Aus Atommüll wird Strom: Dürfen die das?

Kraftwerk Beloyarsk; Bild Wikipedia

Von Dominic Wipplinger und Rainer Klute.

Seit dem 31. Oktober 2016 und damit gut einem Monat läuft Block 4 des russischen Kernkraftwerks Beloyarsk )im kommerziellen Leistungsbetrieb. Es handelt sich um einen sogenannten Schnellen Reaktor vom Typ BN-800 mit einigen Eigenschaften, die ihn vom Gros der sonst üblichen Leichtwasserreaktoren abheben. Für das amerikanische Kraftwerkstechnikfachmagazins POWER Magazine waren diese Besonderheiten jüngst Grund genug, der noch jungen Anlage die Auszeichnung Top Plantzu verleihen.


Ein wesentlicher Punkt, der zu dieser Entscheidung führte, ist die Fähigkeit des BN-800, nicht nur Uran, sondern auch Plutonium und die übrigen Transurane als Brennstoff zu nutzen. Diese hochradioaktiven und langlebigen Stoffe fallen beim Betrieb üblicher Kernreaktoren als Atommüll an und lassen sich dort nicht weiter verwerten. Allerdings enthalten diese Abfälle noch 96 Prozent der ursprünglich im Kernbrennstoff steckenden Energie, also fast alles. Schnelle Reaktoren wie der BN-800 sind in der Lage, diese Energie freizusetzen und Strom daraus zu gewinnen. Die bessere Brennstoffausnutzung führt zu viel weniger Reststoffen, die außerdem erheblich geringere Halbwertszeiten aufweisen und somit viel schneller abklingen.

Russland will die Abfälle herkömmlicher Leichtwasserreaktoren reyclen und das Atommüllproblem innerhalb der nächsten Jahrzehnte mit Hilfe Schneller Reaktoren lösen. Fachleute nennen das Atommüll-Recycling auch das »Schließen des Brennstoffkreislaufs«. Der BN-800 ist für Russland ein wichtiger Meilenstein auf diesem Weg. Er zeigt, dass das Verfahren funktioniert – und zwar nicht nur im Labor oder mit einem Forschungsreaktor, sondern in einer industriellen Großanlage im kommerziellen Leistungsbetrieb mit einer planbaren und zuverlässigen Einspeisung von 800 Megawatt in das Stromnetz der Oblast Swerdlowsk.

Von Beloyarsk 4 versprechen sich die russischen Reaktorbauer wichtige Betriebserfahrungen für den Nachfolger des BN-800: Der BN-1200 soll eine um 50 Prozent höhere Leistung bringen, zugleich aber einfacher und preiswerter als der BN-800 sein und weiter gesteigerte Sicherheit bieten. Der erste der BN-1200-Reaktoren soll ebenfalls am Standort Beloyarsk entstehen; eine Entscheidung darüber wird 2019 erwartet und hängt von den Ergebnissen des BN-800 ab.

Deutschland steigt aus, andere halten sich alle Optionen offen

Der Reaktorkern des BN-800 wird nicht mit Wasser gekühlt, sondern mit flüssigem Natrium. Anders als in gewöhnlichen Kernkraftwerken gibt es keinen Moderator, der die bei der Kernspaltung freiwerdenden Neutronen abbremst. Der BN-800 arbeitet mit schnellen, energiereichen Neutronen – daher die Bezeichnung »Schneller« Reaktor. Zwar sind weltweit eine ganze Reihe Schneller Reaktoren in Betrieb, doch ist Beloyarsk 4 nach Stilllegung des französischen Superphénix 1997 der leistungsstärkste und zusammen mit seinem Vorläufer BN-600 der einzige kommerziell betriebene Kernkraftwerksblock mit einem derartigen Reaktor. Der BN-600 steht als Block 3 ebenfalls im Kernkraftwerk Beloyarsk und ist bereits seit 1980 in Betrieb.

