31.07.2020
Der Dual-Fluid-Reaktor und die Möglichkeiten der Kernenergie
Von Armin Huke und Götz Ruprecht und Fabian Herrmann
Dank neuer Reaktorkonzepte können wir Kraftwerke bauen, die sicher, preiswert und klimaneutral den globalen Energiebedarf der Zukunft decken.
Vor der Industriellen Revolution stammte nahezu die gesamte von der Menschheit benötigte Energie aus erneuerbaren Quellen: Biomasse wird seit der Urzeit genutzt, zur Verbrennung und als Nahrung für Menschen und Nutztiere – hinzu kamen im Laufe der Zeit auch etwas Wind- und Wasserkraft zum Antrieb von Schiffen, Mühlen, Poch- und Sägewerken. Bis gegen Ende des 18. Jahrhunderts genügte dies, dann ging man – mit Einführung der Dampfmaschine – zur Verbrennung fossiler Energieträger über. Ursprünglich versuchte man noch, die Maschinen mit Holz zu befeuern, doch da sich abzeichnete, dass alle Wälder Europas nicht imstande sein würden, dauerhaft genug Brennmaterial zu liefern, machte man sich stattdessen Braun- und Steinkohle zunutze und später, als Maschinen mit interner Verbrennung (Otto- und Dieselmotor sowie die Gasturbine) erfunden wurden, Erdöl und daraus abgeleitete Kraftstoffe.
Was sich durch die Industrialisierung daher entscheidend veränderte, war nicht der Umfang der zur Verfügung stehenden Energie. Denn die Gesamtleistung der auf die Erde fallenden Sonneneinstrahlung ist enorm, um Zehnerpotenzen größer als der momentane Energieverbrauch und erst recht viel größer als der Bedarf des 19. Jahrhunderts. Was sich entscheidend veränderte, war die Flussdichte: umgesetzte Leistung pro Quadratmeter Erdoberfläche. Die zeitlich gemittelte Flussdichte der Sonneneinstrahlung in Mitteleuropa ist mit 120 Watt pro Quadratmeter eher gering. Die Photosynthese der Pflanzen arbeitet relativ ineffizient, ihr Wirkungsgrad liegt bei unter einem Prozent, so dass Waldholz, wenn es nach dem Prinzip der Nachhaltigkeit genutzt wird (d.h. man schlägt es nicht schneller, als es nachwächst), maximal eine Brennwertproduktion von weniger als einem Watt pro Quadratmeter zu unterstützen vermag. Technische Nutzungsvarianten der Solarenergie sind etwas effizienter. Kommerziell verfügbare Fotovoltaik erreicht bei einem Wirkungsgrad um 15 Prozent und ca. 1000 Volllaststunden im deutschen Mittel Flussdichten von wenigen Watt pro Quadratmeter: beispielsweise Solarpark Lieberose mit 52 Gigawattstunden (GWh) pro Jahr auf 1,62 Quadratkilometer, entsprechend 3,7 Watt pro Quadratmeter. Klassische Wärmekraftwerke dagegen erzielen um 1000 Watt pro Quadratmeter. Im Zuge der Industriellen Revolution wurde die Flussdichte also um vier Größenordnungen gesteigert.
Der Erntefaktor EROI
Die hinter der Energieflussdichte einer Energiequelle stehende Größe ist die Energieeffizienz, ausgedrückt durch den Erntefaktor (englisch Energy Return on Investment = EROI). Er ist der Quotient aus der Energiemenge, die eine bestimmte Technologie zur Verfügung stellt, und derjenigen, die für den gesamten Lebenszyklus der Anlage (Bau, Betrieb, Rückbau, inkl. Rohstoffgewinnung) durch menschliches Zutun aufgewendet werden muss. Den Erntefaktor kann man somit auch als Energieeffizienz auf Erzeugerseite bezeichnen. Je konzentrierter Energie freigesetzt werden kann, desto weniger Infrastruktur, Material und Arbeitsstunden sind erforderlich, um eine gegebene Menge nutzbar zu machen. Hohe Energieflussdichten sind daher an hohe Erntefaktoren geknüpft, und die Industrialisierung brachte sowohl einen Flussdichten- als auch einen Erntefaktorensprung nach oben mit sich.
