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Der Dual-Fluid-Reaktor: der neue Wunder-Reaktor für eine rosige Zukunft der Kernenergie?

Erschienen 2020-05-04 im RP-Energie-Blog (als E-Mail-Newsletter erhältlich!)

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Autor: , RP-Energie-Lexikon, RP Photonics Consulting GmbH

Inhalt: Das Institut für Kernphysik in Berlin behauptet, ein tolles Konzept für einen Dual-Fluid-Reaktor zu haben, der alle wesentlichen Probleme der Kernenergie auf einen Schlag lösen würde. Obwohl das Konzept theoretisch nachvollziehbar ist, ist es wohl unwahrscheinlich, dass es umgesetzt werden wird. In etlichen Jahren ist es nicht gelungen, Investoren davon zu überzeugen.

Ref.: Institut für Festkörper-Kernphysik, https://dual-fluid-reaktor.de/

Rüdiger Paschotta

Seit rund zehn Jahren entwickelt das private Institut für Festkörper-Kernphysik (IFK) in Berlin ein Konzept für einen neuartigen Kernreaktor (Dual-Fluid-Reaktor), welches in der letzten Zeit in der Presse vermehrte Beachtung gefunden hat. Nach den Behauptungen dieses Instituts würde das neue Konzept auf einen Schlag praktisch alle Probleme der Kernenergie lösen. Somit fragt sich, was davon zu halten ist.

Die Motivation

Die Motivation zur Entwicklung eines völlig neuen Reaktortyps ist völlig nachvollziehbar. Sie basiert darauf, dass man die Nachteile der bislang fast ausschließlich genutzten Leichtwasserreaktoren erkannt hat, die einer Zukunft der Kernenergie zunehmend im Wege stehen:

  • Der Kernbrennstoff wird nur sehr unvollständig ausgenutzt – viel spaltbares Material (inkl. Plutonium) verbleibt in den radioaktiven Abfällen, und gerade dieses ist wegen der langen Halbwertszeit besonders problematisch.
  • Zwar ließe sich die Endlagerung ein gutes Stück weiter erleichtern, indem man wenigstens die verschiedenen Stoffe voneinander trennen und einige davon wieder nutzen könnte, aber die dafür nötigen Wiederaufarbeitungsanlagen sind sehr teuer, gefährlich und auch wegen der Weiterverbreitung von Atomwaffen nicht wünschbar. (Meist verzichtet man darauf.)
  • Ein hohes Maß an Betriebssicherheit der Reaktoren setzt eine aufwendige Technologie voraus; bislang eingesetzte Reaktoren verursachten teilweise schwere Schadensverläufe – selbst solche, die zuvor für annähernd unmöglich gehalten wurden.
  • Zudem ist der Wirkungsgrad der Stromerzeugung wegen der nicht allzu hohen Betriebstemperatur nicht sehr attraktiv. Entsprechend viel Abwärme muss in die Umwelt abgegeben werden.

Diese und noch weitere Probleme soll das neue Reaktordesign gründlich lösen.

Das Grundkonzept

Die Grundidee des neuen Konzepts ist eine Modifikation eines bereits vier Jahrzehnte bekannten Konzepts des Flüssigsalzreaktors. Während bei diesem normalerweise ein flüssiges Salz sowohl als Kernbrennstoff als auch als Wärmeträger-Substanz fungiert, soll hier die letztere Funktion von einer zweiten Flüssigkeit übernommen werden, und zwar von einem flüssigen Metall wie Blei. (Eine genannte Variante verwendet auch für den Kernbrennstoff geschmolzenes Metall anstelle eines Salzes.)

Die nukleare Kettenreaktion findet nur in einer Verdickung der Leitung für den flüssigen Kernbrennstoff statt, weil nur dort Kritikalität möglich ist. (An anderen Stellen gehen zu viele Neutronen verloren, um die Kettenreaktion aufrechtzuerhalten.) Die entstehende Wärme wird vom flüssigen Blei abgeführt, welches diese Verdickung umfließt. Eine Regelung der Kettenreaktion mit Steuerstäben soll nicht notwendig sein wegen eines stark negativen Temperaturkoeffizienten: Die Geschwindigkeit der Kettenreaktion soll prinzipbedingt bei einem Anstieg der Temperatur so stark abnehmen, dass der Reaktor seine Leistung quasi selbsttätig reguliert. Im Notfall könnte der flüssige Brennstoff nach unten in Auffangtanks abgelassen werden, die so gestaltet sind, dass eine Kritikalität nicht mehr möglich sind, die Kettenreaktion also sofort abstirbt.

