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Brutreaktor

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Definition: ein Kernreaktor, in dem neues spaltbares Material durch Bestrahlung anderer Substanzen erzeugt wird

Englisch: breeder reactor

Kategorie: Kernenergie

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 05.06.2011; letzte Änderung: 18.10.2015

Ein Brutreaktor ist eine Art von Kernspaltungs-Kernreaktor, der so optimiert ist, dass möglichst viel neues spaltbares Material entsteht, indem eine andere Substanz mit Neutronen bestrahlt wird. Beispielsweise kann das kaum spaltbare Uran 238 durch Einfang von Neutronen in das gut spaltbare Plutonium 239 umgewandelt werden. Es ist unter Umständen möglich, sogar mehr spaltbares Material zu erbrüten, als für den Betrieb benötigt wird. Für etliche bisher gebaute Brutreaktoren trifft dies allerdings nicht zu; die Neutronenverluste sind hierfür zu hoch.

Brutreaktoren könnten im Prinzip zum zentralen Bestandteil einer Plutoniumwirtschaft werden. Während bei der bisherigen Kernenergienutzung vorwiegend mit Leichtwasserreaktoren nur ein kleiner Teil des Uran 238 in Plutonium umgewandelt wird und daher der größte Teil des Uran 238 ungenutzt bleibt, könnte mit Brutreaktoren ein viel größerer Teil des Urans genutzt werden. Damit stiege die Reichweite der Uranvorräte von einigen Jahrzehnten auf mehrere Jahrtausende. Allerdings wird diese Entwicklung seit einiger Zeit kaum mehr ernsthaft verfolgt aufgrund von diversen Problemen, die weiter unten diskutiert werden.

Technische Aspekte von Brutreaktoren

Das effiziente Erbrüten von Plutonium 239 aus Uran 238 erfordert eine starke Strahlung schneller Neutronen, während die Neutronen in einem konventionellen Leichtwasserreaktor durch das Wasser als Moderator stark abgebremst werden. Deswegen werden Brutreaktoren meistens als sogenannte schnelle Brüter gebaut, d. h. sie arbeiten ohne Moderator mit Neutronen viel höherer Energie. Dies hat wesentliche Konsequenzen für die Bauart und Funktionsweise des Reaktors:

In Bezug auf die Reaktorsicherheit weisen schnelle Brüter im Vergleich zu konventionellen Leichtwasserreaktoren erhebliche Nachteile auf. Bereits genannt wurde die schwierige Regelung der Reaktorleistung. Ein weiteres Feld von Problemen entsteht durch die Verwendung von Natrium als Kühlmittel. Dieses ist chemisch sehr reaktiv; es verbrennt bei Kontakt mit Luft unter intensiver Rauchbildung, und bei Kontakt mit Wasser bildet sich Wasserstoff, der anschließend leicht zu starken Wasserstoffexplosionen führen kann. Übrigens muss das Natrium auch bei Stillstand des Reaktors ständig warm gehalten werden, damit es nicht erstarrt (womit der Reaktor zerstört wäre).

Eine andere Art von Brutreaktoren könnte Uran 233 aus Thorium 232 erbrüten. In diesem Fall werden nicht unbedingt schnelle Neutronen benötigt; der Reaktor kann also ein relativ konventionelles Design aufweisen. Ein entsprechendes Projekt wird seit langem (obwohl mit geringem Erfolg) in Indien verfolgt, welches über wenig Uran, aber über wesentliche Thoriumvorräte verfügt. (Auch die weltweiten Thoriumvorräte sind weit größer als die Uranvorräte.) Eine Schwierigkeit dieses Ansatzes besteht darin, dass das Uran 233 mit etwas Uran 232 verunreinigt ist, welches im Verlauf seiner Zerfallskette eine harte und damit schwer abschirmbare Gammastrahlung abgibt. Deswegen ist dieses Material schwer handhabbar.

Zusätzliche Gefahren entstehen in jedem Fall dadurch, dass Anlagen zur Wiederaufarbeitung für den Betrieb von Brutreaktionen unerlässlich sind. Hier werden große Mengen radioaktive Materialien in gefährlicher flüssiger Form gehandhabt. Die Gefahr erheblicher radioaktiver Emissionen ist eher größer als beim Betrieb von Kernreaktoren.