Um einige konkrete Zahlen zu nennen: Strom aus Kohle hat einen Erntefaktor von 30, d.h. den Energieaufwand für die gesamte Produktionskette zum Bau und Betrieb des Kohlekraftwerks einschließlich der Kohleförderung erhält man in Form von Strom dreißigfach zurück. Bei Erdgas sieht es ähnlich aus, bei Solarstrom hingegen buchstäblich finster: Der Erntefaktor beträgt in deutschen Breiten nur ca. 1,6. Man beachte: Ein Erntefaktor unter 1 ist ein Verlustgeschäft. Bei Strom aus Wind ist es nicht viel besser: Erntefaktor 4. Bei Wasserkraft ist er überraschend hoch, nämlich 35, bei heutiger Kernkraft, die überwiegend von Druckwasserreaktoren kommt, sogar bei 75 – dazu später mehr. 1 Eines wird jedoch schon klar: Mit Wind- und Solarenergie lässt sich eine moderne Industrienation niemals aufbauen, dafür ist ihre Effizienz um mindestens eine Größenordnung zu gering. Wasserkraft ist hier eine Ausnahme und folgerichtig war sie auch neben Wärmekraftmaschinen eine wichtige Triebfeder der zweiten Phase der Industrialisierung, als gegen Ende des 19. Jahrhunderts mechanische Kraftübertragungen mehr und mehr durch elektrische Stromkreise ersetzt wurden. Wasserkraft ist zumindest in Europa jedoch praktisch ausgeschöpft.
Doch eine weitere Besonderheit fällt auf, und um diese soll es im folgenden Abschnitt gehen: Der vergleichsweise geringe Erntefaktor-Unterschied zwischen fossilen und nuklearen Kraftwerken (ca. 30 vs. 75) ist erstaunlich, da die Brennwerte der zum Einsatz kommenden Rohstoffe sich um sechs Größenordnungen unterscheiden. 300 Kilogramm Uran (entsprechend etwa dem Volumen einer Getränkekiste) enthalten rund ein Gigawattjahr thermische Energie, ähnlich der Zuladung der weltgrößten Öltankschiffe. Man sollte daher erwarten, dass die Erntefaktoren vergleichbare Unterschiede aufweisen. Weshalb dies bei Druckwasserreaktoren nicht so ist – und wie sich das Potenzial der Kernenergie besser ausnutzen ließe – soll im nächsten Abschnitt beantwortet werden. In diesem Zusammenhang werden sich auch Sinn und Nutzen des Dual-Fluid-Reaktors (DFR) zeigen.
Heutige Kernenergie mit durchschnittenen Sehnen
In der germanischen Sage werden dem kunstfertigen Schmied Wieland von König Niedung Fuß- und Kniesehnen durchgeschnitten, da dieser ihn am Weglaufen hindern bzw. vermeiden möchte, dass Wieland durch seine Kunst zu mächtig wird. Das Motiv „lahmender Schmied“ erscheint auch in der Gestalt des Hephaistos/Vulcanus in der griechisch-römischen Sagenwelt, jedoch gelingt es Wieland, im Gegensatz zu seinem olympischen Leidensgenossen, der ewig ein Zielobjekt des „homerischen Gelächters“ der Götter bleibt, sich zu rächen und mit einer zu diesem Zweck erfundenen Flugmaschine zu fliehen.
„Man kann unsere moderne Welt scherzhaft als Folge einer Machtübernahme des Hephaistos ansehen, der die alten Götter und Mächte verjagt und die Erde mithilfe von technischer Erfindungsgabe umgestaltet hat."
Man kann unsere moderne Welt, die von Maschinen und künstlichen Objekten geprägt ist, scherzhaft als Folge einer Machtübernahme des Hephaistos (bzw. Wielands) ansehen, der die alten Götter und Mächte verjagt und die Erde mithilfe von technischer Erfindungsgabe umgestaltet hat. Den Wissenschaftlern, die die ersten Kernkraftwerke konstruierten, war von Anfang an klar, worauf es ankommen würde, damit diese Energiequelle mit den fossilen Energieträgern nicht nur zu konkurrieren, sondern sie zu übertreffen vermochte: Die Anlagen waren so kompakt und effizient wie möglich zu konstruieren, sollten also eine hohe Energieflussdichte aufweisen. Dies war jedoch nicht im Sinne des Militärs, dem ganz andere Anwendungen vorschwebten. Unter US-Präsident Nixon wählte Admiral Rickover unter Entwürfen des damals führenden Reaktorphysikers Dr. Alvin Weinberg das Gespann natriumgekühlter schneller Brutreaktor (SFR) und Druckwasserreaktor (PWR), zuvor bereits als U-Boot-Antrieb genutzt, für den Aufbau einer Kernkraftelektrizitätsversorgung aus – dies gegen das ausdrückliche Votum von Weinberg. Es geschah, wie Rickover wünschte: Der Bau von PWR-Kraftwerken, gewissermaßen Druckkochtöpfe, wurde fortgesetzt und die Entwicklung ausschließlich auf den SFR konzentriert. Seitdem sind fast alle Kernkraftwerke weltweit im Grunde überdimensionierte U-Boot-Motoren.
