Salzschmelze-Reaktoren könnten Atomenergie einsparen

Nov 12, 2023

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Salzschmelze-Reaktoren, eine Art Kernreaktor, der erstmals in den 1950er Jahren erforscht wurde, könnten die Zukunft sauberer Energie sein – wenn wir die Probleme überwinden können, die sie seit mehr als einem halben Jahrhundert zurückhalten.

Zur Kernspaltung kommt es, wenn ein Neutron in den Kern eines Atoms eindringt und das Atom spaltet. Dadurch wird eine enorme Energiemenge sowie zusätzliche Neutronen freigesetzt, die dann weitere Atome spalten können, wodurch eine sich selbst erhaltende Spaltreaktion entsteht.

Kernreaktoren steuern den Spaltungsprozess, sodass die als Wärme freigesetzte Energie zum Kochen von Wasser verwendet werden kann, wodurch Dampf entsteht, der stromerzeugende Turbinen antreiben kann.

Der Prozess erzeugt keine Kohlenstoffemissionen und kann unabhängig davon stattfinden, ob die Sonne scheint oder der Wind weht, was Kernenergie zu einem potenziell wichtigen Bestandteil für eine Zukunft mit sauberer Energie macht.

Der Bau eines Kernkraftwerks, wie wir es bereits haben, dauert etwa sieben Jahre und kostet 10 Milliarden US-Dollar.

Allerdings entfallen heute nur 10,3 % der weltweiten Stromerzeugung auf Kernenergie, und die Zahl der stillgelegten Reaktoren übersteigt die Zahl der neu gebauten.

Das liegt zum Teil daran, dass der Bau eines neuen Kernkraftwerks, wie wir es bereits haben, etwa sieben Jahre und 10 Milliarden US-Dollar dauert und einige potenzielle Betreiber davor zurückschrecken, eine so große Investition zu tätigen, insbesondere wenn es um Strom aus Erdgas geht Erneuerbare Energien werden billiger.

Gleichzeitig stoßen viele potenzielle Bauvorhaben auf Widerstand seitens der Öffentlichkeit, die über die Möglichkeit einer nuklearen Katastrophe wie Tschernobyl oder Fukishima besorgt ist, obwohl Kernenergie historisch gesehen weitaus sicherer als Kohle oder Erdgas ist.

Um die durch Kernspaltung erzeugte Strommenge zu erhöhen, müssen wir möglicherweise überdenken, wie wir sie nutzen.

In den meisten heutigen Kernkraftwerken wird Wasser unter hohem Druck in den Reaktorkern gepumpt, wo in Metallstäben eingeschlossene Brennstoffpellets gespalten werden. Dadurch wird das Wasser auf etwa 600 °F erhitzt, aber der hohe Druck verhindert, dass das Wasser verkocht.

Das superheiße flüssige Wasser wird dann durch eine Kammer mit mehr Wasser gepumpt. Seine Hitze bringt das Wasser zum Kochen und erzeugt den Dampf, der zum Drehen der Turbinen erforderlich ist. Das kühlere Wasser fließt dann zurück in die Brennstoffkammer, wo es erneut erhitzt wird, sodass der Zyklus fortgesetzt werden kann.

Der hohe Druck, der erforderlich ist, um superheißes Wasser flüssig zu halten, erhöht die Wahrscheinlichkeit eines Lecks, und wenn Wasser austritt, kann der Brennstoff überhitzen, die Sicherheitsstäbe schmelzen und möglicherweise radioaktives Material in das Wasser und die Umwelt freisetzen.

Um dies zu verhindern, benötigen Reaktoren viele Backup-Systeme und Redundanzen, was ihre Kosten und Komplexität weiter erhöht.

Es wird erwartet, dass Schmelzsalzreaktoren kostengünstiger zu bauen und sogar zuverlässiger sind als heutige Kernkraftwerke.

Dieses Design ist jedoch nicht unsere einzige Option.

In den 1950er Jahren begannen US-Forscher mit der Erforschung des Konzepts von Schmelzsalzreaktoren, bei denen geschmolzenes Salz – Salz, das bei Raumtemperatur fest, bei hohen Temperaturen jedoch flüssig ist – anstelle von Wasser als Material verwendet wird, das die Wärme überträgt und den Brennstoff stabil hält Temperatur.

