-Vorräte verfügt, will ebenfalls diese Art von Reaktor voran treiben, nicht zuletzt, um von ausländischem Uran unabhängig zu werden.

Und wie sieht es mit der Schweiz aus?

Energy from Thorium – Blog mit Hintergrundinformationen zur Energieerzeugung aus Thorium

Wikipediaeintrag zum Flüssigfluoridreaktor

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