Generation IV International Forum

Das Generation IV International Forum (GIF) ist ein Forschungsverbund, der sich der gemeinsamen Erforschung und Entwicklung zukünftiger Kernkraftwerke verschrieben hat. Diese Kraftwerke der sogenannten IV. Generation sollen ab dem Jahr 2030 einsatzfähig sein.

Geschichte

Das Generation IV International Forum wurde im Mai 2001 unter Federführung des United States Department of Energy von folgenden neun Nationen gegründet:

• Argentinien Argentinien
• Brasilien Brasilien
• Vereinigtes Konigreich Vereinigtes Königreich
• Frankreich Frankreich
• Japan Japan
• Kanada Kanada
• Sudafrika Südafrika
• Korea Sud Südkorea
• Vereinigte Staaten Vereinigte Staaten

Die Schweiz trat dem Forum 2002 bei, die Europäische Atomgemeinschaft stieß 2003 als elftes Mitglied zum GIF. 2006 wurden auch China und Russland Mitglieder.

• Schweiz Schweiz
• Europaische Union Europäische Union (Europäische Atomgemeinschaft)
• Russland Russland
• China Volksrepublik China

Argentinien, Brasilien und Großbritannien sind nichtaktive Mitglieder, das heißt sie sind (noch) nicht in die aktive Entwicklung eingebunden, profitieren aber von den Forschungs- und Entwicklungsergebnissen.^[1]

Entwicklungsziele

Die bisherigen Kernkraftwerke der Generation III und III+ (Europäischer Druckwasserreaktor) sind meist Leichtwasserreaktoren, die angereichertes Uran als Brennstoff verwenden. Wenn die Brennstäbe wieder aus dem Reaktor entfernt werden, enthalten sie zu 96 % unverbrauchtes Uran und 1 % Plutonium. Beides sind Stoffe, die im Prinzip zu neuen Brennelementen verarbeitet werden könnten. Die restlichen 3 % sind Spaltprodukte und höhere Actinoide, die den eigentlichen radioaktiven Abfall ausmachen. Es wird also ein Großteil des möglichen Brennstoffes in die Endlagerung überführt, auch langlebige Transurane. Im Falle der direkten Endlagerung der abgebrannten Brennelemente fallen pro Jahr bei einem großen Kernkraftwerk etwa 50 m³ hochradioaktive Abfälle an, im Falle der Wiederaufarbeitung sind es noch etwa 7 m³ pro Jahr, dafür ist allerdings der Betrieb einer Wiederaufarbeitungsanlage notwendig und das Volumen des schwach- und mittelaktiven Abfalls steigt auf das Fünffache.

Wenn das Erdöl zur Neige geht, wird außerdem die Bereitstellung von mehr Energie aus anderen Quellen notwendig sein. Je nach Anwendungsfall muss diese nicht immer in Form von elektrischer Energie vorliegen: Kernkraftwerke der IV. Generation sollen auch zur Wasserstoffherstellung (Schwefelsäure-Iod-Verfahren) und zur Produktion von XtL-Kraftstoffen (Kohleverflüssigung+Fischer-Tropsch-Synthese) Prozesswärme liefern, Fernwärmenutzung ist ebenfalls geplant.

Ziele für die Entwicklung der Kernkraftwerke der IV. Generation sind deshalb:

Nachhaltigkeit

• möglichst effektive Nutzung der zur Verfügung stehenden Kernbrennstoffe
• mögliche Nutzung alternativer Brennstoffe wie Thorium und Plutonium aus Kernwaffen
• Minimierung und weitestgehende Selbstverwertung von radioaktiven Abfällen
• möglichst nur Abfälle mit geringer Halbwertszeit (<100 Jahre)

Wirtschaftlichkeit

• geringere Lebenszykluskosten gegenüber anderen Energieformen
• mit anderen Energieformen vergleichbares finanzielles und technisches Risiko
• wirtschaftliche Kohleveredlung und Wasserstoffherstellung
• Fernwärmenutzung