Die für diese Reaktoren vorgeschlagene Salzart bleibt bei Temperaturen von bis zu 2.500 F flüssig – ohne Druckbeaufschlagung. Diese höhere Temperatur würde die Effizienz des Reaktors erhöhen und mehr Strom erzeugen, während der fehlende Druck das Risiko eines Lecks verringern würde.

Der Kernbrennstoff kann nicht schmelzen, wenn er bereits flüssig ist.

Anstelle von festen Brennstäben, die vom Wasser, das die Wärme transportiert, getrennt sind, erfordern einige Reaktorkonstruktionen für geschmolzene Salze, dass der Brennstoff in der Salzschmelze selbst gelöst wird.

Dadurch wird das Risiko einer Kernschmelze eliminiert – der Brennstoff kann nicht schmelzen, wenn er bereits flüssig ist – und wenn es ein Leck gäbe, würden austretendes Salz und Brennstoff beim Abkühlen schnell zu Gestein erstarren. Dies wäre einfacher zu reinigen als das radioaktive Wasser oder der radioaktive Dampf, der bei einem Leck eines Druckwasserreaktors freigesetzt wird.

Konstruktionen von Reaktoren für geschmolzenes Salz umfassen auch eine Sicherheitsfunktion, die als „Gefrierventil“ oder „Gefrierstopfen“ bezeichnet wird. Dieser Stopfen trennt die darüber liegende Salzschmelzemischung von einem darunter liegenden Vorratstank. Sollte die Mischung jemals zu heiß werden, schmilzt das Ventil und das geschmolzene Salz fällt durch die Schwerkraft in den Tank. So kann eine Katastrophe verhindert werden, selbst wenn alle Backup-Systeme ausfallen.

Wir wissen zwar nicht genau, was der Bau eines Salzschmelze-Reaktors kosten würde, Analysten gehen jedoch davon aus, dass der Bau billiger wäre als bei Standard-Wasserreaktoren, da das Design weniger Teile umfasst.

Die Reaktoren sind möglicherweise auch zuverlässiger – heutige Reaktoren müssen normalerweise alle 18 bis 24 Monate zum Auftanken offline gehen, aber der in geschmolzenem Salz gelöste abgebrannte Brennstoff könnte möglicherweise verarbeitet und neuer Brennstoff hinzugefügt werden, während der Reaktor in Betrieb war.

Das Versprechen von Schmelzsalzreaktoren muss jedoch noch verwirklicht werden.

„Noch heute kann kein Material in der Umgebung mit hoher Strahlung, hoher Temperatur und Korrosion in einem Salzschmelze-Reaktor eine zufriedenstellende Leistung erbringen.“

Forscher des Oak Ridge National Laboratory bauten 1965 den ersten Proof-of-Concept-Reaktor für geschmolzenes Salz, der in der Lage war, sich selbst zu spalten: das Molten Salt Reactor Experiment (MSRE).

Doch im Laufe der nächsten vier Jahre kam es 167 Mal zu unerwarteten Abschaltungen – vor allem wegen technischer Probleme verschiedener Komponenten – und im Jahr 1969 schließlich endgültig.

Wären diese technischen Probleme nicht aufgetreten, ist immer noch nicht klar, wie lange der Reaktor einem weiteren Problem durch die Verwendung von geschmolzenem Salz hätte standhalten können.

„Selbst heute kann kein Material in der Umgebung mit hoher Strahlung, hoher Temperatur und Korrosion in einem Reaktor mit geschmolzenem Salz zufriedenstellend funktionieren“, schrieb der Energie- und Ressourcenexperte MV Ramana im Bulletin of the Atomic Scientists im Juni 2022.

Seit der Schließung des MSRE hat niemand mehr einen Salzschmelze-Reaktor betrieben, aber da der Klimawandel den Bedarf an mehr sauberer Energie verschärft, erleben wir jetzt ein erneutes Interesse an der Konstruktion.

