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Advanced Reactor kommt der Realität näher
Terrapower, ein Startup, das teilweise von Nathan Myhrvold und Bill Gates finanziert wurde, nähert sich dem Bau eines neuen Typs von Kernreaktoren namens Wanderwellenreaktor, der mit reichlich Uran betrieben wird. Das Unternehmen sieht darin eine mögliche Alternative zu Fusionsreaktoren, die auch wegen ihres Potenzials zur Stromerzeugung aus einer nahezu unerschöpflichen Brennstoffquelle geschätzt werden.
Traumpflanze: Ein neuer Entwurf für einen Kernreaktor, der als Wanderwellenreaktor bekannt ist, ähnelt einigen herkömmlichen Kernkonstruktionen, aber die Funktionsweise ist sehr unterschiedlich.
Die Arbeiten am Reaktordesign von Terrapower begannen im Jahr 2006. Seitdem hat das Unternehmen sein ursprüngliches Design geändert, um den Reaktor eher wie ein konventioneller Reaktor aussehen zu lassen. Die Änderungen würden die Konstruktion und den Bau des Reaktors vereinfachen. Auch für den Reaktor hat das Unternehmen genaue Abmessungen und Leistungsparameter berechnet. Terrapower plant, 2016 mit dem Bau einer 500-Megawatt-Demonstrationsanlage zu beginnen und diese im Jahr 2020 in Betrieb zu nehmen. Das Unternehmen arbeitet mit einem Konsortium aus nationalen Labors, Universitäten und Unternehmen zusammen, um die wichtigste technische Herausforderung des neuen Reaktors zu meistern: die Entwicklung neuer Materialien, die dem Einsatz im Reaktorkern über Jahrzehnte standhalten. Es muss noch ein Standort für eine Versuchsanlage gesichert werden – oder die Finanzierung für den Bau.
Der Reaktor ist sicherer als konventionelle Kernreaktoren, da er keinen Strom benötigt, um Kühlsysteme zu betreiben, um eine Kernschmelze zu verhindern. Doch der neue Reaktor löst nicht das wohl größte Problem der Atomkraft heute: die hohen Baukosten. John Gilleland, CEO von Terrapower, sagt, das Unternehmen erwarte, dass der Bau der Reaktoren ungefähr so kostet wie der konventionelle, aber die Jury ist sich noch nicht einig.
Herkömmliche Reaktoren erzeugen Wärme und Strom durch die Spaltung einer seltenen Form von Uran – Uran 235. In einem Wanderwellenreaktor wird eine kleine Menge Uran 235 zum Anfahren des Reaktors verwendet. Die Neutronen, die der Reaktor produziert, wandeln dann das viel häufiger vorkommende Uran 238 in Plutonium 239 um, ein spaltbares Material, das die für die Kernkraft benötigte Wärme erzeugen kann. Uran 238 ist zum Teil leicht verfügbar, weil es ein Abfallprodukt der Anreicherungsverfahren ist, die zur Herstellung von konventionellem Kernbrennstoff verwendet werden. Auch die Gewinnung von Uran 238 aus Meerwasser könnte bei einem hohen Bedarf an Kernbrennstoff in Zukunft bezahlbar sein. Terrapower sagt, dass es genug von diesem Brennstoff gibt, um die Welt eine Million Jahre lang mit Strom zu versorgen, selbst wenn jeder so viel Strom verbrauchen würde wie die Menschen in den Vereinigten Staaten.
Im ursprünglichen Terrapower-Design war der Reaktorkern mit einer großen Sammlung von Uran 238 gefüllt. Der Umwandlungsprozess beginnt an einem Ende und produziert Plutonium, das sofort gespalten wird, um Wärme zu erzeugen und mehr Uran in Plutonium umzuwandeln. Die Reaktion bewegt sich von einem Ende zum anderen – in einer Wanderwelle – bis keine Reaktionen mehr auftreten können.
Im neuen Design finden die Reaktionen alle in der Nähe des Reaktorzentrums statt, anstatt an einem Ende zu beginnen und zum anderen zu wechseln. Im Zentrum des Reaktors sind zunächst Uran-235-Brennstäbe angeordnet. Um diese Stäbe herum befinden sich solche, die aus Uran 238 bestehen. Während die Kernreaktionen ablaufen, werden die Uran 238-Stäbe, die dem Kern am nächsten sind, zuerst in Plutonium umgewandelt, das dann in Spaltreaktionen verbraucht wird, die noch mehr Plutonium in nahegelegenem Brennstoff produzieren Stangen. Wenn die innersten Brennstäbe aufgebraucht sind, werden sie mit einer ferngesteuerten mechanischen Vorrichtung aus dem Zentrum geholt und an die Peripherie des Reaktors bewegt. Die verbleibenden Uran-238-Stäbe – einschließlich derer, die nahe genug am Zentrum waren, dass ein Teil des Urans in Plutonium umgewandelt wurde – werden dann in Richtung Zentrum verschoben, um den abgebrannten Brennstoff zu ersetzen.
Bei diesem System wird die Wärme immer etwa im gleichen Bereich innerhalb des Reaktorkerns erzeugt – in der Nähe des Zentrums. Dadurch ist es einfacher, die Anlagen so zu konstruieren, dass sie die Wärme abziehen und zur Stromerzeugung nutzen.
Eine Herausforderung bei dieser Konstruktion besteht darin, sicherzustellen, dass die Stahlhülle, die den Brennstoff in den Brennstäben enthält, einer jahrzehntelangen Strahlung standhalten kann. Aktuelle Materialien sind nicht gut genug: Zum einen beginnen sie zu quellen, was die Räume zwischen den Brennstäben, durch die Kühlmittel fließen soll, verschließen würde. Um 40 Jahre zu halten, müssten die Materialien zwei- bis dreimal haltbarer gemacht werden, sagt Terrapower.
Das Unternehmen verwendet Computermodelle, um vorherzusagen, wie sich die derzeit verfügbaren Materialien im Laufe der Zeit verändern würden, und entwickelt Reaktordesigns, die diese Veränderungen antizipieren. Wenn beispielsweise bekannt ist, dass ein Material unter den Bedingungen im Reaktor aufquellen würde, würden die Räume zwischen den Brennstäben so gestaltet, dass sie dieses Aufquellen aufnehmen, sagt Doug Adkisson, Betriebsleiter bei Terrapower.
Terrapower hat auch Designs für ein passives Kühlsystem entwickelt. Wie viele andere fortschrittliche Reaktorkonstruktionen verwendet Terrapower geschmolzenes Natriummetall als Kühlmittel. Natrium braucht viel länger zum Kochen als Wasser, was den Anlagenbetreibern mehr Zeit gibt, auf Unfälle zu reagieren. Auch die Nutzung natürlicher Konvektion und Luftkühlung bei Stromausfall wäre möglich – es müsste nicht wie in Fukushima ständig Kühlmittel in den Reaktor gepumpt werden. Eine Gefahr bei der Verwendung von Natrium besteht jedoch darin, dass es heftig reagiert, wenn es Luft oder Wasser ausgesetzt wird.
Zu den nächsten Schritten von Terrapower gehören die Fertigstellung des Designs und die Suche nach Partnern für den Bau der Anlagen. Es hat Gespräche mit Organisationen in China, Russland und Indien geführt. Laut Gilleland erwartet das Unternehmen in den nächsten Monaten eine Ankündigung zu Partnern.