Sicherheit

• hohe Sicherheitsstandards
• sehr geringe Wahrscheinlichkeit von schweren Reaktorschäden
• Eliminierung des Bedarfs an externer Notfallversorgung
• möglichst unattraktive Quelle für Diebstahl oder Abzweigung von spaltbarem Material
• Uran-Anreicherung sollte für den Betrieb nicht nötig sein
• möglichst sicher gegenüber terroristischen Anschlägen
• Containment mit Inertgas gefüllt, um Brände auszuschließen

Reaktortypen

Im Dezember 2002 wurde die sogenannte Technology Roadmap veröffentlicht, die sechs Reaktortypen beschreibt, die als geeignet angesehen werden, die Entwicklungsziele zu erreichen beziehungsweise diesen zu entsprechen.^[2] Jeder Reaktortyp wird hinsichtlich seiner Eigenschaften bewertet, sowie Forschungsschwerpunkte genannt, die bewältigt werden müssen, um die Einsatzreife des jeweiligen Typs zu erreichen.

Im Folgenden eine Übersicht über die sechs Reaktortypen mit kurzer Beschreibung, für Details sind die jeweiligen Fachartikel hinzuzuziehen. Es folgt bei jedem Typ eine kurze Auflistung seiner Vor- und Nachteile im Vergleich zu den anderen. Für die Vor- und Nachteile der Kernenergie allgemein sei auf den Artikel Kernenergie verwiesen. Ferner wurde die Entwicklung eines Reaktortyps auf die Mitglieder des GIF aufgeteilt, die Länderteams sind ebenfalls aufgelistet.^[3] Im Einzelnen handelt es sich um:

Höchsttemperaturreaktor

Schema eines Höchsttemperaturreaktors zur Wasserstoffproduktion

Brennstoffkugel, ca. 6 cm Durchmesser

(Very-High-Temperature Reactor, VHTR)

Der Hochtemperaturreaktor ist ein Konzept, bei dem der Kern in Form eines Prismen- oder Kugelhaufens vorliegt. Die Kugeln bestehen aus Graphit und besitzen im Inneren kleine Körner aus Uran- oder Thoriumkeramik, die 5% der Kugelmasse ausmachen. Das Graphit wirkt als Moderator und schützt den Brennstoff vor der Umgebung im Reaktor. Der Haufen wird mit gasförmigem Helium durchspült, um die Wärme abzuführen. Das Gas besitzt eine Kernaustrittstemperatur von über 1000°C und wird anschließend direkt in einer Turbine entspannt. Die geringe Leistungsdichte von 6 MW/m³ macht den Höchsttemperaturreaktor inhärent sicher, d.h. es kann keine Kernschmelze stattfinden. Mit zunehmender Temperatur des Reaktors erhöht sich die thermische Geschwindigkeit der Brennstoffatome, was die Wahrscheinlichkeit des Neutroneneinfangs durch ²³⁸Uran erhöht und dadurch die Reaktionsrate reduziert. Bauartbedingt gibt es also eine maximale Reaktortemperatur; wenn diese unterhalb des Schmelzpunktes des Reaktormaterials liegt, kann keine Kernschmelze stattfinden. Dafür muss allerdings sichergestellt sein, dass der Reaktor die entstehende Wärme passiv nach außen abstrahlen kann. Die hohe Kernaustrittstemperatur kann als Prozesswärme im Schwefelsäure-Iod-Verfahren verwendet werden, um Wasserstoff herzustellen oder um Kohle zu veredeln (XtL-Kraftstoff).^[4]

Vorteile:

• hoher Wirkungsgrad (50%)
• keine Kernschmelze möglich
• Uran und Thorium als Brennstoff möglich
• Helium wird nicht radioaktiv
• druckloser Kreislauf
• Prozesswärme für Wasserstoffherstellung oder Kohleveredelung

Nachteile:

