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Der LFTR – ein Reaktor mit Salzbad

Veröffentlicht am 20.02.2016

Immer massiver wird für ein völlig neuartiges Reaktorkonzept geworben, den Liquid-Fluorid Thorium Reactor (LFTR). Dieses Konzept bricht radikal mit den Prinzipien der heutigen Leichtwasserreaktoren: Thorium in der Form als Salz für Brennstoff und Kühlmittel und integrierte Wiederaufbereitung.

Warum Thorium?

Thorium und Uran sind die einzigen in der Natur vorkommenden Elemente zur Gewinnung von Energie durch Kernspaltung. Thorium kommt etwa vier mal häufiger vor und ist wesentlich gleichmäßiger verteilt. Es gibt bereits große Mengen als Abfall aus der Gewinnung seltener Erden. In Indien und Brasilien gibt es ganze Strände, die aus thoriumhaltigem Sand bestehen. Eine verlockende zusätzliche und nahezu unerschöpfliche Energiequelle. Uran und Thorium zusammen, könnten den gesamten Energieverbrauch der Menschheit mindestens für Jahrtausende decken.
Aus Thorium läßt sich – anders als aus natürlichem Uran – kein Reaktor mit einer sich selbst erhaltenden Kettenreaktion bauen. Man muß das Thorium zuerst in Uran umwandeln. Dieser “Brutprozess” soll in in dem LFTR-Reaktor integriert werden. Um eine optimale Ausbeute zu erhalten, soll es jeweils einen “Brutkreislauf” (in dem Thorium in Uran umgewandelt wird) und einen “Spaltkreislauf” (in dem die gewünschte Energieerzeugung stattfindet) in dem Reaktor geben. Wenn ein Thorium–232-Kern ein Neutron einfängt, bildet sich Thorium–233. Dieses zerfällt mit einer Halbwertszeit von knapp 22 Minuten in Protactinium–233 und anschließend erst mit einer Halbwertszeit von 27 Tagen in Uran–233. Mit anderen Worten, erst nach rund einem Jahr ist die (nahezu vollständige) Umwandlung von Thorium in ein brauchbares Spaltmaterial erfolgt. In dieser Zeit, sollten die Zwischenprodukte keinen weiteren Neutronen ausgesetzt sein, da sich sonst unerwünschte Elemente bilden könnten.
Thorium hat im Gegensatz zu Uran nur etwa 232 anstelle von 238 Protonen und Neutronen in seinem Kern. Da immer nur ein Neutron eingefangen werden kann, dauert es bei Thorium wesentlich länger und ist wesentlich unwahrscheinlicher, bis sich “überschwere” Kerne gebildet haben. Genau diese Kerne (z. B. Plutonium, Americium, Curium usw.) sind aber für die Langlebigkeit von “Atommüll” verantwortlich. Entstehen sie erst gar nicht, ist der “Atommüll” relativ harmlos und seine technische Lagerung bis zum (nahezu) vollständigen Zerfall reduziert sich auf Jahrzehnte bis Jahrhunderte.

Warum Salzschmelze als Betriebsmittel?