Für ein Stromkraftwerk ist dies kein gutes Konzept. Die Anreicherung ist ein energieaufwändiger Prozess. Fertigung der Brennstäbe, Aufarbeitung oder Endlagerung des Brennstoffs – all diese externen Arbeitsschritte, die zum Betrieb eines Kernkraftwerks heutiger Bauart unerlässlich sind, benötigen substantielle Mengen an zusätzlich zugeführter Exergie 2, was bedeutet, dass sie den Nenner des Erntefaktors beträchtlich vergrößern und daher diesen selbst außerordentlich drosseln, weit unterhalb der Werte, die er annehmen könnte, wenn sich die enorme Energiedichte der Aktiniden 3 optimal nutzen ließe. Solcherart scheint es nun nicht mehr erstaunlich, dass Kernkraftwerke heutzutage nur wenige Prozent des Weltenergiemarktes erobert haben und in Sachen Kosten und Erntefaktor bestenfalls in der oberen Liga der fossilen Kraftwerke zu spielen vermögen.
Damit die Kernenergie die fossilen Energieträger überholen und uns dadurch unabhängig von Öl, Gas und Kohle machen kann, muss sie offensichtlich völlig neu konzipiert werden. Es gilt, den Erntefaktor in Bereiche weit jenseits dessen zu fahren, was mit chemischen Brennstoffen möglich ist, die bei der Kernspaltung anfallenden Abfälle effizient in einen Stoffkreislauf zu überführen, anstatt sie nach dem Ex-und-Hopp-Prinzip direkt endzulagern, obwohl sie noch rund 96 Prozent ihrer Energievorräte enthalten, sowie eine Strategie gegen nukleare Unfälle zu entwickeln, die nicht auf „übereinandergestapelten“ Sicherheitssystemen beruht. Dazu lohnt es sich, die Konzepte anzuschauen, die Alvin Weinberg entwickelte, nachdem der Druckwasserreaktor fertig und im Einsatz war.
Flüssigkeiten statt Brennstäbe
Neben dem Druck- und Siedewasserreaktor entwickelte Weinberg in den 1950er Jahren einen Reaktortyp für den Antrieb von Flugzeugen am Oak Ridge National Laboratory (ORNL), dessen Direktor er war. Die Luftwaffe hatte Interesse an einem nukleargetriebenen Bomber, einem Flugzeug, das wochenlang ohne nachzutanken in der Luft bleiben und dabei pausenlos die Sowjetunion umkreisen sollte. Dieses Konzept konnte sich nicht durchsetzen, zum einen wegen der einfachen Abfangbarkeit, zum anderen, weil die Interkontinentalrakete den Langstreckenbomber als Abschreckungswaffe abzulösen begann. Dennoch entstand ein grundlegend neuer Reaktortyp, der für die weitere Entwicklung der Kerntechnik nachhaltig prägend war. Dieser Reaktor war sehr kompakt, effizient und einfach aufgebaut, eben so, wie es für den Einsatz in einem Flugzeug nötig war. Der Reaktorkern bestand aus einem Flüssigsalzbrennstoffgemisch, dessen Wärme mittels flüssigen Natriums an Turbostrahltriebwerke übertragen wurde.
Was wäre kompakter, effizienter und einfacher als „ein Topf, ein Rohr und eine Pumpe“? „A pot, a pipe, a pump“ – so umriss Weinberg sein neues Konzept für ein ziviles Kernkraftwerk, das radikal mit allen bisherigen Reaktordesigns brach: Die Kettenreaktion sollte in einer Flüssigkeit, einem geschmolzenen Salz stattfinden. Aus diesem würden die Spaltprodukte kontinuierlich entnommen und Aktinide nachgefüttert werden, eher wie bei einem Verbrennungsmotor als bei einem Kernreaktor mit festem Brennstoff. Hohe Arbeitstemperaturen sollten Anwendungen jenseits der simplen Stromproduktion ermöglichen, beispielsweise Meerwasserentsalzung. Sicherheitsstopfen aus erstarrtem Salz unten im Reaktionsgefäß würden Leistungsexkursionen vorbeugen, indem sie bei Überschreiten einer gewissen Temperatur schmelzen und die gesamte Flüssigkeit in unterkritische Auffangbecken strömen lassen würden.
„Der Kernreaktor sollte von einem überdimensionalen U-Boot-Motor, der unter dräuenden Betonkuppeln tschechisch-hessische Lehrerinnen erschreckt, zu einem nützlichen, weitverbreiteten Gehilfen der Menschheit werden."
