Der Kugelhaufenreaktor ist eine Bauart eines Kernreaktors. Dieser Reaktortyp benutzt Heliumgas als Kühlmittel, und Graphit als Moderator. Aufgrund seiner Bauart gilt der Kugelhaufenreaktor als sicherer und effizienter als herkömmliche Reaktortypen.
In Deutschland erstmals entwickelt, dann aber aus politischen und wirtschaftlichen Gründen eingestellt, werden Kugelhaufenreaktoren heute am MIT, von der Eskom (Südafrika), der General Atomic (USA), der Adams Atomic Engines (USA) und der Romaha B. V. (Niederlande) aktiv weiterentwickelt.
Wie andere Kernreaktoren erzeugt er im Betrieb Wärme, die über ein Medium (Wasser, Gas) zu einer Turbine gebracht wird. An der Turbine wird mittels eines angeschlossenen Generators Elektrizität erzeugt.
Das spaltbare Material (Uran, Thorium oder Plutonium) ist als keramisches Oxid in Graphitkugeln eingeschlossen. Im allgemeinen liegt das Spaltmaterial in kleinen Körnern vor, die gleichmäßig in der Kugel verteilt sind; zwischen den Körnern befindet sich das Graphit der Kugel. Die Kugeln sind etwa tennisballgroß, und wiegen etwa 200 g; davon sind 5% spaltbares Material. Ein Reaktor von einer Leistung von 120 Megawatt braucht 380.000 solcher Kugeln.
Der Kernreaktor ist ein großer Raum, der mit den Kugeln aufgefüllt wird. Die Kugeln lassen sich in stationären Reaktoren automatisch zugeben und entnehmen. Ein reaktionsträges Gas, etwa Helium, Stickstoff oder Kohlendioxid zirkuliert durch die Kugelzwischenräume. Dabei nimmt es die bei der Kernreaktion entstehende Wärme auf, und trägt sie im Idealfall direkt zur Turbine. Wenn das Gas radioaktiv werden kann (Stickstoff, Kohlendioxid), ist es notwendig, einen Zwischenkreislauf einzurichten, damit das radioaktive Gas die Turbine nicht verseucht.
In der Mehrzahl der stationären (im Gegensatzt zu mobilen) Kugelhaufenreaktoren lassen sich die Kugeln während des Betriebs ständig oben zugeben und unten entnehmen. Dadurch wird ein ununterbrochener Betrieb möglich, der gleichzeitig einen kontinuierlichen Austausch des Brennmaterials erlaubt. Verbrauchte Kugeln lassen sich so entfernen und durch neue ersetzen.
Ein sich automatisch aus der Bauweise ergebender Vorteil liegt in der Betriebssicherheit. Mit zunehmender Temperatur des Reaktors dehnen sich die Kugeln leicht aus. Dadurch sinkt der mittlere Abstand des spaltbaren Materials, wodurch die Reaktionsrate sinkt. Bauartbedingt gibt es also eine maximale Reaktortemperatur, und wenn diese unterhalb des Schmelzpunktes des Reaktormaterials liegt, kann keine Kernschmelze stattfinden. Es muss nur sichergestellt sein, dass der Reaktor die entstehende Wärme passiv nach außen abstrahlen kann. Da in dieser Situation auch kein Schaden am Reaktor entsteht, ist nach einem solchen Zustand der Reaktor weiter benutzbar und das Reaktormaterial kann entnommen werden.
Damit wird auch der Betrieb des Reaktors vereinfacht. Anstatt durch Kontrollstäbe kann der Reaktor durch seine Betriebstemperatur, also durch die Durchflussrate des Kühlmittels, gesteuert werden. Wenn viel Energie entnommen werden soll, fließt mehr Kühlmittel, die Temperatur sinkt, der Reaktor produziert mehr Energie; wenn weniger Energie entnommen werden soll, fließt weniger Kühlmittel, die Temperatur steigt, der Reaktor produziert weniger Energie. Für das vollständige Abstellen des Reaktors sind allerdings neutronenabsorbierende Kontrollstäbe notwendig.
Ein weiterer Vorteil des Kugelhaufenreaktors liegt in der im Vergleich zu wassergekühlten Reaktoren hohen Betriebstemperatur. Bei hohen Temperaturen arbeiten Niederdruckturbinen besonders effizient. Wenn Helium als Kühlmittel verwendet wird, ist eine direkte Speisung des Heliums in die Turbine denkbar. Helium absorbiert fast keine Neutronen, und wird im Betrieb nicht radioaktiv. Zusätzlich ist allerdings sicherzustellen, dass die Kugeln 'dicht' sind, und keine Zerfallsprodukte abgeben.
Daneben wird auch behauptet, dass ein gegebener Reaktor in der Lage sei, unterschiedliche Brennmaterialien (Thorium, Plutonium, natürliches Uran) zu verwenden, allerdings nicht unbedingt gleichzeitig. Es mag ebenfalls möglich sein, Plutonium aus Atomwaffen zu verbrauchen.
