Letzte Änderung dieser Seite: 30.06.2026
Was ist eigentlich mit Atomkraftwerken für Kernspaltung oder Kernfusion? Könnten die nicht einen Beitrag zur künftigen Energieversorgung des Planeten Erde leisten? Würden die nicht sogar beim Kampf gegen das verteufelte CO2 helfen? Intelligente und ideologiefreie Erdbewohner werden sich diese Fragen vermutlich stellen. Vor allem, wenn man möchte, dass die Menschheit noch eine Milliarde Jahre in Wohlstand auf der Erde weiterleben kann. Nachfolgend nun meine Informationen, die ich zum genannten Thema zusammengetragen habe.
Der Molten Salt Fast Reaktor MSFR >>> Gehe zu
Der Dual Fluid Reaktor DFR >>> Gehe zu
Konventionelle (thermische) Atomkraftwerke
Ich beginne mit ein paar Aussagen zum Thema Atomkraft aus dem Buch Kernenergie von Ruprecht/Lüdecke aus dem Jahr 2018 (ISBN 978-3-940431-65-3), von denen einige ca. mehrere Jahre veraltet sind.
Es gibt weltweit 450 Kernkraftwerke (2018).
Bei einer nuklearen Strom-Vollversorgung der Menschheit mit der derzeitigen Technologie würden die Vorräte an Natururan gerade einmal für weitere 4 Jahre reichen. Da der weltweite Pro-Kopf-Bedarf aber nur 1/4 des deutschen beträgt und nur 16% davon mit Kernkraft gedeckt werden, kann man die Reichweite auf 100 Jahre hochrechnen.
Könnte man die restlichen 99% der enthaltenen Energie im Uran nutzen, ginge die Reichweite auf 10 000 Jahre hoch. Bei einem besseren Wirkungsgrad durch höhere Betriebstemperaturen ginge die Reichweite auf 20 000 Jahre hoch.
Die Wallmann Ventile, die in Deutschland schon seit den 80-er Jahren vorgeschrieben sind, hätten das Reaktor Unglück von Fukushima verhindert.
Warum ist Strom aus der Kernenergie eigentlich nicht 5 Millionen Mal billiger als aus der Kohle? Weil der Förderaufwand 100 000-fach größer ist. Es bleibt aber immer noch der Faktor 100, um den ein AKW besser als ein Kohlekraftwerk sein müsste.
Die Anreicherung stellt den größten Kostenfaktor dar, die deutlich verbessert werden könnte. Eine Anhebung des Erntefaktors auf 120 ist machbar, aber mehr nicht.
Nach Tschernobyl gab es viele Jahre eine AKW-Neubau-Pause. Erst ab 2003 ging es wieder weiter (Druckwasserreaktor EPR im finnischen Olkiluoto, Baubeginn 2005).
Baukosten Olkiluoto/Finnland: 2 € pro Watt. Gaskraftwerke sind schon für die Hälfte zu haben.
Der theoretische, aber unerreichbare Erntefaktor eines konventionellen AKWs beträgt 10 000.
Eine ganze nukleare Industrie hat sich um die ineffektive Nutzung des Urans etabliert.
Nur in den Phasen hoher fossiler Brennstoffkosten konnte der Ausbau der Kernenergie vorangetrieben werden.
Die konventionellen AKWs nutzen weniger als 1% der im Natururan enthaltenen Energie.
Feste Brennelemente erfordern eine aufwendige Infrastruktur zu ihrer Fertigung.
Die konventionellen AKWs haben aufgrund ihrer niedrigen Arbeitstemperatur einen schlechten Wirkungsgrad.
Nur der Energiedichte des Urans ist zu verdanken, dass es überhaupt zu einer Nutzung kam.
Der Tschernobyl Reaktor RBMK nutzt Graphit als Moderator. Graphit hat die unangenehme Eigenschaft, bei steigender Temperatur immer besser zu moderieren.
Der kanadische CANDU Reaktor kann mit Natururan (0.7%), aber mit schwerem Wasser als Moderator arbeiten. Das macht ihn exorbitant teuer. Der heutige CANDU arbeitet wieder mit 2%-igem Uran.
