Erbrüten von Plutonium

Mein Versuch zur Physik der Reaktoren wurde zum Suchbegriff „brutverfahren für atomkraft“ gefunden. Dazu gibt er aber nicht sehr viel her.
In jedem Kernspaltungsreaktor entsteht aus dem vorhandenen Uranisotop U-238 durch Neutroneneinfang und zwei nachfolgende Betazerfälle Plutonium, bevorzugt das Isotop Pu-239, allerdings durch weitere Neutroneneinfänge auch schwerere Isotope.
Der Vogang läuft so ab: Ein Atomkern des Isotops U-238 fängt ein Neutron ein. Dabei entsteht ein Kern des Isotops U-239. Kerne dieses Isotops sind radioaktiv, sie zerfallen zu 100% durch Elektronenemission (Betazerfall) zum Neptuniumisotop Np-239. Die Halbwertszeit beträgt 23,45 Minuten. Das Np-239 ist wieder instabil mit einer kurzen Halbwertszeit von 2,355 Tagen und wiederum ein Betastrahler. Es zerfällt zum relativ langlebigen Plutoniumisotop Pu-239. Dieses ist ein Alphastrahler mit einer Halbwertszeit von etwa 24’000 Jahren und zerfällt zu Uran U-235. Damit ist es stabil genug, dass es sich in Brut- und anderen Reaktoren ansammelt. Zudem ist es ein Kernbrennstoff, der in einer Kettenreaktion eingesetzt werden kann.
Die beiden Betazerfallsschritte laufen nach einem recht festen Schema ab und zudem noch so schnell, dass nach einiger Zeit das Pu-239 mit Abstand häufiger im Material auftaucht als die beiden „Unterwegsisotope“. An diesen Schritten kann man nichts ändern, und diese Schritte laufen ohnehin so ab, dass das erwünschte Produkt Pu-239 entsteht.
Der erste Schritt ist der Neutroneneinfang. Wie wahrscheinlich dieser Neutroneneinfang ist, wird durch den Einfangquerschnitt wiedergegeben. Dieser geht überraschenderweise mit zunehmender kinetischer Energie der Neutronen zurück (siehe z.B. http://www.igcar.ernet.in/nuclear/neutron_interactions.htm). Auf den ersten Blick ist das erstaunlich, denn Brutreaktoren werden nicht moderiert, laufen also mit Neutronen höherer kinetischer Energie. Läge sie niedriger, würden die Neutronen mit höherer Wahrscheinlichkeit eingefangen.
Der Knackpunkt liegt woanders: Die Zahl der Neutronen, die bei einer Spaltung von U-235 frei wird, liegt bei der Kernspaltung in nicht moderierten Reaktoren höher (siehe http://de.wikipedia.org/wiki/Brutreaktor#Brennstoff-Brutprozess). Damit ein Brutreaktor mehr Kernbrennstoff erzeugen kann, als er selbst verbraucht, ist man darauf angewiesen, pro Spaltung mindestens ein Neutron für eine Brutreaktion nutzen zu können. Das geht nur dann, wenn die Spaltungsreaktion am Anfang mehr als zwei Neutronen freisetzt: Eines wird für das Aufrechterhalten der Kettenreaktion benötigt, das andere dafür, den verbrauchten Brennstoffkern durch einen erbrüteten Brennstoffkern zu ersetzen. Alle weiteren Neutronen sind „Reserve“ für weitere Brutvorgänge und im Reaktor verloren gegangene Neutronen.
Warum gibt es nur ganz wenige Brutreaktoren? Der Grund hierfür liegt in den technischen Anforderungen, die die schnelle Kettenreaktion mit den schnellen Neutronen an die Reaktorkonstruktion stellt. Damit der Reaktor nicht moderiert ist, fällt Wasser als Kühlmittel schon mal aus. Dieses wäre in großen Mengen im Reaktor unterwegs und wäre infolgedessen ein stark wirksamer Moderator. Es kommen also nur Kühlmittel mit schweren Isotopen und niedrigem Einfangquerschnitt in Frage oder solche, die nur mit einer geringen Zahl von Atomen unterwegs sind, d.h. Gase. Als schweres Isotop ist prinzipiell Natrium geeignet. Um allerdings damit einen Kühlkreislauf aufzubauen, muß es flüssig sein und bleiben. Dieses Alkalimetall hat einen Schmelzpunkt von etwa 97 Grad Celsius. Wenn der Reaktor heruntergefahren ist, muss der Kühlkreislauf beheizt werden, damit das Kühlmittel flüssig bleibt. Schwerer wiegt aber, dass Natrium chemisch sehr reaktiv ist und beispielsweise mit Wasser heftig unter Wasserstoffbildung reagiert. Das stellt ein sehr großes Risiko für den Reaktor als solchen dar, da der Kontakt des Kühlmittels mit Wasser katastrophale Folgen hat. Daher werden ggf. konstruktive Maßnahmen getroffen, um insbesondere den primären Natriumkreislauf wirksam vom Wasser-Dampfkreislauf des Turbinensystems zu trennen. Wasser ist hier für Notkühlung oder als Löschmittel nicht brauchbar. Ein Brutreaktor ist eine sehr spezielle und sehr aufwändige Anlage und deshalb schwierig und damit teuer zu betreiben. Zusätzlich reduziert das das Betriebsrisiko des Reaktors nicht gerade.

