Laufwellen-Reaktor

Ein Laufwellen-Reaktor (englisch Traveling wave reactor, TWR) ist ein theoretisches Konzept eines Kernreaktortyps, der Brutmaterial in spaltbares Material umwandelt (Transmutation). Der TWR unterscheidet sich vom schnellen Brüter dadurch, dass er mit wenig oder gar keinem angereichertem Uran auskommt. Stattdessen verwendet er abgereichertes Uran, Roh-Uran, Thorium oder abgebrannte Brennelemente aus Leichtwasserreaktoren sowie Kombinationen aus vorgenannten Stoffen. Der Name leitet sich daraus ab, dass die Kernspaltung nicht im gesamten Reaktor stattfindet, sondern nur in einer bestimmten Zone des Reaktors, welche sich mit der Zeit durch den Kern ausbreitet.

Numerische Simulation eines Laufwellenreaktors, Rot U-238, Grün Pu-239, Blau Neutronendichte

Geschichte

Die Idee eines Laufwellenreaktors stammt aus den 1950er Jahren und wurde seitdem immer wieder aufgegriffen und weiter entwickelt. Das Konzept eines Reaktors, der seinen eigenen Brennstoff erbrüten kann, wurde erstmals 1958 von Saveli Feinberg erforscht. Feinberg sprach dabei vom Prinzip breed-and-burn^[1] (zu Deutsch erbrüten und verbrennen). Das Konzept wurde seither immer wieder aufgenommen. Zunächst 1979 von Michael Driscoll^[2], 1988 von Lev Feoktistov^[3], 1995 von Edward Teller & Lowell Wood^[4], 2000 von Hugo van Dam^[5], 2001 von Hiroshi Sekimoto^[6] und zuletzt 2006 von der Firma Intellectual Ventures.

Bisher gelang es noch keinem der vorgenannten Wissenschaftler und Institutionen, einen lauffähigen Laufwellenreaktor zu konstruieren, jedoch gründete Intellectual Ventures eine Schwestergesellschaft namens TerraPower mit dem Ziel, einen kommerziell einsatzfähigen TWR zu konzipieren und zu erbauen. TerraPower hat verschiedene Designs mit Ausgangsleistungen zwischen 300 MW und ≈1000 MW ausgearbeitet. 2010 bekam die Forschung am TWR erneuten Schwung, nachdem Bill Gates und auch die Firma Toshiba Interesse an dieser Technologie ankündigten.^[7]

Reaktorphysik

Artikel und Präsentationen zum TerraPower TWR^[8][9][10] beschreiben einen dem Schwimmbadreaktor ähnlichen Reaktor, der mit flüssigem Natrium gekühlt wird. Der Reaktor wird hauptsächlich mit abgereichertem Uran betrieben, benötigt aber eine geringe Menge von angereichertem Uran oder anderer spaltbarer Stoffe, um die Kernspaltung einzuleiten. Einige der schnellen Neutronen, die bei der Kernspaltung erzeugt werden, werden durch Neutroneneinfang im benachbartem Brutmaterial (z. B. nicht spaltbares abgereichertes Uran) durch eine anschließende Kernreaktion in Plutonium umgewandelt:

$\mathrm{^{238}_{\ 92}U\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{239}_{\ 92}U\ \xrightarrow[23,5 \ min]{\beta^-} \ ^{239}_{\ 93}Np\ \xrightarrow[2,3565 \ d]{\beta^-} \ ^{239}_{\ 94}Pu}$

Zu Anfang wird der Kern mit Brutmaterial befüllt. An einem Ende des Reaktorkerns wird eine geringe Menge von Spaltmaterial hinzugefügt. Sobald der Reaktor in Betrieb genommen wurde, wird der Kern in vier Zonen unterteilt:

• Die aufgebrauchte Zone, welche hauptsächlich Spaltprodukte und übriggebliebenen Brennstoff enthält.
• Die Spaltungszone, wo die Kernspaltung des erbrüteten Materials stattfindet.
• Die Brutzone, wo durch Neutroneneinfang neues spaltbares Material entsteht.
• Die „frische“ Zone, welche das unverbrauchte Brutmaterial enthält.

Die energieerzeugende Spaltungszone wandert mit der Zeit durch den Kern. Dabei wird das Brutmaterial auf der einen Seite verbraucht und auf der anderen Seite verbrauchter Brennstoff zurückgelassen. Die Wärme, die bei der Spaltung und der Brutreaktion entsteht, wird mit herkömmlichen Dampfturbinen in elektrische Energie umgewandelt.

Brennstoff

Anders als herkömmliche Reaktoren können TWRs beim Bau mit genug abgereichertem Uran befüllt werden, um bei voller Leistung für über 60 Jahre oder länger Energie zu produzieren.^[10] TWRs verbrauchen bezogen auf die elektrische Leistung wesentlich weniger Uran als bisherige Reaktoren, da TWRs den Brennstoff effizienter abbrennen und einen besseren thermischen Wirkungsgrad aufweisen. Der TWR erreicht eine Wiederaufarbeitung im laufenden Betrieb, ohne dass die für andere Brüterarten typische chemische Trennung stattfinden muss. Diese Eigenschaften reduzieren die Brennstoff- und Abfallmengen erheblich und erschweren Proliferation.^[9]