Ein 5%-iger Brennstab brennt auf ca. 1% herunter. Gleichzeitig verwandelt er ca. 1% U-238 in Plutonium. Bei der Wiederaufbereitung entstehen MOX-Brennelemente (Mischoxid) aus dem verbliebenen U-235 und Plutonium. Allerdings ist das Verfahren so aufwendig, dass es keine Verbreitung gefunden hat.
Die Restzerfallswärme nach dem Abschalten eines Reaktors beträgt ca. 10% der Reaktorleistung. Kernschmelzen kann man vermeiden, indem man den Reaktor so klein baut, dass die Restzerfallswärme passiv abgeführt werden kann. Allerdings wird ein Reaktor immer unwirtschaftlicher, je kleiner er wird.
Das Dilemma fester Brennelemente: Aufwendige Herstellung, geringer Abbrand und teure Sicherheitsmaßnahmen. Das schlechteste aus allen Welten.
Natürliches Uran: 0.7% U-235
Das erste AKW wurde zur Erzeugung von Plutonium gebaut.
Alle westliche AKWs verwenden Wasser als Moderator, die ehemaligen Sowjetrepubliken sind bei Graphit geblieben.
Ein thermischer Reaktor kommt mit geringer Anreicherung aus. Man kann ihn bei hoher Anreicherung aber klein bauen. Das ermöglicht Atom-U-Boote und atomgetriebenen Flugzeugträger.
Wegen ihrer hohen Spaltwahrscheinlichkeit kann man thermische Reaktoren so klein bauen, dass sie in U-Boote passen.
Ein heutiger Leichtwasserreaktor (z.B. EPR) ist ein hochskalierter U-Boot Reaktor.
Ausschließlich Reaktoren mit negativen Reaktivitätskoeffizienten sind in der westlichen Welt genehmigungsfähig. Beim MSR (Molten Salt) ist er so negativ, dass ohne Regelstäbe auskommt.
Schwere Kerne mit ungeraden Nukleonenzahl sind erheblich besser spaltbar also solche mit gerader Zahl.
Thermische Reaktoren haben immer einen Brutfaktor < 1, schnelle Reaktoren >= 1.
Die langsamen Gen. IV Konzepte heißen: VHTR (Very High Temperature), SCWR (Super Critical Water) und MSR (Molten Salt).
Der MSR (Molten Salt) ist ein Zwitter (langsam und schnell). Es gibt ihn auch als MSFR (Molten Salt Fast).
SMR: Small Modular Reactor. Die meisten davon sind herunterskalierte Druckwasserreaktoren.
Die SMRs lösen keine Probleme. Klein (Small) ist vor allem die elektrische Leistung.
NRW Wirtschaftsminister Reimut Jochimsen (SPD) trieb den Schnellen Brüter in Kalkar in die Pleite.
Aktuell läuft in der EU keine einzige Gen-IV Versuchsanlage.
Alles in allem ist diese Zusammenfassung nicht gerade ein Votum für die konventionellen, thermischen Reaktoren mit Brennstäben. Es liest sich eher wie eine totale Ablehnung. Das Schlechteste aus allen Welten. Die Reichweite des Urans bei der miserablen Ausnutzung durch thermische Reaktoren beträgt geschätzte 100 Jahre. Da reichen sogar Erdöl, Erdgas und Kohle noch länger. Solche Reaktoren braucht niemand, wenn die Menschheit noch eine Milliarde Jahre mit preiswerter Energie versorgt werden will.
Natürlich ist es eine andere Frage, warum man fertig gebaute und betriebsfähige AKWs außer Betrieb setzt und die Kühltürme abreißt. Wem nützt das?
Ich beginne wieder mit einigen Aussagen, dieses Mal zu Schnellen Brütern, aus dem Buch von Ruprecht/Lüdecke aus dem Jahr 2018. Hier eine Übersicht über die in der nachfolgenden Zusammenfassung referenzierten Reaktorkonzepte:
Hier die Zusammenfassung der Ruprecht/Lüdecke Aussagen:
Die konventionellen AKWs nutzen weniger als 1% der im Natururan enthaltenen Energie.
Technisch gibt es keinen Grund für feste Brennelemente. Flüssiger Brennstoff hat den riesigen Vorteil, dass er während des Betriebs aufbereitet werden kann. Man kann dadurch auch Spaltprodukte vom Reaktorkern fernhalten.