Der BN-800 nutzt im Gegensatz zu den meisten gewöhnlichen Kernkraftwerken kein angereichertes Uran als Brennstoff, sondern Plutonium-Uran Mischoxid (MOX). In seiner gegenwärtigen Kernkonfiguration kommen Plutonium aus ehemaligen sowjetischen Kernwaffen sowie abgereichertes Uran zum Einsatz, das als Abfallprodukt bei Anreicherung und Wiederaufarbeitung anfällt. Damit soll der BN-800 den russisch-amerikanischen Abrüstungsvertrag (START) erfüllen, der auf beiden Seiten die Vernichtung von 34 Tonnen waffenfähigen Plutoniums vorsieht. Allerdings setzte Russland Anfang Oktober 2016 den START-Vertrag einseitig aus. Präsident Putin warf den USA vor, ihren Verpflichtungen nicht nachzukommen, da das Land die Herstellung von Plutonium-Uran Brennstoff aufgegeben habe.

Wie es mit der Vernichtung des Waffenplutoniums in Russland weitergeht, ist noch unklar. Sie sollte sich eigentlich über die nächsten Jahre erstrecken. Jedenfalls kann der BN-800 wie erwähnt auch Plutonium aus den gebrauchten Brennelementen gewöhnlicher Kernkraftwerke als Brennstoff nutzen.

Es bleibt kein Plutonium übrig, das endgelagert werden müsste

Als Schneller Reaktor kann der BN-800 Plutonium effektiver verwerten als ein gewöhnliches Kernkraftwerk mit thermischem Leichtwasserreaktor, in welchem die bei der Kernspaltung entstehenden Neutronen durch das auch als Moderator dienende Kühlwasser abgebremst werden. Beim Einsatz von Plutonium als Brennstoff in einem thermischen Reaktor wird nur ein Teil der Plutonium-239-Kerne gespalten. Ein anderer Teil wandelt sich durch Neutroneneinfang in Isotope wie beispielsweise Plutonium-240 oder Plutonium-242 um. Da Isotope mit gerader Massenzahl im thermischen Neutronenspektrum schlecht spaltbar sind, nimmt ihr Anteil immer weiter zu, bis sich das Plutonium nicht mehr für den Einsatz in thermischen Reaktoren eignet.

Schnelle Neutronen hingegen neigen eher als thermische Neutronen dazu, Plutoniumkerne zu spalten, statt von ihnen absorbiert zu werden. Vor allem aber können sie auch die im thermischen Spektrum schlecht spaltbaren Isotope zerlegen. In einem Brennstoffkreislauf mit thermischen und Schnellen Reaktoren lässt sich das Plutonium daher vollständig verwerten. Die Plutoniumqualität verschlechtert sich im Schnellen Reaktor nicht weiter, sondern verbessert sich sogar. Im Idealfall kann man auf diese Weise das gesamte anfallende Plutonium verwerten, sodass am Ende kein Plutonium übrigbleibt, das endgelagert werden müsste.

Der BN-800 kann aber nicht nur vorhandenes Plutonium als Brennstoff nutzen, sondern auch neues Plutonium aus Uran-238 erbrüten. Natururan besteht fast vollständig aus Uran-238, genauer: zu 99,3 Prozent. Es ist ein Uran-Isotop, das von thermischen Neutronen nicht gespalten werden kann und daher in herkömmlichen Reaktoren fast nutzlos ist. Durch Neutroneneinfang wandelt sich ein Uran-238-Atom jedoch in ein gut spaltbares Plutonium-239-Atom um; man spricht von »Brüten«. Dieser Prozess ist an sich nichts Außergewöhnliches, findet in jedem normalen Kernreaktor statt und trägt durch die Spaltung der Plutonium-239-Kerne auch dort mit einem gewissen Anteil zur Gesamtleistung bei.

Die Kraftquelle wird besonders effizient in Strom umgewandelt

Gegenwärtig ist der Kern des BN-800 für die Vernichtung des Waffenplutonium ausgelegt; er arbeitet als »Schneller Brenner«. In einer anderen Kernkonfiguration kann er aber auch mehr Plutonium erbrüten als er verbraucht (»Schneller Brüter«). Dadurch lässt sich letztlich das gesamte Uran-238 als Brennstoff nutzen, sodass aus einer gegebenen Menge Natururan über 100 mal mehr Energie als in konventionellen Kernkraftwerken gewonnen werden kann. Abgebrannter Brennstoff wird fast vollständig wiederverwertet, sodass als Abfall nur die mit überschaubaren Halbwertszeiten von weniger als 100 Jahren radioaktiven Spaltprodukte sowie geringe Mengen an Transuranen zurückbleiben. Hier dürften in Russland künftig auch bleigekühlte Schnelle Reaktoren wie der BREST-300 eine Rolle spielen.