Der Reaktor enthält keinen Moderator, d. h. keine besondere Abbremsung der freigesetzten Neutronen. Es handelt sich also um einen “schnellen” Reaktor, in der die Kettenreaktion hauptsächlich mit schnellen Neutronen arbeitet.

Die sogenannte “Neutronenökonomie” soll so gut sein, dass sich das Konzept besonders für die Realisierung eines Brutreaktors eignet. Das bedeutet, dass den Reaktionsbereich verlassende schnelle Neutronen verwendet werden können, um nicht spaltbares Material in spaltbares Material umzuwandeln – etwa Uran 238 in Plutonium 239. Dieses könnte dann den Brennstoffkreislauf zugeführt werden, sodass am Ende der Großteil des verwendeten Urans gespalten würde – ganz im Gegensatz zum konventionellen Leichtwasserreaktor, wo der größte Teil des Urans ungenutzt bleibt.

Die erbrüteten Spaltsstoffe müssten natürlich zuerst einmal abgetrennt werden, um den Brennstoffkreislauf zugeführt werden zu können. Dies ist normalerweise eine komplizierte, teure und relativ gefährliche Angelegenheit, die gewöhnlich in Wiederaufarbeitungsanlagen mit dem Purex-Prozess (oder auch gar nicht) durchgeführt wird. Die Entwickler behaupten aber, diese Abtrennung mit einer einfachen Apparatur (einer pyrochemischen Prozesseinheit) innerhalb der Reaktoranlage durchführen zu können – basierend auf einer Art von Destillation.

Massive Vorteile

Die Entwickler behaupten vor allem die folgenden Vorteile ihres Konzepts:

  • Der technische Aufbau wäre vergleichsweise kompakt (wegen der hohen Leistungsdichte des Reaktorkerns) und wenig kompliziert, also kostengünstig zu bauen, und gleichzeitig robust – beispielsweise nicht angewiesen auf ein schnelles Regelsystem für die Regulierung der Kettenreaktion.
  • Die Gefahr von Reaktorunfällen soll aus diversen Gründen massiv reduziert sein; das Design sei inhärent sicher. Beispielsweise soll die hohe Wärmeleitfähigkeit des Metalls eine passive Abfuhr der Nachzerfallswärme nach der Abschaltung des Reaktors ermöglichen, sodass keine Katastrophe droht, wenn beispielsweise ein Kühlsystem ausfällt (wie in Fukushima reihenweise geschehen). Der genannte negative Temperaturkoeffizient der Kernspaltung soll Kritikalitätsunfälle verhindern.
  • Wie beschrieben wäre die Ausnutzung des Urans weitaus besser, sodass viel weniger Natururan benötigt würde; sogar bislang unbenutzt gebliebenes Uran 238 könnte mit einem solchen Brutreaktor genutzt werden. Während die bisherige, sehr ineffiziente Kernenergienutzung die Uranvorräte in absehbarer Zeit erschöpfen könnte, wäre dies mit dem neuen System für sehr lange Zeit nicht mehr zu befürchten. Man könnte sogar für lange Zeit auf den Uranbergbau gänzlich verzichten.
  • Es soll möglich sein, sämtliche Transurane früher oder später der Spaltung zuzuführen, weil sie durch die reichlich vorhandenen Neutronen in spaltbare Isotope umgewandelt werden könnten (Transmutation. Das wäre in der Tat ein enormer Vorteil, nicht nur weil aus dem Material viel mehr Energie gewonnen würde: Die Endlagerung der radioaktiven Abfälle würde massiv weniger aufwendig, weil sie “nur” noch für ein paar Jahrhunderte und nicht für viele Jahrtausende nötig wäre.
  • Sogar die Abfälle konventioneller Kernreaktoren wären noch nutzbar – natürlich nicht die hochradioaktiven Spaltprodukte, aber das verbleibende Uran sowie alle Transurane. Hiermit würde einerseits aus radioaktiven Abfällen nochmals viel Energie gewonnen, und andererseits würden auch diese Abfälle wegen des Abbaus von Isotopen mit hoher Halbwertszeit viel weniger problematisch.
  • Anstatt einer externen, sehr teuren Wiederaufarbeitungsanlage könnte man deren Funktion mit einem vergleichsweise simplen System im Kernkraftwerk realisieren, sodass auch entsprechend Gefahrentransporte vermieden würden.
  • Durch die hohe Reaktortemperatur wäre der Wirkungsgrad eines damit gebauten Wärmekraftwerks vergleichsweise hoch – Werte in der Gegend von 60 % sollen erreichbar sein, ähnlich wie bei modernen Gas-und-Dampf-Kombikraftwerken für Erdgas. Dies verbessert nicht nur die Energieausbeute, sondern reduziert auch erheblich die Menge der anfallenden Abwärme. Außerdem ließe sich nicht nur Stromerzeugung realisieren, sondern auch Prozesswärme für industrielle Anwendungen gewinnen. Beispielsweise könnten CO2-neutrale Synthesekraftstoffe hergestellt werden. Eine massenhafte Anwendung solcher Reaktoren vor allem in der chemischen Industrie wäre denkbar, um dort die Dekarbonisierung voranzutreiben.
  • Ein Missbrauch der anfallenden radioaktiven Stoffe für Atombomben soll praktisch unmöglich sein.

