Kernenergie der Generation IV: Können wir die verbleibenden Probleme der Atomkraft lösen?

8 Minuten

Aktualisiert am: 27 Jul 2020

Im letzten Kapitel haben wir gelernt, dass es vier grundlegende Probleme im Zusammenhang mit der Kernkraft gibt:

  1. Atommüll
  2. Atomexplosionen
  3. Hohe Kosten
  4. Lange Bauzeiten

Wir werden verschiedene Ideen anhand dieses Schemas bewerten:

Ganz einfach: Bau kleiner modularer Reaktoren

Anstatt einen großen Reaktor vor Ort zu bauen: Wie wäre es, wenn wir kleinere Komponenten in einer Fabrik in Massenproduktion herstellen und sie dorthin verschiffen, wo sie gebraucht werden ? Sie könnten sehr schnell einsatzbereit sein, nachdem sich ein Staat für ihren Kauf entschieden hat. Diese Reaktoren werden als Kleine modulare Reaktoren (englisch small modular reactors, SMR) bezeichnet. Sie sind "modular", weil mehrere kleine Reaktoren (als "Module" bezeichnet) am Standort kombiniert werden können, um die gleiche Leistung wie ein konventioneller großer Reaktor zu erbringen:

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Kleine modulare Reaktoren

Die Module wären sofort einsatzbereit, nachdem ein Staat sich für ihren Kauf entschieden hat.

SMRs verwenden Uran und Wasser wie konventionelle Reaktoren . Viele SMR-Konstruktionen sind jedoch zu passiver Kühlung fähig, was bedeutet, dass ein Stromausfall nicht zu einer Kernschmelze und Explosion führt .

Die ersten SMRs werden aktuell in Betrieb genommen und weitere befinden sich in der Entwicklung und im Lizensierungsprozess . Die vollständige Kommerzialisierung wird gegen 2030 erwartet .

Leider haben SMRs immer noch ein Problem mit dem Atommüll, weil sie regulären Kernbrennstoff verwenden .

Effizienter - Flüssigsalzreaktoren (MSR)

Die Reaktoren, die wir im letzten Kapitel besprochen haben, verwenden Wasser als Kühlmittel (um die Energie abzuführen) und als Moderator . Flüssigsalzreaktoren (englisch molten salt reactors, MSR) nutzen stattdessen geschmolzenes Salz als Kühlmittel . Geschmolzenes Salz ist dabei wirklich das, wonach es sich anhört - flüssiges Salz .

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Flüssigsalzreaktor

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Flüssigsalzreaktor

Warum geschmolzenes Salz?

  1. Hohe Temperaturen: Normale Reaktoren auf Wasserbasis erzeugen nur Temperaturen von bis zu 300°C . MSRs können bis zu 850°C erreichen . Dies verbessert den thermodynamischen Wirkungsgrad und damit die Brennstoffnutzung und würde es MSRs ermöglichen, Wärme für industrielle Hochtemperaturprozesse zu liefern, die heute durch fossile Brennstoffe erbracht wird .
  2. Hohe Effizienz: MSRs haben eine 30% höhere Ausnutzung des Brennstoffes im Vergleich zu wasserbasierten Reaktoren , das heißt, es fällt etwas weniger Atommüll bei gleicher Leistung an.
  3. Keine Explosionen: Wie alle modernen (auch heutige) Reaktoren schalten MSRs bei Überhitzung ab, d.h. sie würden nicht explodieren .

Leider besteht das Problem des Atommülls nach wie vor . Darüber hinaus gibt es derzeit keine erschwinglichen Materialien, die geschmolzenes Salz bei Temperaturen von bis zu 850°C für eine lange Zeit aufnehmen können . Dies bedeutet, dass mehr Grundlagenforschung und Innovationen erforderlich sind, um MSRs Realität werden zu lassen.

Können wir Atommüll recyceln, um ihn als Brennstoff wieder zu verwenden?

Image of Können wir Atommüll recyceln?

Können wir Atommüll recyceln?