Die Forschungen gipfelten in dem Molten-Salt-Reactor-Experiment, das während der 1960er Jahre insgesamt über 17.600 Stunden lief, Weinbergs Theorien bestätigte 4 und die Tauglichkeit für den Kraftwerksbetrieb demonstrierte. Doch die Entscheidung der Nixon-Regierung fiel, wie bereits erwähnt, gegen den Flüssigsalzreaktor (MSR) und zugunsten des ebenfalls aus dem Flugzeugreaktorexperiment hervorgegangenen schnellen natriumgekühlten Reaktors aus, der am Idaho National Laboratory weiterentwickelt wurde, woraufhin dem ORNL alle Mittel für die MSR-Entwicklung entzogen wurden und Weinberg wegen seines Widerstands gegen die Entscheidung gekündigt wurde. Man verbannte Weinbergs Arbeiten in der Schublade. Jahrzehntelang herrschte fataler Stillstand bei der Entwicklung von Kernreaktoren.
Die schon in der Antike von Heron von Alexandria erprobte Dampfmaschine wurde im 19. Jahrhundert durch die Arbeiten von James Watt zur weltweit dominierenden Exergiequelle; das von Lilienthal und den Gebrüdern Wright entwickelte Flugzeug wandelte sich mit Einführung des Strahlantriebs in den 1940er und 1950erJahren zu einem Massentransportmittel; der von Babbage, Lovelace, Turing, Zuse und einigen anderen konzipierte Computer konnte durch die Erfindung der Mikroprozessoren in den 1970ern von einem exotischen Monstrum, das Stockwerke von Regierungsbehörden und Laboratorien ausfüllte, zu einem Allerweltsgerät gedeihen, das sich heute in fast jedem Haus findet. Es ist an der Zeit, die Ideen Alvin Weinbergs wieder aufzugreifen, damit auch der Kernreaktor von einem überdimensionalen U-Boot-Motor, der unter dräuenden Betonkuppeln tschechisch-hessische Lehrerinnen erschreckt, zu einem nützlichen, weitverbreiteten Gehilfen der Menschheit werden kann.
Flüssigsalzreaktor reloaded
Flüssigbrennstoffreaktoren sind vom Konzept her grundverschieden von allen herkömmlichen Leichtwasserreaktoren und Schnellen Brütern mit festem Brennstoff. Aktinide (Thorium, Uran, Plutonium etc.) werden mit Chlor oder Fluor zu einem Salz verbunden und dieses dann in einem geschmolzenen Trägersalz aufgelöst, welches durch das Reaktionsgefäß (Weinbergs „Topf“) zirkuliert. Anstelle von Brennstäben, die jahrelang im Reaktor verbleiben, bis die Kontamination mit Spaltprodukten zu hoch wird, so dass sie zur Aufarbeitung oder Endlagerung entnommen werden müssen, hat man also einen flüssigen Brennstoff. Aus diesem werden die Spaltprodukte ständig im laufenden Betrieb mittels einer chemischen Trennanlage extrahiert und zugleich frische Aktinide zugesetzt. Dies hat viele Vorteile: Zum einen wird die gesamte Brennelementeindustrie überflüssig, wodurch die mit ihr verbundenen Wirtschaftlichkeits- und Erntefaktoreinbußen wegfallen; zum anderen ermöglicht es ein völlig neues Sicherheitskonzept, das sich nicht auf komplexe Schutzsysteme stützt, sondern auf die Naturgesetze selbst.
Eine Beschädigung des Reaktors durch Leistungsexkursionen oder Kühlungsunterbrechung ist bei einem Flüssigsalzreaktor prinzipiell unmöglich. Es werden keine aktiven, mechanischen Steuerelemente benötigt. Da das Salz sich bei Erhitzung ausdehnt, wodurch die Spaltrate sinkt, und sich analog bei Abkühlung zusammenzieht, was eine Steigerung der Spaltrate zur Folge hat, wirkt das System wie ein Thermostat: Es regelt sich selbsttätig auf die gewünschte Arbeitstemperatur ein. Dies ermöglicht dem Reaktor selbsttätiges Lastfolgen, er kann sich also an Schwankungen im Strombedarf anpassen. Ferner werden Unfälle durch Unterbrechung der Kühlung prinzipiell ausgeschlossen. Darüber hinaus befindet sich unten im Reaktor ein Sicherheitsverschluss aus erstarrtem Brennstoff, der ständig durch einen Ventilator gekühlt wird. Käme es zu einer Leistungsexkursion (was wegen des Thermostateffekts höchst unwahrscheinlich ist), so würde der Verschluss schmelzen und die Flüssigkeit in einen unterkritischen Auffangbehälter strömen. Dort ist keine selbsterhaltende Kettenreaktion möglich. Katastrophale Störfälle wie in Tschernobyl oder Fukushima werden naturgesetzlich (aufgrund der Gesetze der Thermodynamik und der Schwerkraft) unterbunden – ohne zusätzliche, aufwändige Sicherheitssysteme. Ein Szenario, in dem Menschen durch Strahlenfreisetzung gesundheitlich geschädigt werden, ist nicht wahrscheinlicher, als dass ein Mensch dadurch ums Leben kommt, dass sich der gesamte Sauerstoff in einem Zimmer in einer Ecke sammelt.