• Graphit als Moderator
• hohe thermische Lasten

Entwicklungsteam: Kanada, China, Euratom, Frankreich, Japan, Korea, Schweiz, USA, Südafrika

Überkritischer Leichtwasserreaktor

Schema eines überkritischen Leichtwasserreaktors

(Super-Critical Water-Cooled Reactor, SCWR)

Der Überkritische Leichtwasserreaktor ist ein thermischer Reaktor, der überkritisches Wasser als Arbeitsmedium verwendet. Der Aufbau entspricht einem Siedewasserreaktor mit einem einfachen Kreislauf, das Arbeitsmedium Wasser befindet sich aber stets über dem kritischen Punkt, es finden also im Primärkreislauf keine Phasenübergänge statt. Die Kerntemperatur ist höher als bei Siede- und Druckwasserreaktoren. Das Wasser wird in einem einfachen Kreislauf in die Turbine gespeist, um Energie zu gewinnen. Das superkritische Wasser wirkt als Moderator, jedoch werden die Neutronen nur teilweise moderiert, um die Leistungsdichte zu erhöhen und um die Transmutation von Actinoiden zu ermöglichen. Der Vorteil liegt im einfachen preisgünstigen Aufbau der Anlage und in hohen Wirkungsgraden (bis 45%). Wegen des hohen Druckes im Kreislauf ist das Containment dicker.^[5]

Vorteile:

• hoher Wirkungsgrad (45%)
• einfacher Aufbau
• Transmutation langlebiger Radionuklide in kurzlebigere durch schnelle Neutronen

Nachteile:

• Turbine wird wie im Siedewasserreaktor kontaminiert
• extremer Druck im Kreislauf (250 bar)
• stärkeres Containment notwendig
• Wasser kondensiert bei Kühlmittelverluststörfall, die Leistung steigt kurz an ("Höcker")
• Voidkoeffizient je nach Konstruktion und Beladung leicht positiv oder stark negativ

Entwicklungsteam: Kanada, Euratom, Japan

Flüssigsalzreaktor

Schema eines Flüssigsalzreaktors

Flüssiges F-Li-Be Salz

(Molten Salt Reactor, MSR)

In einem Flüssigsalzreaktor wird flüssiges Salz als Kühlmittel und Brennstoffträger verwendet. Versuche fanden bereits in den 1960er Jahren statt, um nuklear angetriebene Bomber damit auszustatten. Der Flüssigsalzreaktor besitzt 3 Kreisläufe. Im ersten dient ein Salz als Kühlmittel, zum Beispiel 2LiF–BeF₂. In das Salz wird der Brennstoff gemischt, der ebenfalls als Salz vorliegt. In Frage kommen hier ²³⁵UF₄ und ²³²ThF₄ als 1 bis 2-prozentige Beimischung. Es gibt auch Überlegungen, waffenfähiges Plutonium als Brennstoff ²³⁹PuF₃ zu verwenden, das bei der Verschrottung von Kernwaffen anfällt.^[6] Das durch die Hitze flüssige Salz wird durch einen „Reaktorkern“ aus Graphit gepumpt. Da Graphit als Moderator wirkt, kommt es hier zu Kernspaltungen, das Salz erhitzt sich auf fast 800 °C. Nach Verlassen der Reaktionszone fließt das Kühlmittel zum ersten Wärmetauscher. Die Wärme wird dort an einen zweiten Flüssigsalzkreislauf abgegeben, der ohne Brennstoffe zirkuliert und Kontaminationen bei Wärmetauscherlecks vorbeugen soll. Die Wärme wird schließlich an den dritten Kreislauf abgegeben, der einen Turbosatz antreibt. Unter dem Graphitkern befindet sich ein wassergekühltes Ventil, das durchschmilzt, falls die Kühlung ausfallen sollte, abgeschaltet wird oder die Temperatur im Brennstoffkreislauf zu hoch wird. Die Schwerkraft lässt das Salz in Tanks fließen. Die Tanks sind gekühlt, um die Nachzerfallswärme aufzunehmen (stehen zum Beispiel in einem Wasserbecken), und so angeordnet, dass keine kritische Masse der Schmelze zustande kommt.^[7]