Auch sonst bietet der BN-800 einige technische Besonderheiten und Vorteile gegenüber gewöhnlichen Kernkraftwerken. Durch die Verwendung von flüssigem Natrium als Kühlmittel erreicht er Dampftemperaturen von 490 °C. Zum Vergleich: Konventionelle Kernkraftwerke kommen auf Dampftemperaturen um 280 °C. Die höhere Temperatur ermöglicht eine kompaktere und effizientere Heißdampfturbine. Die thermodynamische Nettoeffizienz des Kraftwerks liegt bei fast 40 Prozent, während sie bei gewöhnlichen KKW oft nur rund 30 Prozent beträgt. Trotz der hohen Temperatur wird der Primärkreis des Reaktors nicht unter erhöhtem Druck betrieben, da Natrium auch bei Normaldruck erst bei etwa 900 °C siedet. Der Primärkreis des BN-800 ist mit primären Umwälzpumpen und Wärmetauschern vollständig in einem natriumgekühlten Reaktorkessel untergebracht, der sich wiederum in einem Sicherheitsbehälter befindet. Ein Kühlmittelverluststörfall im Primärkreis ist dadurch einfach zu beherrschen und gleichzeitig sehr unwahrscheinlich.

Da Natrium und Wasser chemisch unter starker Wärmefreisetzung heftig miteinander reagieren, wird, wie bei natriumgekühlten Reaktoren üblich, zwischen dem Primärkreislauf und dem Wasser-/Dampfkreislauf ein weiterer, nicht radioaktiver Natriumkreislauf eingesetzt. Dies verhindert, dass bei einer Dampferzeugerleckage radioaktives Natrium freigesetzt wird.

Mit dem BN-800 im kommerziellen Leistungsbetrieb stellt Russland seine Technologieführerschaft bei Schnellen Reaktoren unter Beweis. Dennoch arbeiten auch in anderen Teilen der Welt Staaten und Unternehmen an fortschrittlichen Reaktorkonzepten, die den hochaktiven, langlebigen Atommüll beseitigen und zugleich die Reichweite des Brennstoffs Uran um Jahrtausende verlängern, von Thorium als alternativem Kernbrennstoff ganz zu schweigen.

Speziell natriumgekühlte Schnelle Reaktoren sind in China und Indien von strategischer Bedeutung. Indien wartet auf den Abschluss des Genehmigungsverfahren zur Inbetriebnahme des Prototype Fast Breeder Reactors (PFBR) im Kernkraftwerk Kalpakkam. Ein Prototyp zwar, aber mit einer elektrischen Leistung von immerhin 500 Megawatt. Frankreich arbeitet am 600-MW-Demonstrationsreaktor ASTRID (Advanced Sodium Technological Reactor for Industrial Demonstration); eine Entscheidung über den Bau der Anlage soll 2019 fallen. Japan hat sich ASTRID wegen Problemen mit dem eigenen Schnellen Brüter Monju angeschlossen. Technisch besonders interessant ist der PRISM (Power Reactor Innovative Small Module) von GE Hitachi Nuclear Energy, da er metallische Brennelemente verwendet, die sich in einem besonders einfachen und kostengünstigen Verfahren, dem Pyroprozess, aufbereiten und per Stangengießverfahren herstellen lassen. Der Reaktor selbst ist fertig entwickelt und wartet auf einen ersten Kunden, möglicherweise Großbritannien, wo über 100 Tonnen Waffenplutonium zu entsorgen sind.

Schnelle Reaktoren sind die Zukunft der Kernenergie.

Mehr zum BN-800:

Schneller Reaktor BN-800 wird erstmals angefahren

Mit »BN-800« markierte Artikel in der Zotero-Bibliothek der Nuklearia

Mehr zum Atommüll:

Themenseite »Wohin mit dem Atommüll?«

Dominic Wipplinger studiert Elektrotechnik ist in der Österreichischen Kerntechnischen Gesellschaft und in der Nuklearia aktiv. Er hat bereits in etlichen Kernkraftwerken als Messtechniker gearbeitet.