Wäre das wünschenswert?

Unter der Annahme, dass die genannten Vorteile tatsächlich realisiert werden könnten, und dies sogar noch zu günstigen Kosten, erscheint mir dieser Ansatz tatsächlich als so vorteilhaft, dass ich mir eine Zukunft der Kernenergie auf dieser Basis vorstellen könnte. Es würden in der Tat die ärgsten Probleme der Kernenergie entscheidend entschärft: die Problematik der Endlagerung über Jahrtausende, die Unfallgefahren im Betrieb, die Weiterverbreitung von Atomwaffen sowie die aus dem Ruder laufenden Kosten. Unter diesen Umständen könnte die Kernenergie irgendwann zu einer nützlichen Ergänzung der erneuerbaren Energien werden.

Theoretisch könnte ich mir also vorstellen, durch diese Sache zu einem Fan der Kernenergie zu werden – wenn nicht die im Folgenden erläuterten Gedanken die Sache als ziemlich unrealistisch erscheinen ließen.

Funktioniert das wirklich?

Die Grundideen, die übrigens auf der Website des IFK sehr schön beschrieben werden, sind durchaus nachvollziehbar. Die Frage ist aber, ob all dies auch praktisch so leicht funktionieren würde – und genau das ist der kritische Punkt. Während die vielen Vorteile ausführlich erklärt werden, geht die genannte Website insbesondere nicht sehr detailliert auf die Materialproblematik ein. Man beachte, dass die Konstruktionsmaterialien dieses Reaktors extremen Bedingungen ausgesetzt wären:

  • Die Betriebstemperatur soll in der Gegend von 1000 °C liegen.
  • Geschmolzenes Salz ist gerade bei hohen Temperaturen ziemlich aggressiv.
  • Die Intensität der Strahlung, denen die Materialien ausgesetzt wären, wäre enorm hoch; dies würde also die Lebensdauer der Konstruktionsmaterialien stark reduzieren.

Zwar entfiele andererseits die Notwendigkeit, den Reaktor unter hohem Druck zu halten, aber die genannten Herausforderungen sind trotzdem sehr groß.

Man bräuchte jedenfalls massiv robustere Materialien als die Reaktorstähle, die der Geschichte der Kernenergie über Jahrzehnte entwickelt wurden. Dass dies so einfach sein soll wie vom IFK behauptet, halte ich für unglaubwürdig. Vorsichtshalber nennt das IFK mehrere Kandidaten für solche Materialien: Siliziumkarbit sowie Keramiken aus Zirkon, Titan und Kohlenstoff. Zwar ist die relativ geringe Reaktorgröße günstig, indem sie die Verwendung teurer Materialien erlaubt, aber es gibt sicherlich nicht nur das Kostenproblem. Auf jeden Fall wären umfangreiche Materialentwicklungen und -tests nötig, und deren Ausgang ist wohl schwer zu prognostizieren.