Man kann Thorium auch in anderen Reaktorkonzepten (Kugelhaufen-, Schwerwasserreaktoren etc.) nutzen. Umgekehrt kann man auch bei Salzschmelzen Uran oder Plutonium einsetzen. Es muß also noch andere Gründe geben.
Ein Alleinstellungsmerkmal des LFTR ist die integrierte Wiederaufbereitung. Nur bei der ersten Beladung muß Spaltstoff aus anderen Quellen hinzugefügt werden. Ist der Reaktor erst einmal im Gleichgewicht, wird nur noch Thorium dem Brutkreislauf hinzugefügt und Spaltstoffe aus dem Spaltungskreislauf abgezogen. Wegen der geringen Mengen wird eine Lagerung auf dem Gelände des Kraftwerks vorgeschlagen. Später kann dann über eine etwaige Endlagerung entschieden werden. Da die Spaltstoffe recht kurzlebig sind und (langlebige) Aktinoide praktisch nicht im Abfall vorhanden sind, erscheint eine industrielle Nutzung (Abklingzeit je nach Verwendungszweck) eher wahrscheinlich.
Grundsätzlich kann man den Brennstoff in fester Form in Brennelemente einschließen oder in einer Flüssigkeit auflösen. Im ersten Fall müssen die Brennelemente durch eine Flüssigkeit oder ein Gas gekühlt werden. Im zweiten Fall erhitzt sich die Flüssigkeit infolge der Kernspaltung und kann durch einen Wärmeübertrager gepumpt werden, in dem sie ihre Energie an ein Arbeitsmedium bzw. ein Kühlmittel abgibt. So gesehen, besteht kein großer Unterschied zwischen beiden Systemen. Bei Brennelementen muß der gesamte Spaltstoff für die gesamte Betriebszeit des Brennelementes schon am Anfang in dieses eingebracht werden (Überschußreaktivität) und umgekehrt enthalten sie beim Ausladen alle Spaltprodukte der vollständigen Betriebsdauer. Bei flüssigem Brennstoff kann dieser kontinuierlich gereinigt werden. Bei einem schweren Störfall (z. B. Fukushima) braucht man auch nur von der Freisetzung einer kleinen Menge ausgehen. Das kann einen entscheidenden Sicherheitsgewinn bedeuten.
Mit Salzschmelzen kann man hohe Temperaturen erreichen und bleibt trotzdem auch bei geringem Druck noch weit vom Siedepunkt entfernt. Die oft als Argument angegebene “Drucklosigkeit” ist aber etwas übertrieben. Schließlich muß das Salz beständig durch die (engen) Kanäle des Kerns hindurch gepumpt werden. Der Druckverlust ist erheblich, sodaß man beim LFTR von einem erforderlichen Druck hinter der Pumpe von 11 bar ausgeht.

Fluoride als Salz für Brennstoff und Brutstoff

Als besonders geeignet hat sich ein Salz der Zusammensetzung 2*LiF2-BeF2-XF4 herausgestellt. Lithium (Li) und Beryllium (Be) bilden das Grundgerüst, in dem Uran–233 (X) bzw. Thorium–232 (X) in der erforderlichen Menge gelöst sind. Diese Stoffe sind nicht ganz unproblematisch:

  • Lithium kommt in der Natur in den Isotopen Li–6 (7,4%) und Li–7 (92,6%) vor. Li–6 ist ein starkes Neutronengift. Wenn es ein Neutron einfängt, bildet sich radioaktives Tritium. Es kann als Wasserstoff explosive Gase bilden, die nach der Reaktion mit Sauerstoff zu “radioaktivem” Wasser führen. Alles unerfreuliche Nebeneffekte. Man verwendet daher abgereichertes Lithium, das aber recht teuer ist.
  • Beryllium und auch Berylliumfluorid sind sehr giftig und werden als krebserregend eingestuft. Wenn es ein Neutron einfängt, bildet es Helium und setzt dabei zwei Neutronen frei. Es wirkt dabei sowohl als Moderator, wie auch als Neutronenvervielfacher.
  • Fluor und Fluorwasserstoff sind gasförmig und sehr giftig. Fluor ist äußerst reaktionsfreudig und geht mit fast allen Elementen stabile chemische Verbindungen ein. Mit Wasserstoff reagiert es letztendlich zu Flußsäure, die sogar Glas ätzt.
  • Die Lithium-Beryllium-Salze sind zwar chemisch sehr beständig, haben einen hohen Verdampfungspunkt und man hat vielfache praktische Erfahrungen mit ihnen in der chemischen Industrie. In einem Kernreaktor ist aber besonders, daß mit jeder Kernspaltung auch die chemische Verbindung zerstört wird und neue chemische Elemente in Form der Spaltprodukte entstehen. Man hat es deshalb stets auch mit elementarem Fluor zu tun, der auch gern mit dem Strukturmaterial reagieren kann. Ferner muß man für die Wiederaufbereitung ständig mit Fluor und Beryllium umgehen, um neues “Brennstoff- und Brutsalz” zu bilden. Ähnliches gilt am anderen Ende des Prozesses bei der Abscheidung der Spaltprodukte. Hier muß noch eine Menge Entwicklungsarbeit geleistet werden und unbedingt Erfahrungen bei einer großtechnischen Anwendung im Alltagsbetrieb gewonnen werden.

Da Fluoride sehr reaktionsfreudig sind, reagieren sie auch mit dem größten Teil der Spaltprodukte und binden diese sicher ein. Es gibt aber zwei Ausnahmen: Edelmetalle und Edelgase. Die Edelmetalle lagern sich innerhalb der Anlage ab und führen zu “Verschmutzungen”, die man regelmäßig und aufwendig wird entfernen müssen. Die Edelgase müssen durch Helium ständig aus dem Salz herausgespült werden.