Vorteile:

• Reaktorkern ist bereits geschmolzen
• ¹³⁵Xe kann problemlos abgesaugt und aus dem Primärkreislauf entfernt werden
• Reaktorschnellabschaltung erfolgt konstruktionsbedingt automatisch
• druckloser Primär- und Sekundärkreislauf
• kleine Bauweisen möglich
• Uran, Thorium und möglicherweise auch Plutonium als Brennstoff möglich
• Prozesswärme für Wasserstoffherstellung oder Kohleveredelung

Nachteile:

• Li-7 muss im Primärkreislauf verwendet werden, da sonst Fluorwasserstoff entsteht
• drei Kreisläufe
• Graphit als Moderator

Entwicklungsteam: Euratom, Frankreich

Schneller gasgekühlter Reaktor

Schema eines schnellen gasgekühlten Reaktors

(Gas-Cooled Fast Reactor, GFR)

Der schnelle gasgekühlte Reaktor verwendet schnelle Neutronen zur Spaltung des Brennstoffs und einen direkten Heliumkreislauf, um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Die Leistungsdichte des Kerns ist höher als bei Hochtemperaturreaktoren. Als Brennstoff kommen Uran, Thorium oder Plutonium oder Mischungen davon zum Einsatz. Der Brennstoff liegt in keramischer Form vor und ist dadurch sehr temperaturbeständig, ebenfalls sind mit Keramik umhüllte Brennelemente denkbar. Durch die Verwendung von unmoderierten Neutronen kommt es auch zu Transmutationen von Transuranen, was den Atommüll reduziert. Der Reaktorkern ist aus nadel- oder plattenförmigen Brennstoffanordnungen oder prismatischen Blöcken aufgebaut. Die hohe Kernaustrittstemperatur von etwa >850°C kann als Prozesswärme im Schwefelsäure-Iod-Verfahren verwendet werden, um Wasserstoff herzustellen oder zur Kohleveredelung (XtL-Kraftstoff).^[8]

Vorteile:

• einfacher Aufbau
• Helium als Kühlmittel wird nicht radioaktiv
• extrem temperaturbeständiger Kern (Schmelzpunkt Thoriumdioxid 3390 °C)
• Prozesswärme für Wasserstoffherstellung oder Kohleveredelung
• Transmutation langlebiger Radionuklide in kurzlebigere durch schnelle Neutronen

Nachteile:

• hohe thermische Lasten
• hoher Neutronenfluss

Entwicklungsteam: Euratom, Frankreich, Japan, Schweiz

Schneller natriumgekühlter Reaktor

Schema des schnellen natriumgekühlten Reaktors

(Sodium-Cooled Fast Reactor, SFR)

Der schnelle natriumgekühlte Reaktor ist ein Brutreaktor, das heißt er kann mehr Brennstoff produzieren als er selbst verbraucht. Die Effizienz soll durch das Erbrüten von Plutonium aus Natururan gesteigert werden. Der Reaktor verwendet schnelle Neutronen, um die Kernspaltung aufrechtzuerhalten. Wenn der Reaktor überhitzt, erhöht sich die thermische Geschwindigkeit der Uranatome, was die Wahrscheinlichkeit des Neutroneneinfangs durch ²³⁸Uran erhöht und dadurch die Spaltungsrate reduziert. Der Reaktor ist somit allein durch das physikalische Verhalten der enthaltenen Brennstoffe vor einer Kernschmelze geschützt, ohne dass zusätzliche Sicherheitsvorrichtungen erforderlich wären. Zur Wärmeabfuhr wird flüssiges Natrium verwendet, die Kernaustrittstemperatur beträgt maximal 550°C. Der Reaktorkern sitzt in einem Becken aus flüssigem Natrium. Über einen Wärmetauscher wird die Wärme an einen zweiten Natriumkreislauf abgegeben, dieser dient bei Leckagen als Schutz, da Natrium sehr reaktionsfreudig ist. Im dritten Kreislauf wird Wasser verdampft, um einen Turbosatz anzutreiben.^[9]

