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Ein möglicher Einstieg in die Fusionstechnologie

Veröffentlicht am 09.07.2013

Peaceful Nuclear Explosives (PNE)
Am Wochenende sind mir wieder einige mehr als zwanzig Jahre alte Veröffentlichungen über die Energieerzeugung durch kontrollierte Kernexplosionen in die Hände gefallen. Sie erscheinen mal wieder erwähnenswert, weil offensichtlich vergessen. Darüber hinaus bieten sie einige Erkenntnisse zu Salzbädern, Brüt- und Hybridkonzepten. Zur Einstimmung einige Fragen: Ist es möglich durch kontrollierte Kernexplosionen -- quasi Wasserstoffbomben -- elektrische Energie zu erzeugen? Könnte man solch einen "Reaktor" als Brutreaktor benützen, um Spaltmaterial für konventionelle Reaktoren zu erzeugen? Wäre das "politisch korrekt"? Die ersten beiden Fragen lassen sich ziemlich eindeutig mit ja beantworten, die letzte ebenso eindeutig mit nein -- heute jedenfalls noch!

Fusion

Bei der Kernfusion werden zwei leichte Elemente zu einem neuen Element "verschweißt". Hierfür sind extrem hohe Drücke und/oder Temperaturen nötig. Um diese erstmal zu erzeugen, sind gewaltige Energien nötig. Bisher ist es deshalb noch nicht gelungen, eine Fusionsmaschine zu bauen, die kontinuierlich mehr Energie erzeugt, als sie verbraucht. Durch die hohen Temperaturen und den hohen Druck ist das Medium sehr stark bestrebt, sich wieder auszudehnen. Bisher gibt es nur das Konzept eines extremen Magnetfelds zum dauerhaften Einschluß. Die zweite Entwicklungsschiene ist der Trägheitseinschluss: Man schießt mit mehreren Laserstrahlen gleichzeitig auf ein Wasserstoffkügelchen. Dieses Verfahren ist aber diskontinuierlich, da man immer nur einen Schuss ausführen kann. Insofern dürfte es sich weniger zur Stromerzeugung als zur Grundlagenforschung eignen.

Gleichwohl, wird bei der Kernfusion Energie erzeugt. Viel versprechend ist die Fusion von Deuterium und Tritium zu Helium. Deuterium kommt als "schweres Wasser" in der Natur vor. Tritium hingegen, muß wegen seiner geringen Halbwertszeit von rund 12 Jahren vorher erbrütet werden.

Kernspaltung

Schwere Atomkerne können durch Neutronen gespalten werden. Bei der Spaltung werden einige Neutronen frei, wodurch eine Kettenreaktion aufrecht erhalten werden kann. Wenn man zusätzlich noch "Spaltmaterial" (z. B. U233 aus Th232) erbrüten will, muß man neben dem für die nächste Spaltung notwendigen, noch ein weiteres Neutron zur Verfügung haben. Da man aber auch unvermeidliche Verluste hat, ist es gar nicht so einfach, Brutreaktoren zu bauen.

Hybride

Wenn man beispielsweise einen Urankern spaltet, setzt man rund 200 MeV Energie und im Mittel etwa 2,2 Neutronen frei. Wenn man einen Helium-4 Kern durch Fusion erzeugt, gewinnt man nur etwa 14 MeV Energie und ein Neutron. Will man also die gleiche Energie erzeugen, muß man dafür etwa 14 mal so viele Kerne fusionieren und erhält dadurch aber auch etwa 7 mal so viele Neutronen. Mit anderen Worten: Man hat genug zum "Brüten" übrig.

Kernexplosion

Will man nun eine Kernexplosion einer Fusion einleiten, muß man die zur Zündung erforderliche Leistung durch eine vorausgehende Kernspaltung bereitstellen. Dies ist das klassische Konzept einer "Wasserstoffbombe". Die Kernspaltung dient dabei nur als Zünder. Sie sollte daher so klein, wie technisch möglich sein. Der gewaltige Neutronenüberschuß kann zum "Erbrüten" von Tritium aus Lithium und Uran-233 aus Thorium genutzt werden. Beide können in einem geschlossenen Kreislauf für die nächsten Schüsse verwendet werden. Je weniger Material man zur Zündung spalten muß, je weniger Spaltprodukte erzeugt man.