Rainer Klute ist Diplom-Informatiker, Nebenfach-Physiker und Vorsitzender des Nuklearia e. V. Seine Berufung zur Kernenergie erfuhr er 2011, als durch Erdbeben und Tsunami in Japan und das nachfolgende Reaktorunglück im Kernkraftwerk Fukushima-Daiichi auch einer seiner Söhne betroffen war.

Übernommen von ACHGUT hier

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12 Kommentar(e)

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1

Eine hundertfach bessere Ausnutzung des Energieinhalts des Urans  und die Beherrschung der Atommüllentsorgung scheint mir einen  neuen Qualitätssprung in der Entwicklung der Kernenergie und der künftigen weltweiten Energieversorgung darzustellen.  Und das funktioniert schon in der Praxis (theoretisch schon länger bekannt), wahrlich auszeichnungswürdig.

Die deutsche Außenseiterrolle wird immer klarer erkennbar und peinlicher. Gibt es noch ein Land, in dem wissenschaftlich zu betrachtende Grundsatzfragen von sogenannten Ethikkommissionen , und nicht von Fachleuten entschieden werden? Naturgesetze lassen sich nun mal auch vom besten Juristen nicht übertölpeln. Aber 99% der Weltbevölkerung sind keine Deutschen, darunter wird es wohl genügend Leute geben, die wissen , was die  Menschheit zum gesicherten Überleben benötigt.

Übrigens, die chinesischen Spitzenpolitiker sollen alle Absolventen der TECHNISCHEN Universität Peking sein ?

Liege ich richtig, wenn ich glaube, dass das Ziel, die Fusionsenergie im großen Umfang auf die Erde zu holen , damit immer realitätsferner wird und die Weiterführung hinterfragt werden sollte?

 

 

 

 

2

http://bit.ly/2i1IvAD

Angst machen wirkt

Der vorzeitige Todesfall als Herrschaftsinstrument unserer Zeit

....

Der Artikel passt perfekt zur Deutschen Energiepolitik.

3

Deutschland war mal einer der Technologieführer in diesem Sektor. Das Gesamtkonzept bestand aus den konventionellen Kernkraftwerken, dem schnellen Brüter in Kalkar, der Plutoniumfabrik in Hanau, der Wiederaufarbeitungsanlage in Wackersdorf und einem “Endlager“ in Gorleben. Alle Komponenten einer modernen (CO2 freien) Energiewirtschaft waren schon damals vorgesehen. Und alles wurde von den Grünen (im Auftrag der DDR) verhindert. Heute wollen wir eine Energieversorgung installieren, die auf der Energieernte von Wind- und Sonnenstrom basiert. Beides ist ohne Backup-Kraftwerke oder Energiespeicher völlig sinnlos und mit, völlig unbezahlbar. Wir sitzen in einem Loch und Die Linke fordert die Energiewende maximal zu beschleunigen. Ein Schelm, wer Böses dabei denkt.

4

PS: Apropos Technologieführerschaft, heute ist Deutschland Weltmarktführer im installieren von sinnlosen chinesischen Billig-Solarpanels. Und Claudia Kemfert mit ihrem Wirtschaftsstudium ist unsere führende Energieexpertin, zumindest im öffentlich-rechtlichen Rundfunk. Aber vielleicht hängt das auch irgendwie zusammen.

5

Es ist keine Frage des "Dürfen" sondern des "Machen" bzw. Machbaren.

Und es ist machbar! Und es ist nicht nur machbar sondern auch wirtschaftlich sinnvoll.

Mal schauen, was die neue Energiezukunft der USA unter Trump noch so alles hervorbringt.

Habe ja vernommen, dass Bill Gates beim Treffen von Trump dabei war und danach sehr begeistert von diesen Treffen gesprochen hat. Nach dem Bill Gates auch seit einigen Jahren in das Kernkraftgeschäft eingestiegen ist und 2015 die Chinesen mit in sein Kernkraftprojekt geholt hat, kann ich mir gut vorstellen, dass Trump hier Bill Gates signalisiert hat, dass er sein Kernkraftprogramm unterstützen/fördern will.