Der flüssige Brennstoff kann zu 100% genutzt werden (20% des Natururans). Ein AKW mit festen Brennelementen kann nur 5% nutzen (= 1% des Natururans).
Auch mit flüssigen Brennstoffen ist immer noch eine Anreicherung erforderlich.
Jedes konkurrierende Konzept (zu wassermoderierten Reaktoren mit festen Brennstäben) ist kostengünstiger bei mehr inhärenter und passiver Sicherheit.
Alternative Reaktorkonzepte (Generation 4): SFR: Sodium-cooled Fast Reactor, MSR: Molten Salt Reactor und HTR: High Temperature Reactor.
Im Jahr 2001 wurde auf Betreiben des US-Energieministeriums das Generation-IV Forum ohne Deutschland gegründet, mit: Kanada, Frankreich, England, Japan, Südkorea, Südafrika, Brasilien und Argentinien. Sie wählten sechs zukunftsträchtige Konzepte aus.
Der Geburtsort von Neutronen ist immer der Kern, der Sterbeort kann aber unterschiedlich sein.
Die Kunst der Reaktortechnik besteht darin, immer genau ein Neutron überleben zu lassen (kritisch). Zu wenige oder zu viele nennt man unterkritisch oder überkritisch.
Je langsamer ein Neutron, desto größer die Chance einen weiteren Kern zu spalten.
Schwere Kerne mit ungeraden Nukleonenzahl sind erheblich besser spaltbar also solche mit gerader Zahl.
Wenn aus einem schlecht spaltbaren Kern durch Neutroneneinfang ein gut spaltbarer wird, nennt man diesen Vorgang Brüten.
Der Nachteil am Brüten ist, dass am Ende unverbranntes Plutonium übrig bleibt. Der Vorteil ist, dass auch das schlecht spaltbare U-238 gespalten wird.
Das Verhältnis zwischen erbrüteten und gespaltenen Kernen nennt man Brutfaktor.
Thermische Reaktoren haben immer einen Brutfaktor < 1, schnelle Reaktoren >= 1.
Schnelle Gen. IV Konzepte: SFR (Sodium-cooled Fast), LFR (Lead-cooled Fast), GFR (Gas-cooled Fast).
Der Dual Fluid Reactor DFR ist eine Neuerfindung, sozusagen die Generation V der Kernspaltung.
Nur der natriumgekühlte schnelle Reaktor SFR (Sodium-cooled Fast) wird in mehreren Ländern entwickelt und steht kurz vor der Kommerzialisierung.
Der GFR (Gas-cooled Fast) ist die schnelle Variante des VHTR (Very High Temperature Reactor). Er ist aber nicht kosteneffizient.
Schnelle Reaktoren lassen sich nicht mit Wasser als Kühlmittel betreiben. Es bleiben nur flüssige Metalle und Gase.
SFR (Sodium-cooled Fast) und LFR (Lead-cooled Fast) brauchen immer einen zweiten Wärmetauscher, was die Kosten erheblich steigert.
Der erste SFR (Sodium-cooled Fast) mit dem Kürzel EBR-1 entstand 1951 in der Idaho-Wüste. Schon 1964 folgte der EBR-2 mit 20 MW Leistung.
Japan baute einen SFR (Sodium-cooled Fast) Reaktor mit dem Namen S-PRISM mit 2x300 MW elektrisch und Deutschland den SNR-300 (der Schnelle Brüter von Kalkar), der niemals in Betrieb ging. Russland baute den BN-600 mit 600 MW Leistung.
1972 stach das erste U-Boot mit einem LFR (Lead-cooled Fast) in See. LFR Problem: Blei wird erst bei 330°C flüssig. Diese Temperatur darf auch im abgeschalteten Zustand niemals unterschritten werden. Wenn doch, führt das zu einem Totalschaden. Durch Beimischung von Bismut kann die Schmelztemperatur auf 124°C gesenkt werden.
Bereits 1954 wurde das erste MSR (Molten Salt) Experiment durchgeführt. In Verkennung des Potentials wurden MSR Versuche in den 70-er Jahren eingestellt.