Geschichtliche Entwicklung
Die grundlegenden Ideen des Kugelhaufenreaktors wurden in den 50er Jahren von Rudolf Schulten entwickelt. Der Durchbruch lag in der Idee, dass Kugeln aus Siliziumkarbid und pyrolytischem Kohlenstoff sowohl hohen Temperaturen (bis 2000 °C) als auch mechanischen Anforderungen gerecht werden.
Ein Versuchsreaktor mit einer elektrischen Leistung von 15 Megawatt wurde von der Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor (AVR) in der Kernforschungsanlage Jülich (Deutschland) gebaut und in Betrieb genommen, um Erfahrungen mit diesem Reaktortyp zu sammeln. Erstmals fand darin am 26. August1966 eine kontrollierte Kettenreaktion statt. Der Reaktor lief 21 Jahre lang, bis er am 1. Dezember1988 nach dem Atomunfall von Tschernobyl abgeschaltet wurde.
Ein kommerzieller Thorium-Hochtemperaturreaktor, der THTR 300 in Hamm-Uentrop, kam aufgrund materialtechnischer Schwierigkeiten mit den Kugeln nicht über den Probebetrieb hinaus, wurde knapp fünf Jahre nach seiner ersten nuklearen Reaktion im September 1988 zur Revision abgeschaltet, ein Jahr später endgültig stillgelegt und bald darauf vollständig abgebaut. Der Kühlturm, der eine technisch völlig neuartige Tragwerkskonstruktion aufwies und deshalb von einigen als denkmalschutzwürdig eingestuft wurde, wurde am 10. September1991 gesprengt. Diese im Vergleich mit landesüblichen Verfahrensdauern ungewöhnlich schnelle Abwicklung steht im geschichtlichen Kontext der Tschernobyl-Katastrophe (April 1986) und des SPD-Beschlusses zum Atomausstieg innerhalb von 10 Jahren (August 1986): an diesem Beispiel konnte die SPD-geführte Landesregierung ihren Ausstiegswillen demonstrieren.
Ursprünglich sollte dieser Reaktortyp bei seinem Betrieb aus Thorium-232 durch Neutroneneinfang das spaltbare Uran-233 erbrüten. Allerdings stellte es sich heraus, dass es sehr aufwändig war, das erbrütete Uran aus ihrem Einschluss zu befreien; letztendlich ist diese Methode der Uranherstellung nicht wirtschaftlich.
Transportable Reaktoren
Kugelhaufenreaktoren lassen sich in kleinen Einheiten bauen. Da kein Druckbehälter erforderlich ist, sind auch transportable Reaktoren, etwa für Schiffe oder als Notstromaggretate, denkbar.
Ein derartiges Konzept wird vom niederländischen Romawa B.V. Konzern unter dem Namen "Nereus" vorgeschlagen. Mit einer Leistung von 8 Megawatt kann dieser Reaktor im einem üblichen Transportcontainer untergebracht werden.
Ein anderes Design wird vom US-amerikanischen Adams Atomic Engines (AAE) Konzern vertreten.
Das System ist vollständig abgeschlossen, und bietet sich auch für Unterwasser- oder Weltraumprojekte an.
Sicherheit
Ein Kugelhaufenreaktor, dem während des Betriebs mit Brennstoffkugeln zugegeben und entnommen werden, braucht nicht zu Beginn seines Betriebs mit einem Übermaß an spaltbarem Material versorgt zu werden. Gleichermaßen sammeln sich im Reaktor weniger Spaltprodukte an.
Neben den traditionellen baulichen Sicherheitsmaßnahmen (erdbeben- und flugzeugabsturzsicheres Gebäude, Reaktorwände) stellen die Kugeln selbst ein wichtiges Sicherheitselement dar. Außen bestehen die Kugeln aus pyrolytischem Graphit, der mit einer Siliziumkarbid-Brandschutzschicht umgeben ist. Beide Materialien sind sehr stabil und hitzebeständig.
Im Innern der Kugeln sind 15.000 kleine Körner des spaltbaren Materials gleichmäßig verteilt, die ihrerseits von Schichten aus pyrolytischem Graphit und Siliziumkarbid umgeben sind. Das spaltbare Material im Zentrum liegt in Form keramischer Oxide vor, die einen hohen Schmelzpunkt besitzen.
Der Einschluss des spaltbaren Materials bedingt ebenfalls einen Einschluss der Spaltprodukte. Während des Reaktorbetriebs werden nur geringe Mengen der Spaltprodukte an das Kühlmittel abgegeben. Daher kann ein Kugelhaufenreaktor auch ohne Zwischenkreislauf eine Turbine antreiben, falls Helium zum Wärmetransport verwendet wird. Gleichzeitig wäre die Freisetzung radioaktiven Materials bei einem Bruch des Reaktors gering.
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