Auf der anderen Seite könnten geeignet gebaute und betriebene Brutreaktoren das Problem der Endlagerung radioaktiver Abfälle deutlich verringern, weil langlebige Transurane damit abgebaut werden könnten. Die Strahlung der Abfälle wäre dann bereits nach einigen Jahrhunderten relativ gering, während sie bei den heute übliche Leichtwasserreaktoren für viele längere Zeit stark bleibt. Es wäre sogar denkbar, Brutreaktoren für die Transmutation von Abfällen von Leichtwasserreaktoren zu nutzen, um deren langfristiges Gefahrenpotenzial zu reduzieren.

Gefahr des Missbrauchs für Atomwaffen

Besonders die am meisten entwickelten Plutonium-Brutreaktoren, aber auch die Thorium-Brüter stellen eine große Gefahr des Missbrauchs für Atomwaffen dar, soweit sie nicht ohnehin offen als militärisch motiviert bezeichnet wurden. Dies gilt bereits für die Zeit vor der Betriebsaufnahme. Beispielsweise hat Japan für sein Brüterprogramm große Mengen von Plutonium aus Frankreich bezogen, die eben auch militärisch nutzbar wären. Das im Betrieb wie vorgesehen entstehende Plutonium wäre wiederum militärisch nutzbar, und zwar weitaus besser als Reaktorplutonium aus konventionellen Leichtwasserreaktoren.

Dies bedeutet, dass die weltweite Verbreitung der Nutzung von Brutreaktoren die Gefahr von Atomkriegen massiv erhöhen könnte. Andererseits wäre diese Entwicklung notwendig, wenn die Kernenergie aus Kernspaltung langfristig in großem Umfang genutzt werden sollte, da die konventionellen Reaktoren das Uran sehr ineffizient nutzen, so dass die Vorräte für eine langfristige Nutzung nicht ausreichen würden.

Bisherige Erfahrungen mit Brutreaktoren

Die Entwicklung von Brutreaktoren begann in den USA bereits in 1940er Jahren, also bereits ganz zu Beginn der zivilen Kernenergienutzung (aber nicht ohne militärische Motivation). Später folgten damit diverse andere Länder: Frankreich, Großbritannien, Deutschland, Japan, Russland, Indien und China. Die bisherigen praktischen Erfahrungen sind aber trotz der langen Zeit, über die solche Projekte verfolgt wurden, weitgehend sehr negativ. Etliche Anlagen mussten nach schweren Störfällen bis hin zur Kernschmelze außer Betrieb genommen werden. Andere (etwa der französische Superphénix) arbeiteten derart unzuverlässig (mit jahrelangen teuren Reparaturen), dass der Betrieb vollkommen unwirtschaftlich war; der Ertrag aus der Stromerzeugung deckte beim Superphénix nur einen kleinen Bruchteil der Kosten. Bisher wurde noch in keinem Land ein Brutreaktor entwickelt, der hinsichtlich der Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit annähernd mit den konventionellen Leichtwasserreaktoren vergleichbar wäre.

Aus diesen Gründen wird die Entwicklung von Brutreaktoren kaum mehr verfolgt. Die heute geplanten neuen Reaktoren sind zum größten Teil Leichtwasserreaktoren, die sich von den bisher meist genutzten Reaktoren nicht grundlegend unterscheiden. Soweit es doch andere Reaktoren sind, sind dies in der Regel trotzdem keine Brutreaktoren.

Der im deutschen Kalkar zwischen 1973 und 1985 gebaute schnelle Brutreaktor SNR-300 wurde in 1991 ohne vorherige Inbetriebnahme aufgrund massiver Proteste der Bevölkerung endgültig aufgegeben. Gerade nach der Katastrophe von Tschernobyl in 1986 war das Projekt politisch nicht mehr durchsetzbar. Baukosten von rund 7 Milliarden DM gingen damit verloren.

Siehe auch: Kernreaktor, Kernspaltung, Plutonium, Uran, Reaktorsicherheit, Wiederaufarbeitung
sowie andere Artikel in der Kategorie Kernenergie

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