Beschreibungsversuch über die Physik der Reaktoren

Man liest, hört und sieht zur Zeit viel über den Reaktorunfall in Fukushima, auch mal über Dosisleistungen und über bestimmte Vorgänge in Reaktoren. Ich möchte das ganze physikalisch in einen Zusammenhang bringen. Mit diesem Artikel möchte ich nicht über das Für und Wider der Atomkraftnutzung diskutieren, das wird vielerorts bereits gemacht.

Zunächst zu einigen Grundlagen der Reaktorphysik. Die Reaktorphysik nutzt eine bestimmte „Kernreaktion“ von schweren Atomkernen aus, die neutroneninduzierte Kernspaltung. Als „Brennstoffe“ für diesen Vorgang sind zwei Elemente gebräuchlich: Uran und Plutonium. Kernspaltung ist noch mit weiteren Elementen denkbar, einige von ihnen kommen in Spuren auch in Kernreaktoren „zur Verwendung“, allerdings prinzipbedingt nur in winzigsten Spuren. Thorium lasse ich mal nicht gelten, da es im Reaktor zu Uran (U-233) „verbrütet“ und als solches gespalten wird.

Isotope: Nicht alle Atome der gebräuchlichen Elemente sind geeignet und in ausreichender Menge verfügbar. Verwendet werden Uran mit der Massenzahl 235, gerne als U-235 bezeichnet, und beim Plutonium vowiegend das Isotop Pu-239. Pu-241 kann ebenfalls in Reaktoren verwendet werden, ist aber wesentlich seltener. Plutonium kommt nur in winzigen Spuren in der Natur vor, weshalb es lange als künstliches, nicht als natürliches Element galt. Es entsteht aber in Uran-Reaktoren aus dem „Abfallisotop“ U-238 des Urans. Bei der Wiederaufarbeitung abgebrannter Brennelemente wird es ebenso wie das Uran für neue, sogenannte Mischoxid-Brennelemente, wiederwerwendet. Die gezielte Erzeugung größerer Mengen von Plutonium findet in sogenannten Brutreaktoren statt und wurde (und wird vermutlich) insbesondere für die Kernwaffen in großem Stil durchgeführt. Aufgrund dessen, dass für Kernwaffen die richtige Verteilung zwischen den verschiedenen Isotopen des Plutoniums wichtiger ist (geradzahlige Isotope sind in Kernwaffen nicht brauchbar), sind die Brutverfahren verschieden. Die zivilen, sogenannten „Schnellen Brüter“, sind technisch sehr aufwändig, daher gab es insgesamt sehr wenige davon, noch weniger sind noch in Betrieb. Nicht-Brutreaktoren sind nicht in der Lage, soviel Plutonium zu erbrüten, dass sie sich damit mit Brennstoff selbst versorgen könnten und sind daher auf fossiles Uran (auch Uran ist ein fossiler Energieträger) als Brennstoff angewiesen.