Der Aufbau des LFTR-Kraftwerks

Aus Thorium läßt sich sehr gut Uran–233 mit thermischen Neutronen erbrüten. Für die Spaltung sind thermische Neutronen ohnehin besser geeignet. Da selbst das enthaltene Beryllium nicht zur entsprechenden Abbremsung ausreicht, ist Kohlenstoff als Moderator vorgesehen. Damit kommt man zu der bekannten Struktur aus Graphitblöcken, die von Kanälen für die Salze und Einbauten durchzogen sind. Ein Bauprinzip, das schon bei den englischen Gasreaktoren und den russischen Reaktoren vom “Typ Tschernobyl” nicht unbedingt überzeugt hat. Das Graphit wird von der Salzschmelze lediglich benetzt. Nach kurzer Zeit werden die Poren des Graphits vom Salz so verstopft, daß keine Spaltprodukte in das Graphit einziehen. Graphit verändert jedoch durch den Neutronenbeschuß seine Geometrie. Infolge der jahrzehntelangen Erfahrungen mit gasgekühlten Reaktoren in GB kann man dieses Phänomen inzwischen gut vorausberechnen und beherrschen.
Wegen der bereits beschriebenen Reaktionskette: Thorium über Protactinium zu Uran–233, hält man Brutstoff (sog. blanket salt) und Brennstoff (sog. fuel salt) fein säuberlich in zwei Flüssigkeitskreisläufen getrennt. Man will aus dem Thorium möglichst reines Uran–233 erbrüten. Insofern macht es keinen Sinn, das Protactinium oder das Uran–233 weiterem Neutronenbeschuß auszusetzen. Der Brutkreislauf soll keine Wärme produzieren, die Spaltung soll erst im Brennstoffkreislauf stattfinden. Gleichwohl setzt der Zerfall des Th–233 (geringe Halbwertszeit von 22 Minuten) beträchtliche Energie frei und es läßt sich nicht chemisch abtrennen. Der Brutkreislauf muß deshalb über eine geeignete Notkühlung verfügen.
Wegen der Trennung zwischen Brut- und Spaltkreislauf ergibt sich eine recht komplexe Reaktivitätssteuerung. Man kann die Reaktivität erhöhen, indem man die Urankonzentration im Spaltkreislauf erhöht. Dies kann zwar nur langsam, aber kontinuierlich geschehen. Der Brutkreislauf “verschluckt” laufend Neutronen, wodurch er wie ein großer Regelstab wirkt. Deshalb ist bei diesem Reaktorkonzept der Verlust der Salzschmelze im Brutbereich, ein wichtiger Auslegungsstörfall. Zur Feinregulierung und Schnellabschaltung sind zusätzliche Regelstäbe notwendig. Diese sollen auf den Salzschmelzen schwimmen, sodaß sie bei einem Leck automatisch in den Reaktor einsinken. Weiterhin sind auch mit Gas gefüllte Kanäle zur Regelung vorgesehen. Über den Gasdruck kann damit das Salzvolumen und damit die Reaktivität gesteuert werden.
Der gesamte Kern, mit all seinen Einbauten befindet sich in einem Tank aus Hastelloy N. Einer Legierung die zu 94% aus Nickel, Chrom und Molybdän besteht. Diese Legierung wurde an den Oak Ridge National Laboratories für den Einsatz bei Fluorsalzen entwickelt. Dies dürfte der Werkstoff der Wahl für solche Reaktoren sein, da heiße Fluorsalze sehr korrosiv wirken können.
Die Salzschmelze wird permanent durch den Reaktor und einen Wärmeübertrager gepumpt. Im Kern werden die Neutronen im Graphit abgebremst. Nur hier, in diesem Bereich, kann eine selbsterhaltende Kettenreaktion stattfinden. Durch die Kernspaltungen erwärmt sich das Salz entsprechend. Diese Wärme wird in dem Wärmeübertrager an das Salz des Sekundärkreislaufes übertragen. Der Primärkreislauf ist durch einen gefrorenen Pfropfen in der Leitung zu dem Sicherheits-Lagertank getrennt. Dieser Pfropfen wird im Betrieb ständig gekühlt. Tritt eine Überhitzung im Reaktor ein, schmilzt er und gibt dadurch den Weg in den Tank frei. Im Tank bricht die Kettenreaktion sofort zusammen. Hier entsteht nur noch die Nachzerfallswärme, die wegen der permanenten Aufbereitung viel geringer als in herkömmlichen Leichtwasserreaktoren ist. Sie kann leicht über (z. B.) die Oberfläche des Tanks an die Umgebung abgegeben werden. Umgekehrt muß eine Heizung vorhanden sein, die das Salz aufschmelzen kann.