Im Februar 2022 gaben TerraPower, ein von Bill Gates gegründetes Kernenergieunternehmen, und Southern Company, ein Gas- und Stromversorger, bekannt, dass sie beim Bau des vom DOE finanzierten Molten Chloride Reactor Experiment (MCRE) am Idaho National Laboratory zusammenarbeiten würden.

Nach seiner Fertigstellung wird der MCRE der weltweit erste kritische Salzreaktor mit schnellem Spektrum sein. Schnelle Reaktoren können die Spaltung aufrechterhalten, ohne einen Moderator zu verwenden, um die während des Spaltungsprozesses freigesetzten Neutronen zu verlangsamen, was ihre Effizienz erhöht.

Die Daten des Testreaktors werden in die Entwicklung des Schnellreaktors für geschmolzenes Chlorid von TerraPower einfließen. Das Unternehmen geht davon aus, Anfang der 2030er Jahre eine 180-Megawatt-Demoversion dieses Systems zu bauen, die ausreichen würde, um etwa 90.000 Haushalte mit Strom zu versorgen.

Im August 2022 erteilte China Forschern des Shanghai Institute of Applied Physics (SINAP) die Erlaubnis, einen experimentellen Salzschmelze-Reaktor in Betrieb zu nehmen, der mit einer Mischung aus Uran und einem viel häufiger vorkommenden Element, Thorium, betrieben wird.

„Im Moment gibt es genug Uran, um alle in Betrieb befindlichen Reaktoren zu befeuern“, sagte Kernreaktorspezialist Sylvain David im Dezember 2021 gegenüber FRANCE 24. „Aber wenn die Zahl der Reaktoren zunimmt, könnten wir eine Situation erreichen, in der die Versorgung nicht mehr mithalten würde, und.“ Durch die Verwendung von Thorium kann der Bedarf an Uran drastisch reduziert werden.“

Während der Salzschmelze-Reaktor von SINAP nur darauf ausgelegt ist, genug Strom für etwa 1.000 Haushalte zu erzeugen, ist China bei gutem Testverlauf bereit, eine größere Version zu bauen, die Hunderttausende Haushalte mit Strom versorgen könnte.

Im Oktober 2022 kündigten Forscher der Brigham Young University einen Entwurf für einen Salzschmelze-Reaktor an, der ihrer Meinung nach leistungsstark genug ist, um 1.000 amerikanische Haushalte mit Strom zu versorgen – und klein genug, um auf die Ladefläche eines 40-Fuß-Lastwagens zu passen.

Diese kleine Größe wäre vermutlich weitaus billiger und einfacher zu bauen als ein Standard-Kernreaktorwerk und könnte es einfacher machen, Kernenergie in entlegene Gebiete zu bringen, aber es gibt derzeit keine Pläne, einen der Reaktoren zu bauen.

Der BYU-Forscher Matthew Memmott teilte dem Register jedoch mit, dass sein Team auch eine Methode entwickelt habe, um Salz weniger korrosiv zu machen, indem es ihm Wasser und Sauerstoff entzieht. Sie haben bereits mit dem San Rafael Energy Research Center in Utah zusammengearbeitet, um ein Salzraffinierungszentrum für Betreiber von Salzschmelze-Reaktoren – ob Mini- oder Großreaktoren – zu bauen.

Dies sind nur einige der vielen Gruppen, die sich näher mit Salzschmelze-Reaktoren befassen, aber selbst wenn einer oder mehrere ihrer Entwürfe gebaut werden, werden wir erst nach einiger Zeit wissen, ob es ihnen gelungen ist, das bestehende Korrosionsproblem zu überwinden hielt die Technologie lange zurück.

„Das Problem bei korrosiven Produkten besteht darin, dass man ihren Schaden erst fünf bis zehn Jahre später erkennt“, sagte Francesco D'Auriam, Spezialist für Kernreaktortechnologie an der Universität Pisa, gegenüber FRANCE 24.

Wenn die heutigen Forscher jedoch einen Schmelzsalzreaktor bauen können, der Korrosion standhält und die technischen Herausforderungen des MSRE meistert, könnte das Gerät die durch Kernspaltung erzeugte Strommenge erhöhen – und uns einer Zukunft mit sauberer Energie näher bringen.

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