Auch Russland wird mit seiner Energie-Kernkraftstrategie den Einfluss auf die US-Trump Energiepolitik mit gestalten. Oel, Gas und Kohle stehen für Trump im Mittelpunkt. Aber auch die Kernkraft wird Trump nicht aus den Augen lassen und evtl. auch mehr in den Vordergrund seiner Energiepolitik stellen.

Da kommen die Entwicklung und die Forschung der Russen in diesen Bereich der Trump Energiestrategie sehr entgegen. Trump wird sich genau anschauen, wie wirtschaftlich und technisch robust dieser BN-800 oder andere Russischen Kernkraftentwicklungen arbeiten werden.

Werden auf jeden Fall spannenden Zeiten entgegen gehen. Und Deutschland....wird immer mehr abgehängt durch eine Grün-Sozialistische Anti-Kernkraft, Anti-Kohlekraft, Anti-Oel, Anti-Erdgas und Anti-CO2 Politik.

Mangel und Armut für Deutschland und Wohlstand und Fortschritt für den Rest der Welt. Dank einer Grün-Sozialistischen Anti-Deutschen-Volkswirtschaft/Gesellschaft Politik unter der Führung einer Merkel.

 

 

6
Dietmar Fuerste

Sehr interessanter und informativer Artikel, den die bisherigen Kommentare sehr gut ergänzen!

Da Russland bis heute als das Böse schlechthin diffamiert wird, ist eine Wende zu mehr Sachlichkeit und praktischer Vernunft vom jetzigen Politiker-Konglomerat, (das gerade im Anti-Terrorkampf mit höchster Drehzahl rotiert),  nicht zu erwarten.

Trotzdem - die Hoffnung stirbt zuletzt: Vermögen die Wahlen in den USA und hierzulande vielleicht doch eine Alternative zu den alten, verkrusteten Strukturen zu erzeugen? Das wünsche ich jedenfalls dem EIKE-Team, den Lesern und mir selbst für 2017!

 

7

Wie Deutschland in Sachen Atomangst tickt, kann man an der Schmierenkomödie um das Belgische KKW Tihange sehen.  In der Lokalzeit Aachen konnte man einen Beitrag sehen wo das gesamte Parteienspektrum sich nach Brüssel aufmachte um eine weitere Klage gegen den Betreiber einzureichen. Im Bus saßen Politiker von CDU, SPD, FDP und GRÜNE, also die gesamte Ökokirche war auf Achse! Grundlage der Klage ist ein „wissenschaftliches Gutachten“ aus der Feder von Univ. Prof. Wolfgang Renneberg - Institut für Sicherheits- und Risikowissenschaften an der Universität für Bodenkultur in Wien. Wer sich in dem Bereich auskennt weiß um wen es sich dabei handelt. Kommentar überflüssig. Zu dem Gutachten hatte ich das Institut um Auskunft zu einigen Punkten gebeten, besonders wie die 119 PBq Cs-137 als Freisetzungsrate begründet wird. Ich habe bis heute keine Antwort dazu erhalten.

Zur „wissenschaftlichen Arbeit“ selbst habe ich folgende Kommentare in der lokalen Presse gepostet:

Analyse der PP Mögliche radiologische Auswirkungen eines Versagens des Reaktordruckbehälters des KKW Tihange 2.

Ø  Folie 2: Die Studie enthält keine Aussage darüber, wie wahrscheinlich ein         Versagen des Reaktordruckbehälters von Tihange 2 ist.

Kommentar: es handelt sich also um eine rein hypothetische Risikobetrachtung. Genauso gut könnte man über die möglichen Auswirkungen eines Meteoriteneinschlags räsonieren. Eine Risikofolgenbetrachtung ohne Einbeziehung der Eintrittswahrscheinlichkeit ist nichtssagend, in dem Fall reine Panikmache.

Ø  Folie 7: Zugelassene Grenzbelastung für einen kerntechnischen Störfall in Deutschland: 50 Millisievert (mSv) Lebenszeitdosis

Kommentar: Ein völlig irrealer Grenzwert. In Rom, neben dem Kolosseum z.B., beträgt die Lebenszeitdosis eines 70 – jährigen 165 mSv (0,27 µSv/h); also das 3-fache dieses Grenzwertes.