Zum Ablauf der Kernspaltung im Reaktor. Der relevante Vorgang im Reaktor ist die neutroneninduzierte Kernspaltung. Ein Kern eines Spaltisotops fängt ein Neutron ein, zerplatzt in zwei neue Kerne und zwei oder drei „neue“ Neutronen. Diese neuen Neutronen können von anderen spaltbaren Kernen eingefangen werden und dort weitere Kernspaltungen auslösen. Interessant für den Vorgang als solchen ist vor allem die Neutronenbilanz. Wenn die ganze Sache anläuft, besteht die Möglichkeit, dass die Anzahl der Neutronen schnell wächst, konstant bleibt oder zurückgeht. Löst im Durchschnitt mehr als ein Neutron pro erfolgter Spaltung eine neue Spaltung aus, steigt die Reaktionsrate stark an. Liegt der Durchschnitt stark über der Eins, spricht man von einer Kernwaffenexplosion. Liegt der Durchschnitt der „neuen“ Spaltungen pro erfolgter Spaltung unter eins, kommt die Reaktion zum Erliegen. Beim Atomreaktor besteht die „Kunst“ darin, die Anlage so zu bauen, dass dieser Durchschnitt bei eins gehalten wird.

Geregelt wird diese Neutronenbilanz und damit die Kettenreaktion im Kernreaktor unter Ausnutzung mehrerer physikalischer Vorgänge. Zunächst muß dafür gesorgt werden, dass die Neutronen überhaupt oft genug von den Brennstoffkernen eingefangen werden. Dazu werden sie „langsam gemacht“, physikalisch ist das eine Art Kühlvorgang. Sie stoßen mit Atomkernen und verlieren dabei schrittweise ihre Geschwindigkeit. Dafür besonders gut geeignet sind Atomkerne von Elementen, die nicht sehr viel schwerer sind als die Neutronen selbst, das sind im Prinzip alle von Wasserstoff bis Kohlenstoff oder Sauerstoff, soweit diese Atomkerne nicht andere Eigenschaften haben, z.B. selbst Neutronen einfangen. Nach der Kühlung nehmen die Neutronen in ihrer Gesamtheit näherungsweise die Temperatur des Moderators an. Solche Neutronen heißen thermische Neutronen.

Damit sind wir beim nächsten Vorgang, nämlich dem Verbrauchen der überschüssigen Neutronen. Ein kleiner Teil von ihnen verläßt den Reaktor und kann dort mangels Kernbrennstoff keine Spaltungen verursachen. Ein weiterer Teil zerfällt radioaktiv, bevor er Spaltungen auslöst. Ein weiterer Teil wird von leichteren Kernen eingefangen, die in einen Reaktor eingebaut werden, damit man ihn regeln kann. Das ist beispielsweise beim Bor-Isotop B-10 der Fall. Dieses fängt ein Neutron ein und zerfällt in das Lithiumisotop Li-7 und ein Alphateilchen. Damit ist das Neutron für die Kettenreaktion verloren. Darüberhinaus können beispielsweise noch Netronenreflektoren zur Anwendung kommen, die nach außen entweichende Neutronen (teilweise) in den Reaktor zurückwerfen. Cadmium- und Gadoliniumisotope sind auch dafür geeignet. Bor als Borsäure kommt nicht nur als Notlösung zum Einsatz, sondern wird regulär, gelöst im Wasser des Primärkreislaufs, zur langsamen Regelung von Druckwasserreaktoren verwendet. Cadmium und Gadolinium wird in den Regelstäben verwendet. Zum Regeln mit Regelstäben werden diese mit Elektromotoren in und aus dem Reaktor verfahren, die Borsäure im Wasser wird je nach Bedarf verdünnt oder dazugemischt.

Ein weiteres Detail ist wesentlich dafür, dass eine Regelung eines Reaktors überhaupt möglich ist: Ein sehr kleiner Teil der bei einer Reaktion freiwerdenen Neutronen, so etwa ein dreiviertel Prozent, wird nicht sofort (prompte Neutronen, innerhalb von Femtosekunden) nach der Kernspaltung frei, sondern um Milisekunden bis Minuten verzögert. Innerhalb dieser Zeit kann man die Regelstäbe verfahren und so kleine Abweichungen von der „eins“ in der Neutronenbilanz wieder ausregeln, das ist die Zeit, die man dafür zur Verfügung hat.