Ich weise außerdem darauf hin, dass die meisten Grundideen durchaus nicht neu sind. Die Vorzüge von Hochtemperaturreaktoren, Brutreaktoren und Flüssigsalzreaktoren sind im Prinzip schon lange bekannt, und solche Konzepte wurden auch schon vor Jahrzehnten entwickelt. Nur hat eben keines davon so gut funktioniert, dass es sich in der Praxis hätte durchsetzen können. Die konventionellen Leichtwasserreaktoren konnten trotz ihrer massiven Nachteile ihre Position jahrzehntelang fest verteidigen. Sie sind nicht etwa durch die Konkurrenz neuer Konzepte gefährdet, sondern durch die eigenen Schwierigkeiten – insbesondere die immer weiter ansteigenden Kosten, die Neubauprojekte nur noch mit massiven staatlichen Subventionen (wie z. B. in England – Projekt Hinkley Point) möglich machen. Wenn große Kernenergiefirmen wie Areva, früher auch Siemens und Westinghouse, oder auch chinesische Konkurrenten eine realistische Chance sähen, ihre enormen Probleme mit einer solchen Neuentwicklung alle zusammen zu lösen, würden sie das sicherlich energisch angehen.

Theoretisch ist es natürlich denkbar, dass viele Tausende von Experten in all den Jahrzehnten, in denen verschiedene Reaktortypen entwickelt wurden, einfach nicht klug genug waren, und unsere Berliner der Welt jetzt mal zeigen könnten, wie man es richtig macht. Viel plausibler scheint mir aber, dass es ziemlich gute Gründe gab und gibt, diverse vorgeschlagene (teils alte, teils neue) Ansätze nicht weiter zu verfolgen.

Wer entscheidet darüber?

Instruktiv ist sicherlich die Frage, wer oder was am Ende darüber entscheidet, ob ein solches Reaktorkonzept eine Chance hat. Bislang gibt es seit etlichen Jahren nur das beschriebene Grundkonzept, aber noch nicht einmal detaillierte Computersimulationen, geschweige denn konkrete Pläne für den Bau eines Prototypen oder gar eines Kraftwerks. Für eine konkrete Entwicklung müsste man geeignete Partner – mindestens eine große Kernenergie-Firma – davon überzeugen, in dieses Konzept zu investieren. (Ein finanzstarker Investor wird wohl nicht genügen, da man ja auch einen technisch starken Partner bräuchte.) Angesichts der genannten Vorteile würde man eigentlich erwarten, dass dies kein größeres Problem sein sollte. Die für den ersten Kraftwerks-Prototypen angegebenen 8 Milliarden Euro (Serienkosten 1,5 Milliarden Euro) wären sicherlich kein Problem – aber man muss eben daran glauben können, dass das tatsächlich funktioniert, und zwar innerhalb der behaupteten Entwicklungszeit zu den angegebenen Preisen. Jedoch ist es bisher anscheinend nicht gelungen, jemanden zur konkreten Durchführung eines solchen Projekts überzeugen.

Die Energiepolitik spielt in diesem Zusammenhang kaum eine Rolle. Sie hat im Grunde nichts zu entscheiden, solange es nicht einmal konkrete Pläne für neue Reaktoren gibt. Sie könnte zwar in einem Land im Prinzip eine solche Entwicklung verhindern, aber dann würde die Entwicklung eben in irgendeinem anderen Land stattfinden – und wenn es toll liefe, würde sich das Konzept am Ende wohl global durchsetzen. Dagegen hätte ich persönlich gar nichts – nur dass ich es eben für ziemlich unwahrscheinlich halte, dass die Sache wirklich funktioniert. Es ist eine Sache, Laien oder Politiker von der Großartigkeit eines Konzepts zu überzeugen – und eine ganz andere, Leute in der Industrie zu gewinnen, die hier Milliarden und viele Jahre ihrer Arbeitskraft investieren sollten. Genau das scheint aber in all den Jahren dem IFK nicht gelungen zu sein.

Übrigens suggeriert der Name “Institut für Kernphysik” natürlich, dass es sich um ein Forschungsinstitut handelt, welches entsprechende Labors betreibt. Jedoch finde ich auf der Website keine Hinweise darauf; ich habe den Eindruck, dass hier ausschließlich Büroarbeit gemacht wird: Vermutlich werden wirklich nur Pläne entwickelt, sogar ohne wenigstens nennenswerte Computersimulationen durchzuführen. Deswegen gibt es ja offenbar nach all den Jahren nicht einmal einen konkreten Konstruktionsplan für einen Prototypen, den man irgendwo bauen lassen könnte. Man weiß ja noch nicht einmal sicher, mit welchen Materialien es gelingen könnte. Auch die Beschreibung des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten PPU-Projekt deutet nicht darauf hin, dass da irgendetwas konkret in einem Labor realisiert wird. Es sieht deswegen nach einer Übung auf dem Papier aus.