Ø  Folie 10: Mit welcher Wahrscheinlichkeit würde in der Region der für den        Normalbetrieb von Anlagen von Anlagen geltende Wert von 1mSv     mehr als dreifach überschritten?

Kommentar: Das hört sich dann super dramatisch an, 3 mSv/a ist aber unwesentlich mehr als die Dosis in Rom (2,3 mSv/a). Im Schwarzwald gibt es Regionen die kommen auf 10 mSv/a, also das 3-fach vom 3-fachen… Wird der Schwarzwald jetzt evakuiert?

Ø  Folie 11 und Folie 12

Kommentar: die harmlosen Werte aus Folie 10 in bedrohlichen Farben dargestellt.

Ø  Folie 14 : Wetterbedingte Wahrscheinlichkeit Für eine Kontamination > 1480 kBq Cs-137 ~ 10%

Kommentar: 1480 kBq Cs-137 entsprechen 19 mSv/a. Das ist ein deutlich erhöhter Wert aber keine Katastrophe. Es gibt bewohnte Gebiete in denen die natürliche Strahlung (Ramsar, Iran)  um das 4-fache über diesem Wert liegt. Die verschiedenen wissenschaftlichen Untersuchungen fanden keine negativen Effekte auf die Gesundheit. Weder ist die Krebsrateerhöht, noch gibt es Hinweise auf mehr

genetische Schäden (Chromosomenaberrationen) oder Missgeburten. Das gleiche

gilt für die vielen anderen High-Rad-Gebiete.

Ø  Folie 15, 16,17 : Welche radioaktiven Belastungen können bei ungünstigen       Wetterlagen in der Region Aachen auftreten?

Kommentar: 7-Tage Dosis > 100 mSv und Lebenszeitdosis bis zu 1000 mSv. Das hört sich dramatisch an, jedoch wurden unterhalb einer akuten Strahlendosis von 250 Millisievert (mSv) noch nie ehrlich Wirkungen auf die Gesundheit beobachtet. Daher fordert u.a. Norbert Rempe, Geologe und Strahlenexperte aus Carlsbad, New Mexico, USA: Um Strahlenexpositionen

unterhalb von 250 mSv sollte sich keine Behörde kümmern. Und wegen einer Lebenszeitdosis von 1000 mSv würde ich meine Heimat niemals verlassen.

 

Ø  Folie 18: Strahlenbelastungen für die GroßRegion Aachen wären bei       ungünstiger Wetterlage vergleichbar mit Strahlenbelastungen innerhalb der 20 km Sperrzone von Fukushima

Kommentar: die 20 km Sperrzone von Fukushima ist eine politischen “Todeszone“, aber nicht wegen der Radioaktivität sondern wegen der Toten auf Grund einer völlig unnötigen Evakuierung.

Fazit: Die Diskussionen werden vorwiegend auf

der emotionalen Ebene statt auf der sachlichen geführt. Die Gefahren

werden übertrieben, die Grenzwerte unverhältnismäßig tief angesetzt.

Der offizielle Untersuchungsbericht des Kraftwerksbetreibers wird von der Deutschen Politik gar nicht zur Kenntnis genommen, statt dessen zieht man, alle gemeinsam, mit so einem Gefälligkeitsgutachten gegen die Energieversorgung eines Nachbarlandes in den Krieg! Wir schaffen das….

8

Bitte kürzer fassen.

9
Bernhard Bühner

 

Wichtig ist, dass die Forschung weiter geht. Da hat Deutschland allerdings viel aufzuholen.

Der Anfang wäre gemacht, wenn die momentane politische Führung ausgetauscht würde. Da habe ich Bedenken. Der Wähler kann die Lügen, mit denen er sich identifiziert, nicht erkennen, um somit den richtigen Weg einzuschlagen. Wäre der Wille, sich aktiv zu informieren, vorhanden, könnte der Bürger seine Prägung, eingehämmert durch jahrelange Dressur/Fehlinformation, ablegen. Ich sehe, in Verbindung mit der Wahl 2017, eine ganz, ganz kleine Möglichkeit die Richtung zu ändern.

Nur fromme Wünsche?

 

10
Markus Estermeier

Alles schön und gut. Aber wer von den deutschen Angsthasen läßt sich gerne von seiner komfortablen Phobie befreien?