Dampfblasenkoeffizient: Der Dampfblasenkoeffizient ist eine Eigenschaft eines Reaktors, die vor allem von dessen Konstruktion, aber auch von den Betriebsparametern (hier vor allem Temperatur, Kühlwasserdruck) abhängt. Liegt ein negativer Dampfblasenkoeffizient vor, verschlechtert sich durch das Entstehen von Dampfblasen im Kühlwasser die Neutronenbilanz und damit die Leistung des Reaktors. Das führt zu einer negativen Rückkopplung und damit tendentiell zu einer Stabilisierung des Reaktors.

Spaltprodukte: Duch den Betrieb des Reaktors fallen Spaltprodukte an. Diese Spaltprodukte stehen nicht fest wie bei Kernreaktionen anderer Isotope, sondern es entstehen eine Vielzahl verschiedener Isotope. Diese Isotope sind, da sie untypisch viele Neutronen enthalten, alle radioaktiv, vorwiegend Betastrahler (Elekronenausstoß aus dem Atomkern). Wie bei jedem radioaktiven Zerfall wird auch bei Betastrahlern Energie frei, die ihre Umgebung aufheizt. Je kurzlebiger ein solches Isotop ist, desto mehr Zerfälle passieren pro Zeiteinheit, und desto mehr Wärmeenergie fällt an. Je länger ein Brennelement im Reaktor in Betrieb war, desto mehr Zerfallsprodukte enthält es, und desto mehr Wärmeenergie aus den Zerfallsprodukten entsteht. Die kurzlebigen Zerfallsprodukte zerfallen als erste und geben deshalb nach ihrem Zerfall auch keine Zerfallswärme mehr ab. Das trägt mit dazu bei, dass die Nachzerfallswärmeleistung mit der Zeit geringer wird.

Das ist die Ursache für die sogenannte Nachzerfallswärme. Diese ist der Grund dafür, warum Castorbehälter ein Kühlsystem haben, warum abgebrannte Brennelemente in gekühlten Abklingbecken gelagert werden und warum ein abgeschalteter Reaktor nachgekühlt werden muß. Es geht um gewaltige Wärmeleistungen: Die Nachzerfallswärme hat kurz nach dem Abschalten des Reaktors eine thermische Leistung von bis zu 10 Prozent der Reaktorleistung. Sei die Leistung des Reaktors ein Gigawatt, sind das bis zu 100 Megawatt. Das ist eine sehr große Leistung, die Heizung eines Einfamilienhauses hat mit etwa 10 Kilowatt nur 1/10’000 (Zehntausendstel) der Leistung.

Ein Automotor hat eine thermische Leistung in der Gegend von etwa einigen hundert Kilowatt, im Teillastbetrieb (bei normaler Nicht-Vollgasfahrt) weniger, also höchstens ein Tausendstel davon. Der muß schon aktiv (Wasserpumpe oder Lüfter bei luftgekühlten Motoren) gekühlt werden (solange die Wärmeleistung anliegt, in diesem Fall also im Betrieb), sonst geht er kaputt (Überhitzungs-Motorschaden). Wohlgemerkt, die Nachzerfallswärme fällt beim ausgeschalteten Kernkraftwerk an. Bei Kühlungsausfall droht nicht so was harmloses wie ein Motorschaden, der immerhin zum Ende der Wärmezufuhr führt, sondern schlimmeres: Die Wärmeleistung fällt weiter an, ohne Kühlung werden die Zerfallsprodukte und mit ihnen die Brennelemente immer heißer.  Die Reaktorteile beginnen dann zu schmelzen und zu glühen. Je nachdem, wie weit dieser Vorgang ohne Kühlung fortschreitet, führt das zu partieller oder totaler Kernschmelze.

Eine neuere Entwicklung ist es, den unteren Teil des Reaktor-Containments so zu bauen, dass eine Kernschmelze aufgefangen wird (Core Catcher, CC). Dazu ist es erforderlich, dass sich das geschmolzene Kernmaterial auf eine ausreichend große Fläche verteilt und dass dessen Nachzerfallswärme duch die Konstruktion des CC abgeführt wird, beispielsweise durch Wärmeleitung. Keiner der derzeit aktiven Reaktoren hat einen Core Catcher.