Der Kernexplosions-Reaktor

Wie gesagt, "Wasserstoffbomben" zu bauen, ist Stand der Technik. Eine Weiterentwicklung müßte nur der Kostensenkung und der Sicherheit gegen Mißbrauch dienen. Beides geht in die gleiche Richtung: In einem Kern-Explosions-Kraftwerk kommt es nur auf das "Brennelement" an. Aus Sicherheitsgründen sollen ja gerade keine funktionstüchtigen Kernwaffen verwendet werden. Die Einleitung der Kettenreaktion bei der Zündung sollte durch eine stationäre "Maschine" erfolgen. Insofern würde sich das "Diebstahlsrisiko" auf das bekannte Risiko des Diebstahls von Spaltmaterial reduzieren.

Um die üblichen 1000 MWe eines konventionellen Kernkraftwerks zu erzeugen, müßte man etwa alle sieben Stunden einen 20 kT "Sprengsatz" (etwa Atombombe über Nagasaki) zünden oder besser alle 40 Minuten einen 2 kT "Sprengsatz". Dies mag für manchen Laien verblüffend sein, daß ein 1000 MWe Kraftwerk täglich mehr Energie erzeugt, als drei Nagasaki-Atombomben mit ihrer bekannten zerstörerischen Wirkung: Es ist der Unterschied zwischen Leistung und Energie. Eine Atombombe setzt ihre Energie in Bruchteilen von Sekunden frei. Allein dieser Zeitunterschied führt zu der verheerenden Explosion. Ganz neben bei, auch ein eindringliches Beispiel für den Unsinn, bei Windrädern und Sonnenkollektoren stets Leistung und Energie durcheinander zu rühren. Ein Windrad kann eben nicht x Personen-Haushalte versorgen, weil es den Leistugsbedarf nicht ständig erzeugen kann.

Aber nichts desto trotz, hat eine Kernwaffe eine ganz schöne Sprengkraft. Wie soll es funktionieren, damit ein Kraftwerk zu betreiben? Man fährt unterirdisch eine Kaverne auf. Für ein 1000 MWe Kraftwerk mit 2 kT-Explosionen müßte sie etwa einen Radius von 20 m und eine Höhe von 100 m haben. Um auch über einen Betrieb von geplant 30 Jahren die Stabilität zu erhalten, sollte sie komplett mit einem 1 cm Stahlblech-Containment ausgekleidet sein. Ist das Containment fest anliegend mit dem umliegenden Fels verschraubt, ergibt sich eine sehr standfeste Konstruktion. Der eigentliche Trick ist aber die Verdämmung der Explosionen. Wenn man von dem Kavernendach einen dichten Vorhang Flüssigkeitstropfen (es geht sogar Wasser) herabregnen läßt und die Explosion in diesem Schauer stattfinden läßt, wird der Feuerball regelrecht aufgefressen. Nahezu die gesamte Energie der Explosion führt auf den zahlreichen Oberflächen der Tropfen zu einer schlagartigen Verdampfung. Wählt man eine Salzschmelze mit ihrer extrem hohen Verdampfungstemperatur, wird dadurch die Explosionswelle in wenigen Metern abgebaut. Das Ergebnis ist eine Druckspitze von weniger als 30 bar, die auf die Wände wirkt. Innerhalb kürzester Zeit kondensiert der Dampf wieder und gibt seine Energie an die Salzschmelze ab. Sie ist jetzt erheblich heißer geworden. Die Salzschmelze wird kontinuierlich durch einen Wärmetauscher gepumpt, in dem sie Dampf erzeugt. Ab dieser Stelle, beginnt ein ganz konventioneller Kraftwerksteil zur Stromerzeugung.

Die Salzschmelze

Als Salz wird das bekannte Eutektikum FLiBe (Li2BeF4) aus 67% Berylliumfluorid (BeF2) und 32,9% Lithiumfluorid (LiF) mit einem Schmelzpunkt von 363 °C verwendet, sodaß sich eine Arbeitstemperatur um 500 °C einstellt. Es können einige Prozent Thoriumfluorid (ThF4) darin gelöst werden. Zusätzlich kann der Sprengkörper mit einer Schicht aus Beryllium als Neutronenmultiplikator und Thorium als Brutstoff umgeben werden. Wird die Salzschmelze reduzierend, das heißt mit einem Fluoridmangel angesetzt, kommt das Tritium als Tritiumgas vor und kann kontinuierlich abgezogen werden. Das erbrütete Uran-233 bildet ebenfalls Uransalz (UF4). Es kann recht einfach abgeschieden werden, indem es z. B. in das gasförmige Uranhexafluorid (UF6) umgeformt wird.

Bei diesem Reaktor kann der Anteil der Energieproduktion aus Spaltung und Fusion in weiten Grenzen verschoben werden. Bis zu 90 % Energie können theoretisch aus der Fusion gewonnen werden. Dies bedeutet neben einem geringen Anteil von Spaltprodukten eine sehr hohe Brutrate wegen des sehr hohen Neutronenüberschusses. Es ist zu erwarten, daß bereits auf der Basis heutiger Uran- und Strompreise, der wesentliche Erlös aus dem Verkauf von Spaltmaterial kommen würde. Dieses Reaktorkonzept bietet sich daher besonders für den Fall eines "verschlafenen" Einstiegs in eine Brüterflotte, bei plötzlich steigenden Uranpreisen, an.