Der klassische Flüssigsalzreaktor, wie er vor über 50 Jahren erprobt wurde, verschenkt jedoch wesentliche Vorteile dieser Technologie: Entweder muss man ihn mit angereichertem Uran betreiben, was den Erntefaktor und damit die Wirtschaftlichkeit und insbesondere die Reichweite des Rohstoffs verringert, oder aber, wie von Robert Hargraves projektiert, mit Thorium. Das Erbrüten von Uran 233 aus Thorium 232 ist zwar im thermischen Spektrum aufgrund der höheren Neutronenausbeute bei der Spaltung von Uran 233 möglich, aber die Verdopplungszeit (die Zeit, die ein Reaktor benötigt, bis er seine eigene „Startportion“ an spaltbarem Material nachproduziert hat) ist äußerst lang, rund 40 Jahre. Robert Hargraves schlägt in „Thorium – Energy Cheaper than Coal“ 5 daher vor, zusätzliches Uran 233 mit schnellen plutoniumbasierten Reaktoren zu erbrüten. An dieser Stelle beginnt man, sich am Kopf zu kratzen: Warum dann eigentlich besagte plutoniumbasierte Reaktoren nicht gleich auch zur Energieerzeugung einsetzen …?
Dual-Fluid-Reaktor
Das aus unserer Sicht überzeugendste Konzept ist der Dual-Fluid-Reaktor (DFR). Er stellt eine Weiterentwicklung geläufiger Flüssigsalzreaktorkonzepte dar. Um die Leistungsdichte (d.h. die erzeugte thermische Leistung pro Reaktorvolumen) und den Erntefaktor zu maximieren, ein extrem hartes Neutronenspektrum zu erzeugen und darüber hinaus verschiedene Anwendungen zu ermöglichen, die bei Kernkraftwerken normalerweise nicht möglich sind – unter anderem echte Alternativen zur Nutzung von Erdöl als Grundstoff für Automobil- und Flugzeugtreibstoffe –, wurden zwei ungewöhnliche Designentscheidungen getroffen:
- Erstens wird auf ein Trägersalz verzichtet: Das Aktinidenchlorid selbst zirkuliert geschmolzen durch den Reaktor. Dies erlaubt nicht nur eine Verringerung des Reaktorvolumens, der Einsatz von Chlor statt Fluor sorgt auch für besonders energiereiche Neutronen, da das schwerere Chloratom sie in geringerem Maße abbremst als das leichtere Fluor.
- Zweitens ist ein externer Kühlkreislauf mit geschmolzenem Blei als Wärmetransportflüssigkeit vorgesehen: Andere Flüssigsalzreaktorentwürfe nutzen das Brennstoffsalz als Wärmetransporter; beim DFR ermöglicht der zusätzliche Kreislauf höhere Betriebstemperaturen (bis 1000 Grad Celsius) sowie weitere Leistungsdichtenerhöhung, da die Wärme rascher entnommen werden kann. Der Name Dual-Fluid-Reaktor bezieht sich also auf die beiden Flüssigkeiten: eine (Salz oder Metall) als Reaktionsmedium, die andere (Blei) zur Kühlung.
Der Reaktorkern besteht aus einer Anordnung dünner Rohre, durch die der flüssige Brennstoff fließt, während sie außen vom flüssigen Blei umströmt werden. Der Bleikreislauf bringt die erzeugte Wärme zum Dampf- oder Heißgaserzeuger für den Turbosatz 6; darüber hinaus lässt sich auch die Wärme selbst nutzen – z.B. zur Meerwasserentsalzung, Treibstoffsynthese oder Wasserstoffgewinnung. Hohe Temperaturen und starke Neutronenflüsse erfordern robuste, hitzeresistente Legierungen. Da der DFR jedoch leistungsdichtenbedingt extrem kompakt gebaut werden kann, sind nur vergleichsweise geringe Mengen an Werkstoffen erforderlich. Es handelt sich um einige 100 Tonnen Legierungen, im Gegensatz zu mehreren 1000 Tonnen Stahl für einen Druckwasserreaktor, so dass die Konstruktion dadurch nicht in nennenswertem Maße verteuert (bzw. der Erntefaktor verringert) wird.
Die Extraktion der „Asche“, also der Spaltprodukte, und die Zugabe frischen Brennstoffs, der Spalt- bzw. Brutstoffe, übernimmt die mit dem Salzkreislauf verbundene „Pyrochemische Prozessanlage“ (Pyrochemical Processing Unit = PPU). Als Energiequelle kommt hier praktisch alles ab (einschließlich) Thorium 232 aufwärts in Frage: Thorium, Uran, Plutonium und höhere Transurane. Die Neutronen im DFR sind derart hochenergetisch, dass sie alle radioaktiven Schwermetalle als Energiequelle nutzbar machen können, entweder, indem sie das Nuklid selbst spalten, oder, indem sie es durch Neutroneneinfang in einen spaltbaren Stoff transmutieren.