Das Arbeitsmedium

Zwischen dem Primärkreislauf des Reaktors und dem Arbeitsmedium befindet sich ein Sekundärkreislauf aus Salzschmelze. Dieser hat zwei entscheidende Sicherheitsfunktionen:

  • Das Arbeitsmedium CO2 steht unter einem Druck von etwa 200 bar. Bei einer Leckage im Wärmeübertrager steigt der Druck zwar im Sekundärkreislauf stark an, aber nicht im Reaktor. Er ist durch Sicherheitseinrichtungen abgesichert. Das austretende Salz ist kaum radioaktiv.
  • Die Wärmeübertragung zwischen zwei Salzströmen ist sehr gut. Der reaktorseitige Wärmeübertrager kann damit klein ausfallen und damit auch das Volumen an Spaltstoff und Spaltprodukten im Reaktor.

Bisher hat man bei allen Kernkraftwerken (und konventionellen Kraftwerken) einen Dampfkreislauf mit Dampfturbine und Kondensator zur Umwandlung von Wärme in mechanische Energie verwendet. Beim LFTR ist das anders: Hier will man einen geschlossenen Gasturbinenkreislauf (Turbineneintritt: 550 °C, 198 bar; Turbinenaustritt: 440 °C, 79 bar) mit überkritischem CO2 verwenden. Die Turbine treibt neben dem Generator zur Stromerzeugung zwei Verdichter zur Druckerzeugung an. Das Abgas der Turbine wird benutzt um den Gasstrom vor dem Eintritt in den Salz/Gas-Wärmeübertrager vorzuwärmen. Durch diese sog. “regenerative Vorwärmung” verbessert sich der Wirkungsgrad ganz erheblich. Der Wirkungsgrad des LFTR soll auch bei trockener Luftkühlung über 40% betragen. Ein Vorteil für trockene Landstriche.
Als Hauptgrund für die Abkehr von Wasser als Arbeitsmedium, wird die relativ hohe Produktion von Tritium bei diesem Reaktorkonzept genannt. Reagiert es mit Sauerstoff, ergibt sich “radioaktives Wasser”, welches sich praktisch immer mehr im Wasserkreislauf (Halbwertszeit 12,3 Jahre) anreichern würde. Hingegen ist es relativ einfach, dieses Wasser aus dem CO2 zu entfernen.

