Vier Kandidaten für Generation IV

Vier der Konzepte haben in den letzten Jahren besonders viel Aufmerksamkeit erfahren, sagt Björn Becker, Ingenieur für Kerntechnik bei der Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS), die den Bund und die Länder berät:

Beim »schnellen natriumgekühlten Reaktor« befindet sich der Reaktorkern in einem Becken aus flüssigem Natrium. Er arbeitet ohne Moderator. Natrium hat verglichen mit Wasser bessere thermodynamische Eigenschaften, weshalb der Reaktor bei höheren Temperaturen und damit höheren Wirkungsgraden betrieben werden kann. Zudem läuft der Reaktorkern bei Atmosphärendruck. Das verspricht theoretisch ein geringeres Unfallrisiko als bei den unter Druck stehenden Leichtwasserreaktoren. Allerdings ist Natrium ein sehr reaktionsfreudiges Element. Die entstehende Wärme wird deshalb in einem Wärmetauscher an einen zweiten Natriumkreislauf abgegeben. So soll bei Lecks kein radioaktives Kühlmittel frei werden. In einem dritten Kreislauf wird dann Wasser verdampft, um eine Dampfturbine anzutreiben. Der SFR könnte als Brutreaktor arbeiten. Dazu könnte auch wiederaufbereiteter Brennstoff aus konventionellen Leichtwasserreaktoren verwendet werden. Der SFR würde dann wie eine Müllverbrennungsanlage funktionieren, die noch dazu neuen Brennstoff erbrütet.

Beim »Höchsttemperaturreaktor« besteht der Kern aus Graphitkugeln, die im Inneren als Brennstoff kleine Körner aus Uran- oder Thoriumkeramik enthalten. Das Graphit wirkt als Moderator. Heliumgas führt die entstehende Wärme ab. Es erhitzt sich dabei auf mehr als 1000 Grad Celsius und treibt eine Turbine zur Stromerzeugung an. Das Konzept besitzt einen besonders hohen Wirkungsgrad. Mit zunehmender Temperatur des Reaktors sinkt die Wahrscheinlichkeit der Spaltung der Urankerne. Das führt zu einer bauartbedingten theoretischen Maximaltemperatur des Reaktors. Wenn diese unterhalb des Schmelzpunkts des Reaktormaterials liegt, kann keine Kernschmelze stattfinden. Die große Wärmemenge kann zudem als Prozesswärme verwendet werden, um Wasserstoff herzustellen oder Kohle zu veredeln.

Der »schnelle bleigekühlte Reaktor« wird auch als »nukleare Batterie« bezeichnet. Er verwendet schnelle Neutronen, eine Blei-Bismut-Legierung zur Wärmeabfuhr und kann 15 bis 20 Jahre ohne neuen Brennstoff auskommen. Gekühlt wird der LFR durch natürliche Konvektion. Weil die Brennelemente lange im Reaktor bleiben, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit einer Kernspaltung für jedes einzelne Atom. Als Arbeitsgas zur Stromerzeugung kommt Kohlendioxid zum Einsatz. Blei und Bismut sind sehr dicht; das höhere Gewicht erfordert stärkere Strukturen, um erdbebensicher zu sein. Die Baukosten sind daher relativ hoch. Wenn die Legierung austritt oder nicht warm genug gehalten wird, verfestigt sie sich, und der Reaktor wird unbrauchbar.

Flüssigsalzreaktoren lassen sich bei hohen Temperaturen und atmosphärischem Druck betreiben. Das soll sie gegenüber konventionellen Reaktoren sowohl effizienter als auch sicherer bei der Stromerzeugung machen. Die ersten Experimente fanden bereits in den 1950er Jahren im Oak Ridge National Laboratory im US-Bundesstaat Tennessee statt. Doch bis heute ist kein Reaktor dieses Typs ans Netz gebracht worden. Ein Flüssigsalzreaktor besitzt drei Kreisläufe. Im ersten dient eine Salzschmelze als Kühlmittel. Darin ist der Brennstoff gelöst, der ebenfalls als Salz vorliegt, beispielsweise Uranfluorid. Das flüssige Salz wird durch einen Reaktorkern aus Graphit gepumpt, das als Moderator wirkt. Es kommt zu einer Kettenreaktion, und das Salz erhitzt sich auf fast 800 Grad Celsius. Anschließend fließt das Salz zum ersten Wärmetauscher, der die Wärme an einen zweiten Flüssigsalzkreislauf ohne Brennstoff abgibt. Das soll – wie beim SFR – Gefahren bei Lecks vorbeugen. Es folgt ein dritter Kreislauf, der eine Turbine antreibt. Als inhärente Sicherung befindet sich unter dem Graphitkern ein Ventil, das durchschmilzt, falls das System nicht mehr ausreichend gekühlt wird. Das Salz fließt dann in passiv gekühlte Tanks. Die Flüssigsalze sind erheblich korrosiv, so dass spezielle Metalllegierungen für den Bau der MSR verwendet werden müssen.

Bei den beiden verbleibenden der sechs Konzepte des GIF handelt es sich um den »schnellen gasgekühlten Reaktor« GFR (Gas-Cooled Fast Reactor), der schnelle Neutronen und Helium als Kühlmittel verwendet und bei sehr hohen Temperaturen arbeitet, und den »überkritischen Leichtwasserreaktor« SCWR (Super-Critical Water-Cooled Reactor), der als Kühlmittel und Moderator Wasser unter hohem Druck verwendet, so dass keine Phasenübergänge stattfinden, und der günstig und einfach zu bauen ist. Der GFR und der SCWR sind laut Björn Becker von der GRS in den letzten Jahren ins Hintertreffen geraten. Grundsätzlich sei der Begriff Zukunftstechnologie für die Ideen des GIF mit Vorsicht zu verwenden, erklärt er. Die Konzepte gebe es zum Teil schon seit Jahrzehnten. Ob und welches sich durchsetzen wird und welches am sichersten wäre, lässt sich laut Becker nicht pauschal sagen.