Auch der „Atommüll“ aus den alten Kernkraftwerken lässt sich als Brennstoff für den DFR einsetzen. Das einzige Abfallprodukt, das die PPU aus der Brennstoffflüssigkeit zu extrahieren braucht, sind die Spaltprodukte. Diese sind zwar anfangs hochradioaktiv – weswegen es auch vorgesehen ist, sie innerhalb des Bleikreislaufs zu speichern, so dass ihre Zerfallswärme genutzt werden kann –, sie klingen jedoch rasch ab. Nach wenigen Jahrhunderten strahlen sie bereits schwächer als Natururan. Vergleicht man dies mit dem transuranhaltigen Leichtwasserreaktorabfall, der mehrere 100.000 Jahre braucht, um seine Radioaktivität in nennenswertem Maße zu verlieren, oder mit chemischen Abfällen, z.B. aus Computer- oder Solarzellenfabriken, die unendlich lange schädlich bleiben und von der Biosphäre separiert werden müssen, sieht man, dass der DFR eine effiziente und praktikable Lösung des Endlagerproblems bietet.
Fassen wir also zusammen, was den DFR von herkömmlichen Kernkraftwerken (zu denen auch die Schnellen Brüter mit festen Brennstäben und Natriumkühlung gezählt werden können) unterscheidet:
- Keine Brennelemente: Externe Fabriken zur Produktion von Uranoxidpellets o.ä. entfallen.
- Keine Anreicherung: Das energieaufwändige Zentrifugieren zur Erhöhung des Uran-235-Gehalts wird nicht benötigt.
- Kompakte Konstruktion: Geringe Größe im Vergleich zu Leichtwasserreaktoren, geringer Materialbedarf.
- Passiv-inhärente Sicherheit: Ein GAU mit Radioaktivitätsfreisetzung wird nicht technisch verhindert, sondern ist naturgesetzlich unmöglich.
- Sehr hohe Leistungsdichten und Arbeitstemperaturen: dadurch hocheffiziente Stromerzeugung und Möglichkeit der Wärmenutzung für chemische Prozesse.
- Kein geologisches Endlager für Transurane: Denn diese werden im DFR vollständig gespalten, der Abfallstrom besteht nur aus Spaltprodukten.
- Für die nächsten Jahrhunderte kein Abbau von Uran: Es kann mit bereits vorhandenem Material gearbeitet werden, insbesondere mit Atommüll und abgereichertem Uran.
Durch diese Unterschiede wird der Erntefaktor des DFRs etwa 20-mal so hoch wie der eines Leichtwasserreaktors. Dies ist in etwa die gleiche Effizienzsteigerung, wie sie während der Industriellen Revolution stattgefunden hat.
Primärenergie – Mehr als nur Strom
„Können Sie mir ein Land nennen, das den Großteil seines Primärenergiebedarfs aus Kernkraft zieht?“, fragte einmal ein Kernenergiegegner auf Twitter. Die Antwort lautet selbstverständlich: Nein! Würde nach Elektrizität gefragt werden, so ließen sich Frankreich, Kanada, Südkorea anführen. Doch die Primärenergie aller Länder auf der Erde stammt größtenteils weder aus Kernkraft noch aus den von Kernkraftgegnern oft favorisierten Erneuerbaren, sondern aus Öl, Erdgas, Kohle. Für viele Anwendungen wird kein Strom benötigt, sondern Wärme, für die Industrie meist in Form von Heißdampf oder -gas möglichst hoher Temperatur. Dafür sind heutige Kernkraftwerke jedoch überhaupt nicht ausgelegt. Als Folge der Ölpreiskrise wurde in den 1980er Jahren in Deutschland zwar der Hochtemperaturreaktor entwickelt, der zur Herstellung synthetischer Kraftstoffe genutzt werden könnte. Doch der politische Druck ließ bald nach, während der Gegendruck durch Kernkraftgegner stärker wurde. Das Projekt wurde aufgegeben, obwohl es die Möglichkeit eröffnet hätte, von den OPEC-Staaten unabhängig zu werden.
Synthetische Kraftstoffe
Der DFR arbeitet von sich aus mit einer Nominaltemperatur von 1000 Grad Celsius und ist somit auch ein Hochtemperaturreaktor. Er durchbricht die magische Temperaturgrenze, ab der synthetische Wasserstofferzeugung ökonomisch darstellbar wird. So lässt sich Wasser thermolytisch zerlegen, wobei sich die Effizienz durch Kombination mit Elektrolyse zum sogenannten HOT-ELLY-Prozess noch steigern lässt. Alternativ kann der Schwefel-Iod-Zyklus bei 830 Grad eingesetzt werden. All dies ist bei heutigen Reaktoren mit ihren maximal 400 Grad unmöglich.