MSR (Molten Salt) Reaktoren haben eine Schmelzsicherung als rein passiver Sicherheitsmechanismus.
Die heute vom Gen-IV-Forum propagierten MSR (Molten Salt) enthalten kein Graphit mehr und sind lupenreine schnelle Reaktoren mit dem Kürzel MSFR (Molten Salt Fast).
Thorium kommt in der Erdkruste häufiger vor als wirtschaftlich abbaubares Uran.
1971 wurde in Deutschland ein Thorium Hoch-Temperatur Reaktor THTR-300 ("Kugelhaufenreaktor") gebaut. Er hatte kugelförmige Brennelemente, in die zigtausende kleinere Kügelchen eingebettet waren.
DFRs (Dual Fluid Reactor) können Erntefaktoren bis 5000 erreichen. DFRs brauchen Refraktär-Metalllegierungen und Siliziumcarbide SIC. SIC Teile gibt es heute schon und sie sind temperaturfest bis 1500 °C.
SFR (Sodium-cooled Fast) und MSR (Molten Salt) liefen in den USA bereits bevor das erste kommerzielle AKW ans Netz ging. Aktuell gibt es in den USA keinen Gen-IV Reaktor mehr.
Aktuell läuft in der EU keine einzige Gen-IV Versuchsanlage.
Reaktortypen der Generation 4: Das klingt supermodern, ist aber ein steinalter Hut. Ich habe gerade mal die Jahreszahlen mit Experimenten zum Thema Gen-IV Reaktoren aus der Ruprecht/Lüdecke Zusammenfassung herausgesucht. Es sind: 1951 SFR, 1954 MSR, 1964 SFR, 1971 Kugelhaufenreaktor THTR in Deutschland und 1972 LFR. Mittlerweile wurden in der EU und USA alle Versuche eingestellt und alle Testanlagen geschlossen. Das muss aber für die Zukunft nichts bedeuten.
Der Molten Salt Fast Reaktor MSFR:
Der MSFR verwendet geschmolzenes Salz als Kühlmittel und Thorium als Brennstoff. Er ist die Weiterentwicklung des thermischen MSR als Schneller Brüter. Aus Sicht der Autoren sowie aus Sicht der chinesischen Politik und Wissenschaft ist es das erfolgversprechendste Konzept innerhalb der Gen-4 Konzepte. Auch, weil es sehr viel Thorium in der Erdkruste gibt.
Thorium hat eine ungefähr 3,5 millionenfache Energiedichte wie Kohle, also ca. 31,5 Millionen KWh pro kg. Bei geschätzten Thorium-Vorkommen in Höhe von 6,4 Millionen Tonnen könnte man daraus im Optimalfall (mit 100% Wirkungsgrad) 200 Exawattstunden (31,4 E9 Wattstunden pro kg mal 6,4 E9 kg = 200 E18 Wh) Energie erzeugen. Der weltweite Verbrauch an Endenergie betrug 135 801 TWh im Jahr 2023. Dividiert man nun die 200 Exawattstunden durch 135 801 Terawattstunden, dann erhält man 1473 Jahre (200 000 E15 / 135 801 E12 = 1,473 E3).
Die Thorium-Vorräte des Planeten Erde reichen also gerade mal für 1400 Jahre Endenergie. Das beeindruckt mich nicht gerade. Es gibt bei den verwendeten Zahlen viele Unwägbarkeiten (zum Beispiel: a. wohin wird der Energieverbrauch der Ländern, die momentan noch ganz wenig verbrauchen, steigen? und b. wie genau ist denn die Schätzung der Thorium Resourcen?). Daher ist die berechnete Reichweite sicher sehr ungenau. Aber eins kann man schon jetzt mit Sicherheit sagen: Für eine Milliarde Jahre (grob geschätzte "Restlaufzeit" der Menschheit) werden sie ganz sicher nicht reichen. Aber wahrscheinlich schon etwas länger als die fossilen Energieträger.