Im letzten Kapitel haben wir gelernt, dass Atommüll hauptsächlich in zwei Kategorieren einzuordnen ist:

  1. Abgereichertes Uran-238: Natürliches Uran besteht zu 99,3% aus U-238 und 0,7% aus U-235 , muss aber für die Nutzung in Reaktoren zu 4-5% aus U-235 bestehen . Bei der Herstellung dieses angereicherten Brennstoffs lassen wir eine große Menge U-238 zurück.
  2. Abgebrannte Brennelemente: Wenn ein Reaktor den angereicherten Brennstoff für eine Weile verwendet hat, wird er durch neuen Brennstoff ersetzt. Was übrig bleibt, sind abgebrannte Brennelemente.

Laufwellenreaktoren (englisch traveling-wave reactors, TWR) sind für die Verwendung von abgereichertem Uran-238 als Brennstoff ausgelegt . TWR erzeugen 80% weniger radioaktiven Müll (pro Masseneinheit) als konventionelle Reaktoren .

Noch spannender ist, dass TWRs im Prinzip abgebrannten Kernbrennstoff wiederaufbereiten könnten . Allerdings sind dafür noch erhebliche Fortschritte in der Forschung erforderlich .

Der Schlüsselgedanke hinter diesen Reaktoren ist, dass sie ihren eigenen Brennstoff herstellen . Dies kann wie folgt aussehen :

Image of Brennstoff brüten

Brennstoff brüten

Hier fangen wir mit U-238 an, das alleine keine normalen Atomreaktoren antreiben kann. Durch Hinzufügen eines Neutrons, verwandeln wir es in U-239. U-239 zerfällt schnell und wird zu Plutonium-239, einem weiteren radioaktiven Material. Dies ist es, was dann die Kernspaltungsreaktionen antreibt und die Wärme erzeugt, die schließlich zu der Energie wird, die wir aus dem Reaktor gewinnen . All dies geschieht innerhalb des Reaktors!

Wie alle anderen modernen Reaktoren würden die TWR bei einem Stromausfall abgeschaltet, d. h. sie würden nicht explodieren .

Die Arbeit an TWRs läuft seit Jahrzehnten - erfolglos . Aber nach Jahren von Computersimulationen und Design-Iterationen, glaubt eine Firma namens Terrapower (hauptsächlich von Bill Gates finanziert), dass sie einen stabilen Langzeitbetrieb erreichen können .

Ihr Prototyp sollte 2022 einsatzbereit sein, aber politische Spannungen zwischen den USA und China führten dazu, dass der Bau 2018 eingestellt wurde . Wir werden sehen, wie es weitergeht.

Was sollten wir tun?

Kleine modulare Reaktoren (SMRs) und konventionelle Reaktoren sind bereits verfügbar . Sie könnten Kohle für die Grundlaststromerzeugung mit nahezu Null CO₂ Emissionen ersetzen. Wie im letzten Kapitel dargelegt, sind moderne Kernreaktoren extrem sicher und verursachen keine Explosionen . Zwar ist Atommüll schlecht, aber wir müssen dies mit den CO₂-Emissionen und anderen Verschmutzungen vergleichen, die bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen.

Gleichzeitig sollten die Regierungen den Unternehmen erlauben, fortgeschrittene Kernreaktoren in einem viel schnelleren Tempo zu testen .

Image of Wir brauchen mehr Forschung

Wir brauchen mehr Forschung

Wenn du mehr über fortgeschrittene Kernkraft erfahren möchtest, schau dir einige der Konzepte an, die wir in diesem Kapitel nicht diskutiert haben:

  • Thoriumnutzung: Anstelle von Uranium-235 wird ein Element namens Thorium als Brennstoff verwendet .
  • Andere Kühlmittel: Anstelle von Wasser oder geschmolzenem Salz können wir Gas oder flüssige Metalle verwenden .
  • Reaktoren ohne Moderatoren: Schnelle Brüter können direkt mit schnellen Neutronen arbeiten (heutige Konstruktionen müssen einen Moderator verwenden, um die Neutronen abzubremsen, wie im letzten Kapitel besprochen). Konventionelle Reaktoren müssen die Neutronen verlangsamen, damit sie U-235 spalten können.

Nun zu den regenerativen Energien!

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