Wenn man sich entschließt, den Wasserstoff nicht selbst zu verbrennen, da Speicherung und Transport des flüchtigen Gases zu schwierig und riskant scheinen, empfiehlt es sich, ihn zur Herstellung sogenannter XtL-Treibstoffe zu nutzen. Dies bedeutet X-to-Liquid, in dem Sinne, dass ein Grundstoff X in einen flüssigen Energieträger umgewandelt wird. Mittels des Bergius-Prozesses lässt sich Kohle verflüssigen (CtL – Coal-to-Liquid) bzw. synthetisches Benzin oder Dieselöl herstellen. Falls man aus Umweltschutzgründen auf Kohlenutzung verzichten möchte, ist auch via Fischer-Tropsch-Prozess die Hydrierung von Syngas möglich, ein Gemisch von Wasserstoff und Kohlenmonoxid, das u.a. aus kohlenwasserstoffhaltigen Abfällen und Abwässern mittels Plasmalichtbogen gewonnen werden kann.
Beim NtL-Ansatz (Nitrogen-to-Liquid) reagiert Stickstoff mit Wasserstoff zu Hydrazin (N2H4), welches in der Raumfahrt schon seit langer Zeit als Treibstoff eingesetzt wird. Seine Eigenschaften ähneln denen von Benzin in punkto Energiedichte und Toxizität; daher kommt es auch für Boden- und Luftfahrzeuge in Frage. Die Motoren müssten nur geringfügig angepasst werden (Kraftstoffdurchfluss und Zündpunkte). Verbrennungsprodukte sind Wasser und Stickstoff, ökologisch unbedenkliche Stoffe. Auch als Kraftstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge bietet Hydrazin sich an. Im Gegensatz zu Wasserstoffbrennstoffzellen kommen Hydrazinbrennstoffzellen ohne Platinelektroden aus, die Fahrzeuge können daher preislich mit handelsüblichen Benzinern oder Dieselautos konkurrieren. Da die Brennstoffzellen bis zu zweieinhalbmal effizienter arbeiten als Kolbenmotoren, erzielt man trotz halbem Brennwert rund 25 Prozent mehr Fahrdistanz pro Tankfüllung.
„Die Geschichte der zivilen Kernenergienutzung wäre ohne die fatale Fehlentscheidung zu Ungunsten des Flüssigsalzreaktors sicher anders verlaufen."
Aus Wasser und Siliziumdioxid (Quartz, d.h. Hauptbestandteil von Sand) lässt sich mittels Müller-Rochow-Synthese unter Einsatz von Prozesswärme aus dem DFR Heptasilan (Si7H16) gewinnen (StL – Silicon-to-Liquid). Mit atmosphärischem Stickstoff reagiert es zurück zu Siliziumdioxid, Siliziumnitrid (Si34) und Wasser. Klar ist, dass es für Kolbenmotoren wenig geeignet sein dürfte, denn diese sind allergisch gegen Sand in ihren Zylindern, ähnliches gilt für Turbinenmotoren. RAM- oder SCRAM-Jets für Hyperschall-Flugzeuge dagegen enthalten keine bewegten Teile (bis auf die Reaktionsgase selbst) und könnten daher recht gut mit einem Schweif aus heißen Sandkörnern, der hinten aus ihnen herausrast, leben. Auch Wankelmotoren und Heißgasturbinen mit externer Feuerung oder auch Stirlingmotoren können mit Silanen betrieben werden.
Andere chemische Anwendungen
Neben Hydrazin lässt sich mittels Haber-Bosch-Prozess auch Ammoniak aus Wasserstoff und Luftstickstoff herstellen. Als Kraftstoff ist es weniger geeignet, da seine Reaktionstemperatur an Luft niedriger liegt als die Flammtemperatur, so dass die Verbrennung sich nicht selbst aufrechtzuerhalten vermag. Dennoch wurde es bereits für Busse und das X-15-Experimentalflugzeug der NASA erfolgreich eingesetzt, da in Dieselmotoren bzw. den Brennkammern des Flugzeugs hinreichend hohe Drücke herrschen. Ammoniak ist bei irdischen Bedingungen normalerweise gasförmig, weswegen es in einem Drucktank transportiert werden muss. Viel geeigneter als Kraftstoff scheint Hydrazin. Ammoniak ist jedoch auch ein wichtiger Grundstoff zur Herstellung von Düngemitteln. Der jährliche Bedarf liegt bei rund 150 Millionen Tonnen, die heute vor allem aus Erdgas hergestellt werden, was erheblich zum globalen CO2-Austoß beiträgt.