Hier noch einige Links zum Thema MSFR und Thorium:
Neuer chinesischer Atomreaktor: Keine Kernschmelze möglich (23.07.2024)
Experimenteller Thorium-Flüssigsalz-Reaktor in China kurz vor Start (29.01.2024)
Atomkraft: Schweizer und Dänen forschen an Thorium-Flüssigsalz-Reaktor (15.07.2024)
Warum wird dieser Wunder-Reaktor nicht schon längst in Serie gebaut? (02.09.2020)
CONCEPT OF EUROPEAN MOLTEN SALT FAST REACTOR (MSFR) (23.05.2017)
Der Dual Fluid Reaktor hat aus momentaner Sicht als einziger Kernspaltungsreaktor das Potential, den Wohlstand der Menschheit für eine Milliarde Jahre zu retten. Erstens, weil das Konzept viele Vorteile hat und zweitens, weil er Uran als Brennstoff verwendet. Auf der Erde gibt es nämlich sehr viel mehr Uran im Meer als Thorium und Uran in der Erdkruste. Das diesem Kapitel nachfolgende Kapitel verlinkt einige Webseiten, welche die Uranreichweite abschätzen.
Der DFR ist eine überwiegend deutsche Erfindung (die Mehrzahl der Erfinder). Das Dual-Fluid-Konzept wurde am Institut für Festkörper-Kernphysik IFK in Berlin entwickelt und 2012 als Patent angemeldet. Im Februar 2021 gründeten einige der Mitwirkenden das kanadische Unternehmen Dual Fluid Energy Inc., um die Technologie zur kommerziellen Reife zu führen. Scheinbar waren ihnen die "Randbedingungen" in Deutschland nicht erfolgversprechend genug.
Dual Fluid Reaktoren nutzen statt Brennstäben (konventionelle, thermische Reaktoren) zwei zirkulierende Flüssigkeiten: Eine trägt den Brennstoff, die andere führt die Wärme ab. So kann der Kernbrennstoff bei hohen Temperaturen wesentlich effektiver genutzt werden.
Hier kurz die Vorteile der DFRs, die man als Generation 5 Reaktoren bezeichnen kann bzw. im Vergleich mit den Gen.-4 Krücken sogar muss:
DFRs erbrüten aus schlecht spaltbaren Atomkernen mit gerader Nukleonenzahl gut spaltbare Atomkerne mit ungerader Nukleonenzahl.
DFRs können aufgrund der hohen Arbeitstemperatur (ca. 1000°C) den Kernbrennstoff bis zu hundertmal besser nutzen als andere Reaktortypen.
Vorhandener Atommüll (der in den Castoren) kann als Brennstoff dienen.
Die Reststoffe müssen nur etwa 300 Jahre lang gelagert werden, während es heute mehrere 100 000 Jahre sind.
DFRs sind inhärent sicher, d.h. es kann nicht zu einer Kernschmelze kommen.
Hier eine Grafik aus der Präsentation der gleichnamigen Firma mit dem Namen Dual Fluid zur Verdeutlichung der inhärenten Sicherheit. Bei überhöhter Temperatur (z.B. nach dem Ausfall der Kühlung) schmilzt der Schmelzstopfen und der flüssige Brennstoff fließt in den Ablasstank.
Zum Schluss noch einige einschlägige Links zu den DFRs:
Dual-Fluid-Reaktor Wikipedia (02.04.2024)
Was macht der Dual-Fluid-Reaktor? (13.01.2023)
Ist Dual Fluid die Lösung? (09.08.2022)
Dual-Fluid Präsentation der Erfinder (01.01.2022)
Dual Fluid Reaktor – wandert die nächste Erfindung aus? (28.01.2021)
Dual-Fluid-Reaktor – ein enormes Echo (16.06.2020)
Dual Fluid Reaktor (22.08.2017)
Dual Fluid: Alles zu Nachhaltigkeit, Sicherheit und Technik (01.01.2000)
Die Reichweite von Thorium und Uran
Zur Reichweite von Thorium ist nicht viel zu sagen. Ich habe nur in Wikipedia eine Abschätzung gefunden (6,4 Millionen Tonnen). Daher kann man Thorium als Brennstoff für Kernspaltung nur als Übergangslösung einstufen. Aber bei mehr als 1000 Jahren bis zum Aufbrauchen des Thoriums sollte man durchaus ein bestimmtes Budget für die Entwicklung von Thorium Reaktoren vorsehen.