Vorteile:

• Erbrüten von Brennstoff
• passiv sicher
• druckloser Primär- und Sekundärkreislauf
• Transmutation langlebiger Radionuklide in kurzlebigere durch schnelle Neutronen

Nachteile:

• drei Kreisläufe
• das als Kühlmittel eingesetzte Natrium ist sehr reaktionsfreudig
• komplexes, teures System
• Erbrüten von waffenfähigem Plutonium

Entwicklungsteam: China, Euratom, Frankreich, Japan, Korea, USA

Schneller bleigekühlter Reaktor

Schema eines schnellen bleigekühlten Reaktors

(Lead-Cooled Fast Reactor, LFR)

Der schnelle bleigekühlte Reaktor verwendet schnelle Neutronen und eine eutektische Blei/Wismut-Legierung zur Wärmeabfuhr. Das System wird auch als "nukleare Batterie" bezeichnet, da es Jahrzehnte (15 bis 20 Jahre) ohne Neubefüllung betrieben werden kann. Es gibt keine Pumpen im Primärkreislauf, gekühlt wird durch natürliche Konvektion. Der Brennstoff liegt in metallischer Form vor und besteht aus angereichertem ²³⁵Uran, MOX und Transuranen. Durch die lange Verweildauer der Brennelemente im Reaktor ist die Wahrscheinlichkeit einer Kernspaltung pro einzelnem Atom über die Zeit erhöht, das heißt auch Teilchen mit kleinem Wirkungsquerschnitt (Barn) können gespalten werden oder zumindest transmutieren. Die Kernaustrittstemperatur beträgt ungefähr 560°C, die maximale Temperatur des mit Kohlendioxid als Arbeitsgas betriebenen Joule-Kreisprozesses 400°C. Der Wirkungsgrad beträgt etwa 44%. Das Blei muss immer flüssig gehalten werden, da der Reaktor sonst unbrauchbar würde.^[10][11]

Vorteile:

• geringe thermische Lasten
• druckloser Primärkreislauf
• keine Pumpen
• Blei besitzt hohen Siedepunkt und gute Abschirmungseigenschaften
• Transmutation langlebiger Radionuklide in kurzlebigere durch schnelle Neutronen

Nachteile:

• Blei als Kühlmittel muss flüssig bleiben

Entwicklungsteam: Euratom, Japan

Weblinks

• Homepage des GIF
• Technology Roadmap des Gen IV
• Updated Generation IV Reactors Integrated Materials Technology Program Plan Revision 2
• Erläuterung der Generation IV vom Forschungszentrum Karlsruhe (PDF; 1,12 MB)
• Enthält Berichte der US-Regierung über Reaktorbauarten, über 10.000 Seiten der vergangenen 50 Jahre

SCWR

• SCWR Berechnungen Idaho National Laboratory
• SCWR Berechnung mit schnellen Neutronen, Uni Stuttgart

Quellen

1. ↑ http://www.gen-4.org/GIF/About/membership.htm
2. ↑ http://www.euronuclear.org/info/generation-IV.htm
3. ↑ http://www.gen-4.org/images/flash/intro/index.html Seite 21
4. ↑ http://www.gen-4.org/Technology/systems/vhtr.htm
5. ↑ http://www.gen-4.org/Technology/systems/scwr.htm
6. ↑ http://home.earthlink.net/~bhoglund/uri_MSR_WPu.html
7. ↑ http://www.gen-4.org/Technology/systems/msr.htm
8. ↑ http://www.gen-4.org/Technology/systems/gfr.htm
9. ↑ http://www.gen-4.org/Technology/systems/sfr.htm
10. ↑ http://www.gen-4.org/Technology/systems/lfr.htm
11. ↑ http://nuclear.inl.gov/gen4/lfr.shtml