Ich finde es übrigens merkwürdig, dass sich das IFK mit seiner Website offenbar vorzugsweise an interessierte Laien und Politiker wendet. Diese zu überzeugen, dürfte für das Projekt aber kaum etwas bringen. Oder hofft man etwa, auf diesem Weg an Staatsgelder zu kommen? Nun, in ihren Anfängen ist die Kernenergie ja genauso auf die Füße gekommen – sogar eher vom Staat durchgedrückt als von der Industrie gewollt. Jedoch ist es wohl unwahrscheinlich, dass so etwas nochmals gelingt.

Merkwürdig ist außerdem die Nähe des IFK zur AfD. Man lässt sich von der AfD unterstützen – u. a. mit einer für das Konzept werbenden Fachveranstaltung am 08.05.2019 –, und Mitarbeiter des IFK sollen selbst zu AfD gehören. Nun wird man allerdings seine Glaubwürdigkeit kaum stärken durch die Zusammenarbeit mit einer Partei, die nicht nur politisch äußerst fragwürdig ist (etwa in signifikanten Teilen rechtsextrem bis hin zum Faschismus). Sie ist beispielsweise auch für ihre hartnäckige Leugnung des Klimawandels bekannt, und sie steht dabei natürlich auf Kriegsfuß mit der Wissenschaft. Es wird auch sicherlich nicht besser, wenn der Anti-Klimawandel-Propagandistenverein EIKE (auch wieder so ein “Institut”) hier ebenfalls unterstützend wirkt. Gegenteil stärkt das den Eindruck, dass man es hier mit einem speziellen, besonders fragwürdigen Milieu zu tun hat. Nun ist aber Glaubwürdigkeit in der Lage des IFK genau die entscheidende Voraussetzung für den Erfolg.

Fazit

Aus meiner Sicht ist das Fazit ziemlich klar. Theoretisch wäre ich für solche neuen Entwicklungen durchaus aufgeschlossen. Allein wegen des Umstands, dass auch hier mit starker Radioaktivität gearbeitet würde, würde ich diese Technologie nicht ablehnen. Jedoch müssen die Verfechter solcher Konzepte die relevanten Leute in der Industrie von der praktischen Umsetzbarkeit ihrer Ideen überzeugen können. So lange sie nicht erstens dies schaffen und zweitens in der Folge eine erfolgreiche Entwicklung vorweisen können, gibt es gar nichts zu entscheiden. Und für mich deutet nichts darauf hin, dass sie es demnächst schaffen könnten. (Sollte sich das ändern, würde ich entsprechende Informationen gerne hier nachtragen.)

Auf jeden Fall ist dringend vor der Vorstellung zu warnen, man würde etwa das Klimaproblem mit neuen Entwicklungen in der Kernenergie schon noch irgendwie lösen können. Zwar ist es immerhin denkbar, dass zukünftig viel bessere technische Ansätze der Kernenergie doch wieder eine Zukunft geben (auch wenn zu bedenken ist, dass genau dies schon jahrzehntelang versucht wurde, offenbar ohne Erfolg). Jedoch wäre es absolut fahrlässig, auf der Basis der in all den Jahrzehnten zustande gekommenen Konzepte darauf zu setzen. Wenn überhaupt, kämen solche Beiträge zur Problemlösung viel zu spät. Ohnehin wird die Konkurrenz der erneuerbaren Energien für die Kernenergie immer bedrohlicher: Dort sinken nämlich die Kosten ständig weiter.

Vielleicht ist der Hauptzweck des IFK derzeit, den AfD-Mitgliedern und Sympathisanten zu suggerieren, die AfD habe sehr wohl ein vernünftiges Konzept, falls sich die Realität des Klimawandels doch erweisen würde (was natürlich schon längst der Fall ist). Schließlich droht der Partei ein neues Glaubwürdigkeitsproblem, wenn in den nächsten Jahren noch der Allerletzte einsieht, dass der v. a. durch CO2-Emissionen verursachte Klimawandel ein reales, und zwar ziemlich großes Problem ist.

Dieser Artikel erschien als Teil des RP-Energie-Blogs von Dr. Rüdiger Paschotta. Sie können Links auf diese Seite setzen, da ihre Adresse permanent ist, und die Seite auch zitieren. Siehe auch das RP-Energie-Lexikon.

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