Sicherheit

Wenn wirklich alles schief geht, hat man einen unterirdischen "Kernwaffentest". Die Anlage ist dann unwiederbringlich Totalschaden. Aber das war's auch schon. Allein die USA haben über 800 unterirdische Testexplosionen in Sichtweite von Las Vegas ausgeführt. Im Spitzenjahr 1962 praktisch an jedem dritten Tag eine.

Das Inventar an Spaltprodukten liegt bei diesem Reaktortyp unter einem Prozent gegenüber einem konventionellen Leichtwasserreaktor. Dies liegt einerseits daran, daß ein erheblicher Teil der Energie aus der Fusion mit dem Endprodukt Helium stammt und andererseits durch die Wiederaufbereitung zur Spaltstoffgewinnung auch ständig Spaltprodukte dem Kreislauf entzogen werden. Wie Simulationsrechnungen gezeigt haben, ist auch nach 30 Betriebsjahren und der Berücksichtigung von Aktivierungen durch Neutronenbeschuß von Stahlhülle und umliegenden Gestein, die Radioaktivität so gering, daß man den Rest einfach unter Beton beerdigen könnte. An dieser Stelle sei daran erinnert, daß bei der Verwendung von Thorium praktisch keine langlebigen Aktinoide entstehen.

Das Inventar an Tritium wäre unter 100 Ci, da es ja ständig abgezogen werden muß, um es verbrauchen zu können. Ein vollständiges Entweichen durch einen Unfall wäre kein besonderes Problem.

Proliferation

Es wäre ein Irrtum zu glauben, daß eine solche Anlage für Terroristen oder "Schurkenstaaten" ein Objekt der Begierde sein könnte. Die bei diesem Reaktortyp verwendeten Sprengkörper sind als Waffe ziemlich ungeeignet. Sie wären kaum zu transportieren oder zu lagern. Sie müßten wegen ihrer Vergänglichkeit eher vollautomatisch gefertigt und unmittelbar verbraucht werden. Ebenso wird man kaum den Weg der Zündung über chemische Sprengstoffe gehen. Dies wäre viel zu teuer. Man wird eher den Weg über eine stationäre Zündmaschine gehen. Die wird aber so groß werden, daß man sie kaum stehlen könnte.

Nachwort

Manchem mag das alles wie Science Fiction vorkommen. Ist es aber gar nicht. Es gibt kaum etwas, was besser erforscht ist als Kernwaffen. Es gibt auch nach wie vor kaum ein Fachgebiet was besser ausgestattet ist. Wo stehen denn stets die schnellsten Rechner, die besten Labors, die größten Laser etc.? Wenn man wollte, könnte man diesen Reaktortyp innerhalb von zehn Jahren bauen. Es wäre ein sicherer Einstieg in die Kernfusion und es wäre für die einschlägigen "Fachabteilungen" zumindest in USA und Rußland ein Routineauftrag. Weniger Forschung als Entwicklung.

Es geht hier nicht darum, Werbung für ein exotisches Kraftwerk zu machen. Es sollte nur an einem Beispiel gezeigt werden, wie unendlich breit das Gebiet der Kernenergie ist und welche Möglichkeiten es bieten würde. Eher geht es darum, daß der Blickwinkel -- gegenüber unseren Vätern -- sehr verengt worden ist. In den 1950er und 1960er Jahren hatte man noch eine Kreativität, wie sie heute vielleicht noch in der IT-Branche vorhanden ist. Technik war noch nicht negativ besetzt.

Es gab auch noch eine Hoffnung auf, und einen Willen zu einer besseren Zukunft. Die Angst- und Neidindustrie war noch gar nicht erschaffen. Der ganze Blödsinn von bald versiegenden Ölquellen, Uranvorkommen, "Treibhauseffekten", "Ozonlöchern" etc. konnte die Menschen noch nicht ängstigen. Es ist allerdings kein Zufall, daß sich alle Systemveränderer immer wieder auf die Energietechnik stürzen. Sie haben mehr als andere erkannt, daß Energie die "Master Resource" ist, ohne die nichts geht, aber mit deren Hilfe, fast alles möglich ist.

Niemand zwingt uns Menschen, mit Wind und Sonne wieder zurück ins Mittelalter zu gehen. Die resultierende Armut und die entgangenen Chancen wären freiwillig gewählt.