Abgereichertes Uran ist als Ausgangsbrennstoff reichlich verfügbar. Die Lagerbestände an abgereichertem Uran der Vereinigten Staaten bestehen gegenwärtig aus ca. 700.000 Tonnen. Es ist ein Abfallprodukt des Anreicherungsprozesses.^[11] TerraPower schätzt den Wert der damit erzeugbaren Elektrizität auf 100 Billionen USD.^[10] Wissenschaftler des Unternehmens haben außerdem errechnet, dass TWRs mit dem weltweit gelagerten abgereichertem Uran 80% der Weltbevölkerung mit einem Pro-Kopf-Stromverbrauch auf dem Niveau eines durchschnittlichen US-Bürgers über ein Jahrtausend lang versorgen könnten.^[12] Hinzu kommen noch ca. 4,5 Milliarden Tonnen Uran, welches sich in gelöster Form in Meerwasser befindet.^[13]

Prinzipiell könnten TWRs abgebrannte Brennelemente aus LWR verwenden. Dies ist möglich, da diese verbrauchten Brennelemente hauptsächlich aus abgereichertem Uran bestehen und da die Absorption der schnellen Neutronen des TWR an Spaltprodukten um einige Größenordnungen kleiner ist als die der thermischen Neutronen im LWR.

TWRs sind außerdem im Prinzip in der Lage, ihren eigenen Brennstoff wiederzuverwerten. Das abgebrannte Material aus dem TWR enthält immer noch spaltbares Material. Durch Umformung und Neuverkapselung in neue Pellets kann der Brennstoff ohne chemische Wiederaufarbeitung wieder in TWRs verwendet werden. Damit entfällt die Notwendigkeit der Urananreicherung.

Mögliche Probleme

Da die Konstruktion des Reaktors noch nicht real umgesetzt wurde, sind einige neue Probleme beim Bau zu lösen, die teilweise ähnlich sind wie bei anderen Brutreaktoren.

• Der Reaktor arbeitet bei ca. 550 °C (ca. 820 K) mit relativ hohen Kerntemperaturen (vgl. Leichtwasserreaktoren arbeiten bei 330 °C). Dadurch verkürzt sich die Lebensdauer der beteiligten Systeme.^[14]
• Durch den hohen Material- und Neutronenumsatz wird das Brennelement mechanisch sehr beansprucht.
• Bauartbedingt erfolgt die Erhitzung des Kerns nicht gleichmäßig, sondern in einer begrenzten Zone, welche die komplette Leistung des Reaktors erzeugt.
• Die geplante Natriumkühlung birgt ein inhärentes Sicherheitsrisiko. Daher ist zwischen dem Primärkreislauf und dem Wasser-Dampf-Kreislauf noch ein weiterer Natriumkreislauf zwischenzuschalten, damit im Fall einer Leckage nur nicht-radioaktives Natrium mit Wasser reagiert (siehe Brutreaktor).

Einzelnachweise

1. ↑ S. M. Feinberg: Discussion Comment. Rec. of Proc. Session B-10, ICPUAE, United Nations, Geneva, Switzerland (1958).
2. ↑ M. J. Driscoll, B. Atefi, D. D. Lanning: An Evaluation of the Breed/Burn Fast Reactor Concept. MITNE-229 (Dec. 1979).
3. ↑ L. P. Feoktistov: An analysis of a concept of a physically safe reactor. Preprint IAE-4605/4, in Russian, (1988).
4. ↑ E. Teller, M. Ishikawa, and L. Wood: Completely Automated Nuclear Reactors for Long-Term Operation. (Part I), Proc. Of the Frontiers in Physics Symposium, American Physical Society and the American Association of Physics Teachers Texas Meeting, Lubbock, Texas, United States (1995); Edward Teller, Muriel Ishikawa, Lowell Wood, Roderick Hyde, John Nuckolls: Completely Automated Nuclear Reactors for Long-Term Operation II : Toward A Concept-Level Point-Design Of A High-Temperature, Gas-Cooled Central Power Station System. (Part II), Proc. Int. Conf. Emerging Nuclear Energy Systems, ICENES'96, Obninsk, Russia (1996) UCRL-JC-122708-RT2. .
5. ↑ H. van Dam: The Self-stabilizing Criticality Wave Reactor. Proc. Of the Tenth International Conference on Emerging Nuclear Energy Systems (ICENES 2000), p. 188, NRG, Petten, Netherlands (2000).
6. ↑ H. Sekimoto, K. Ryu, and Y. Yoshimura: CANDLE: The New Burnup Strategy. Nuclear Science and Engineering, 139, 1–12 (2001).
7. ↑ Bill Gates will mit Mini-Meilern die Kernkraft revolutionieren. In: Spiegel-Online vom 23. März 2010
8. ↑ R. Michal and E. M. Blake: John Gilleland: On the traveling-wave reactor. Nuclear News, S. 30–32, September (2009).
9. ↑ ^{a b} M. Wald: 10 Emerging Technologies of 2009: Traveling-Wave Reactor. MIT Technology Review, März/April 2009
10. ↑ ^{a b c} Gilleland, John: TerraPower, LLC Nuclear Initiative. In: Spring Colloquium; 20. April 2009. University of California at Berkeley, abgerufen am Oktober 2009 (engl.). 
11. ↑ United States Department of Energy: Depleted UF6 Inventory and Storage Locations. Abgerufen im Oktober 2009
12. ↑ L. Wood, T. Ellis, N. Myhrvold and R. Petroski: Exploring The Italian Navigator’s New World: Toward Economic, Full-Scale, Low Carbon, Conveniently-Available, Proliferation-Robust, Renewable Energy Resources. 42nd Session of the Erice International Seminars on Planetary Emergencies, Erice, Italy, 19024 August (2009).
13. ↑ Julian Ryall: Japan plans underwater sponges to soak up uranium, Telegraph Media Group Ltd.. 16. Juni 2009. Abgerufen am 5. Juli 2009.  (englisch)
14. ↑ M. L. Wald: TR10: Traveling-Wave Reactor. In: Technology Review März/April 2009 (englisch)