Uran ist der viel interessantere Brennstoff. Weil es sehr viel davon im Meerwasser gibt. Hier zunächst zwei Links:
Erneuerbare Kernkraft: Wie lange reichen die Uranvorkommen weltweit? (01.01.2021)
Nuclear fuel will last us for 4 billion years (28.10.2020)
Abschätzungen aus dem oberen Link (Florian Blümm):
In der kontinentalen Erdkruste sind rund 40 Billionen Tonnen Uran vorhanden.
Wirtschaftlich abbaubar davon sind 8 Millionen Tonnen Uranreserven.
Im Meerwasser sind rund 4,5 Milliarden Tonnen Uran gelöst.
Jedes Jahr fließen rund 32.000 Tonnen Uran in die Weltmeere.
Mit Brüter-Reaktoren würde dieser natürliche Zufluss von Uran reichen, um jedes Jahr das 4,5-fache des Weltenergieverbrauchs zu erzeugen.
Die interessanteste Grafik aus dem unteren Link:
Mir gefällt diese Grafik besonders gut, weil sie so optimistisch ist. Da meine persönlichen "Planungen" nur eine Milliarde Jahre in die Zukunft reichen, dürfte die Abschätzung des Autors Nick Touran um den Faktor 4,3 zu hoch sein und es würde immer noch für eine Milliarde Jahre menschlichen Wohlstands reichen. Wir werden es nie erfahren.
Zum Abschluss noch einige Links zum Thema Uran aus dem Meerwasser:
Uran aus Meerwasser: Chinas Durchbruch für saubere und nachhaltige Energie (21.12.2023)
China holt Uran für Atomkraftwerke aus dem Meerwasser (14.12.2023)
Uran aus dem Meer (21.11.2023)
Australien: neues Material für Urangewinnung aus Meerwasser entwickelt (18.10.2023)
China testet Urangewinnung aus Meerwasser (30.05.2023)
Uran aus dem Meerwasser (15.06.2018)
Uran aus dem Meer? (25.04.2016)
Kernfusion ist die Verschmelzung von Atomkernen zu einem anderen Kern. In der Sonne sind es Wasserstoffkerne, die zu Helium verschmelzen. Die Kernfusion ist logischerweise die interessanteste Technologie auf dem Energieerzeugungssektor. Sie würde alle Endenergie-Bedarfsmengen- und Entsorgungsprobleme auf einen Schlag lösen. Der Weg in eine goldene Zukunft. Leider sind gibt es dabei geradezu gigantisches Problem. Im Inneren der Sonne herrschen Temperaturen von rund 15 Millionen Grad und Drücke von bis zu 300 Milliarden Atmosphären. Unter diesen Bedingungen verschmelzen dann die leichteren Wasserstoffkerne zu einem schwereren Heliumkern, dessen Masse geringer ist als die Summe der Ausgangskerne. Die Differenz in der Masse wird in Energie entsprechend der Einstein'schen Formel E=mc² umgewandelt.
Nun zu dem Problem. 300 Milliarden Atmosphären Druck kann man als Wissenschaftler auf der Erde vermutlich nicht erzeugen und 15 Millionen Grad Celsius werden auch schwierig. Man kann auf den unerreichbar hohen Druck verzichten, wenn man stattdessen eine Temperatur von 150 Millionen Grad Celsius erzeugt. Das ist die Hürde, die man überspringen muss. In den Versuchsanlagen wird mit den Wasserstoff-Isotopen Deuterium und Tritium anstatt mit Wasserstoff gearbeitet.
Es gibt derzeit drei konkurrierende Konzepte und viele Versuchsanlagen. Die Konzepte heißen:
Zum Schluss noch eine kleine, chronologisch sortierte Linksammlung zum Thema Kernfusion:
Kernfusion: Utopie oder Garant globaler Energie-Versorgung? (29.02.2024)
EIKE Klimaschau #163: Die Kernfusion hat gezündet
EIKE Klimaschau #129: Neue Rekorde auf dem Weg zur Kernfusion
EIKE Klimaschau #72: Dreifacher Durchbruch bei der Kernfusion
EIKE Klimaschau #30: Wie ein Klimaforscher die Sonne klein redet, Hoffen auf die Kernfusion