Die Chemiefabrik im Kraftwerk

Der LFTR ist ein Brutreaktor mit integrierter Aufbereitung. Es ist nicht einfach ein Kernkraftwerk, das mit Thorium betrieben wird. Das Konzept des flüssigen Brennstoffs (Salzschmelze) erfordert eine kontinuierliche Entfernung der Spaltprodukte und eine kontinuierliche Zuführung von frischem Brutmaterial (Thorium) und Spaltstoff (erbrütetes Uran–233).
Aus dem Brutkreislauf wird kontinuierlich das Protactinium und das Uran–233 abgeschieden. Zu diesem Zweck wird flüssiges Wismut, in dem metallisches Thorium und Lithium gelöst sind, mit einem Teilstrom des Brutmaterials vermischt. Chemisch betrachtet (reductive extraction), “tauschen” Thorium und Lithium mit dem Protactinium und Uran die Plätze. Das nun gereinigte Salz, wird mit Thorium und Lithium ergänzt dem Reaktor wieder zugeführt.
Das Wismut wir in einem weiteren Schritt wieder “gereinigt”, in dem alle in ihm gelösten Metalle elektrolytisch oxidiert werden. Sie werden einem Lagertank zugeführt, in dem weiterhin Protactinium (Halbwertszeit 27 Tage) zu Uran zerfallen kann. Das so gereinigte Wismut wird in einer weiteren Zelle elektrolytisch reduziert und der Waschkolonne für das Brutmaterial erneut zugeführt.
Der Strom aus dem Lagertank, wird in einem weiteren Verfahrensschritt mit gasförmigem Fluor in Kontakt gebracht. Hierdurch bildet sich gasförmiges Uranhexafluorid, das so leicht abgezogen werden kann. Die Restflüssigkeit wird an geeigneter Stelle dem vorher beschriebenen Kreislauf wieder zugeführt.
Das Uranhexafluorid wir in einem weiteren Verfahrensschritt mit Wasserstoff reduziert, damit es anschließend dem Brennstoffkreislauf des Reaktors zugeführt werden kann.
Ähnlich muß auch das Brennstoffsalz behandelt werden. Ein Teilstrom wird abgezogen und einem Tank zugeführt, in dem die besonders kurzlebigen Spaltprodukte schon mal vorab zerfallen können. Dies senkt die radioaktive Strahlung in der “Chemiefabrik” ganz beträchtlich. Anschließend wird mit gasförmigem Fluor Uranhexafluorid gebildet, welches relativ einfach abgeschieden werden kann. Es wird mit dem vorher beschriebenem Strom aus der Aufbereitung des Brutmaterials zusammengeführt.
Das so behandelte Brennstoffsalz wird mit in Wismut gelöstem Lithium reduziert und so von den Spaltprodukten befreit. Die Spaltprodukte haben die Plätze des Lithium in der Metallschmelze eingenommen und das Lithium ist in der Form von Lithiumfluorid an das Brennstoffsalz übergegangen. Die Spaltprodukte müssen wieder aus dem Wismut. abgeschieden werden und in eine sicher lagerfähige Form überführt werden.
Die chemischen Prozesse sind hier nur sehr grob beschrieben worden. Sie sind recht komplex und bedürfen noch einer umfangreichen Entwicklungsarbeit bis sie großtechnisch und im Alltagsbetrieb zuverlässig anwendbar sind. Sie sind keinesfalls einfacher als das Purex-Verfahren – nur eben ganz neu. Unter den speziellen Randbedingungen der Kerntechnik, wird man realistisch von Jahrzehnten ausgehen müssen.

Die Abgasstrecke

Bei der Kernspaltung entstehen zahlreiche Gase und Edelgase. Bisher ging man davon aus, diese möglichst lange und sicher in den Brennstäben einzuschließen. Sie sollten erst nach vielen Jahren in der Wiederaufbereitungsanlage kontrolliert austreten. Bei einer Salzschmelze ist dies gar nicht möglich. Die Edelgase gehen auch keine chemische Verbindung ein, sondern verlassen an irgendeiner ungewünschten Stelle das Salz.
Es ist daher geplant, einen Teilstrom der Salzschmelze mit Helium zu durchspülen. Die radioaktiven Gase gehen dabei in das Helium über. Dieser Abgasstrom soll in einer Absorptionsstrecke (gekühlte Aktivkohle) 47 Stunden gehalten werden, bevor er erneut zur Spülung eingesetzt wird. Ein Teilstrom wird für 90 Tage gelagert, damit das radioaktive Xenon und Krypton – mit Ausnahme von Kr–85 mit einer Halbwertszeit von 10,7 Jahren – zerfallen kann. Anschließend wird das Gas durch Abkühlung verflüssigt und in Xenon (Handelsprodukt), Krypton (zur weiteren Lagerung) und Helium (zur Wiederverwendung) getrennt.

Schlusswort

Die “Molten-Salt”-Reaktoren stellen ein weiteres vielversprechendes Reaktorkonzept dar. Ihre Vorteile liegen in der hohen Betriebstemperatur bei geringem Druck und der eleganten Erschließung einer weiteren Energiequelle, in der Form von Thorium. Allerdings sind beide Punkte keine “Killerapplikation”: Hohe Temperaturen werden nur in der industriellen Anwendung benötigt. Zur Stromproduktion – und das ist bis auf weiteres die Domäne der Kerntechnik – sind sie nicht zwingend erforderlich. Thorium läßt sich auch in anderen, bereits erprobten Reaktoren (THTR, Candu) nutzen.

Unter den politischen Bedingungen der Kerntechnik, dürfte die Entwicklung bis zur Serienreife, noch mehrere Jahrzehnte dauern. Es ist fraglich, ob sich ein Energieversorger finden dürfte, der das damit verbundene Risiko auf sich nehmen wollte. Auch die “Chemiefabrik” in der eigenen Regie, dürfte eher abstoßend wirken. Gleichwohl, wird die Entwicklung in USA und China im Moment eher beschleunigt vorangetrieben.