Wasserstoff gibt sein eines Leuchtelektron gerne an fremde Atomorbitale ab. Daher ist er ein gutes Reduktionsmittel, das das zur Verhüttung von Eisenerz benötigte Koks ersetzen kann, wodurch der CO2-Fußabdruck (und die Abhängigkeit von Kohlevorkommen) der Stahlproduktion stark verringert würden.
Meerwasserentsalzung
Da Entsalzung nur Wärme bei ca. 250 Grad benötigt, lässt sich dazu sogar der Austrittsdampf aus stromerzeugenden Turbosätzen nutzen – Stromkraftwerk und Entsalzungsanlage in einem! Die Gewinnung von Süßwasser aus Meerwasser – wozu oft Destillationsketten zum Einsatz kommen, die auf ähnlichen Effekten beruhen wie die PPU – wird in naher Zukunft hohe Bedeutung erlangen, vor allem in ariden Gegenden wie Mittelamerika, dem Südwesten der USA, Afrika, der arabischen Halbinsel und Australien. Meerwasser steht jedem Land mit Küste zur Verfügung, und Aktinide sind auf der ganzen Erde verbreitet. Nukleare Meerwasserentsalzung ist daher für Süßwasser das, was die Aluminiumverhüttung für elementares Aluminium ist: ein durch menschliches Denken entstandener Industrieprozess, der einen auf der Erde an für sich seltenen Stoff (Süßwasser bzw. reines Aluminium) zu einem häufigen macht und dadurch die physikalisch-chemische Struktur der Biosphäre verändert. Die Erhöhung des Anteils an Süßwasser könnte eine Modifikation von enormer Wichtigkeit sein, für Menschen, aber auch andere Lebensformen, da sich auf diese Weise Wüstengebiete begrünen und in Biome mit hoher Artendichte umwandeln ließen.
Radiolytische Chemie
Die Spaltprodukte, die von der PPU aus der DFR-Brennflüssigkeit entnommen werden, emittieren anfangs sehr starke radioaktive Strahlung, insbesondere Gammastrahlung (energiereiche Photonen). Weiter oben wurde schon erwähnt, dass die durch die Zerfälle erzeugte Wärme genutzt werden kann, indem der Speicherbehälter für die Spaltprodukte innerhalb des Bleikreislaufs montiert wird. Es gibt jedoch noch andere Methoden, die intensive Strahlung sinnvolle Arbeit verrichten zu lassen.
Strahlung mit hohen Dosisleistungen (im Bereich Kilogray pro Sekunde) ist in der Lage, Moleküle zu spalten, und kann somit zur Gewinnung von Chemikalien eingesetzt werden. 7 Bestrahlt man komprimierte Luft, entstehen Stickoxide und Ozon, aus Methan und Stickstoff lässt sich radiolytisch Blausäure gewinnen, aus Kohlendioxid Kohlenmonoxid. Dies wird bereits in der Industrie angewandt, jedoch mit Radionukliden als Gammaquelle, die viel geringere Dosisleistungen und damit auch nur geringe Stoffdurchsätze erzielen. Die Nutzung von Kernreaktoren zu diesem Zweck wurde bislang nur theoretisch untersucht. Die Spaltprodukte des DFR wären in der Lage, 10.000 bis 100.000 Tonnen von Chemikalien pro Jahr zu erzeugen. Es kann auch ein spezialisierter DFR konstruiert werden, bei dem die noch viel intensivere Strahlung des Reaktorkerns selbst zur radiolytischen Synthese dient.
Fazit
Die Geschichte der zivilen Kernenergienutzung wäre ohne die fatale Fehlentscheidung zu Ungunsten des Flüssigsalzreaktors sicher anders verlaufen. Heute machen sich immerhin einige Startups daran, die Entwicklung fortzusetzen. Nichtsdestotrotz hat auch der Flüssigsalzreaktor einige Schwächen. Der Dual-Fluid-Reaktor löst den bisherigen Zielkonflikt, hohe Leistungsdichte mit inhärent-passiver Sicherheit zu kombinieren. Er ist gleichzeitig ein Hochtemperaturreaktor und eröffnet somit das gesamte Spektrum der Prozesschemie. Dadurch kann umweltfreundliche Kernenergie in großem Stil den Primärenergiemarkt erobern.
Der DFR existiert bisher nur auf dem Papier. Aber er ist keine Zukunftsmusik, sondern mit den heute verfügbaren technischen Mitteln realisierbar. Es führt kein Weg zurück in die Vergangenheit. Die Menschheit braucht auch in der kommenden post-fossilen Zeit riesige Energiemengen, um der wachsenden Bevölkerung einen Lebensstandard zu ermöglichen, wie wir ihn heute in den hoch entwickelten Ländern genießen. Es ist höchste Zeit, massiv in die Erprobung und Weiterentwicklung von Technologien zu investieren, die dies zu leisten vermögen.
