Die ersten Kernreaktoren wurden gebaut um Plutonium für Kernwaffen zu erzeugen. Man begann aber erst in den frühen 1950er Jahren die Wärme zur Erzeugung von Strom zu nutzen. Zu dieser Zeit lief ein Programm zur Entwicklung eines U-Boots das mit einem Kernreaktor betrieben werden sollte, dem ersten Druckwasserreaktor. Aber der erste Strom wurde noch davor, im Dezember 1951, in einem ganz anderen Reaktor erzeugt.
Schon kurz nach Ende des zweiten Weltkrieges wurde eine Anfrage gestellt, nach einigen Kilogramm Plutonium. Das war kein sehr großes Problem. Das Plutonium brauchte nicht waffenfähig sein und die Entscheidungswege waren direkt nach dem Krieg noch sehr kurz. Mit dem Plutonium sollte eine neue Art von Reaktor gebaut werden. Die Kettenreaktion würde ohne einen Moderator wie Graphit oder Wasser zu stande kommen und sie sollte erstmals vollständig durch die verzögerte Freisetzung von Neutronen bei der Kernspaltung gesteuert werden. Da man reines Plutonium zur Verfügung hatte, war die Anreicherung spaltbaren Materials dabei auch kein Problem.
Das Resultat war ein Reaktor namens Clementine, mit einem sehr kompakten Reaktorkern, besonders wenn man es mit den riesigen Reaktoren vergleicht, die mit natürlichem Uran betrieben wurden. (Bildquelle)
(Der gesamte Reaktoraufbau war natürlich viel größer, zusammen mit dem gesamten Kühlsystem und Strahlungsschutz.) Er erzeugte im Betrieb 25kW Wärme und wurde mit Quecksilber gekühlt. Das stellte sich im Betrieb als ein schlechteres Kühlmittel heraus als man gehofft hatte und setzte es nie wieder ein. Clementine war damit der einzige Reaktor in dessen Betrieb regelmäßig radioaktives Gold entstand, beim Einfang von Neutronen durch die Quecksilberatome.
Dieser Reaktor diente nun hauptsächlich dazu die Reaktoreigenschaften kennenzulernen und als Neutronenquelle. Auch wenn sich das Kühlmittel nicht als ideal erwies, konnte man zumindest die Machbarkeit eines solchen Reaktors und die Stabilität der Kettenreaktion nachweisen. Der Reaktor steuerte sich im wesentlichen selbst, wie ich es schon einmal beschrieben habe.
Der Grund weshalb man diesen Reaktor gebaut hat, waren Berechnungen die man schon während des Krieges angestellt hat. Man hatte gemessen, wieviele Neutronen bei der Kernspaltung entstehen, abhängig davon wie viel Energie die Neutronen haben. Dabei fand man heraus, dass Kernspaltung von Plutonium mit schnellen Neutronen mehr Neutronen freisetzte als mit langsamen Neutronen und zusätzlich die Wahrscheinlichkeit der Kernspaltung höher war. Beides zusammen bedeutete, dass man mit Hilfe der entstehenden Neutronen mehr Plutonium erzeugen können würde, als man bei der Kettenreaktion verbraucht.
Zur damaligen Zeit erschien das als ein wichtiges Problem, denn die damals bekannten Uranreserven waren sehr klein und über ihre Verbreitung wenig bekannt. Durch die Erzeugung von Plutonium aus dem gesamten Uran-238 würde man die Reserven auf einen Schlag mehr als verhundertfachen.
Der Bau des Nachfolgers von Clementine wurde 1949 beschlossen. Der Reaktor bekam die Bezeichnung EBR – Experimental Breeder Reactor. Zur Kühlung des inneren Reaktorkerns diente diesmal nicht Quecksilber, sondern eine flüssige Natrium-Kalium-Legierung, die eine höhere Wärmeleitfähigkeit und eine geringere Viskosität hat.
Die Legierung hat einen Schmelzpunkt bei etwa -11 Grad und der Siedepunkt bei etwa 780 Grad. Bei reinem Natrium sind es knapp 100 und 880 Grad. Anders als Wasser muss das Metall nicht unter Druck stehen, um flüssig zu sein. Druck kommt nur durch Höhenunterschiede zu stande. Ein Leck in einer Rohrleitung führt nicht dazu, dass der Siedepunkt des Metalls sinkt und es zu kochen anfängt. Weniger Druck heißt auch, dass aus einem Leck viel weniger Kühlmittel fließen wird.
In neueren Reaktoren bildet der Reaktor nicht nur immer den tiefsten Punkt des gesamten Systems, er hat auch keinerlei Öffnungen am unteren Teil des Behälters oder an den Seiten. So kann kein Leck im Kühlsystem den Reaktor ohne Kühlmittel zurück lassen. Die Sicherheitsvorkehrungen wurden zu dieser Zeit erst entwickelt. Neben den vorhandenen Vorkehrungen bestand die Sicherheit ganz wesentlich aus vorsichtigem Vorgehen, kleinen Reaktoren mit sehr niedriger Leistung und großem Abstand zur nächsten bewohnten Siedlung. Das Idaho National Laboratory war knapp 30km vom nächsten Ort Arco entfernt (etwa 1000 Einwohner) und 60km von Blackfoot (damals etwa 6000 Einwohner). Dazu kam die typische Kaltschnäuzigkeit im Umgang mit allen möglichen Risiken während der Nachkriegszeit.
Auch damals wurde schon der Kühlkreislauf in drei Teile getrennt. Natrium-Kalium im Reaktor, ein Zwischenkreislauf auch mit Natrium-Kalium und ein doppelwandiger Dampferzeuger. Bei diesem Reaktor wurde nur der innere Kern mit flüssigem Metall gekühlt. Außerhalb brachte man einen Neutronenreflektor aus Uran an, der auch als Brutmantel diente. In dem fanden natürlich auch Kernreaktionen statt und es entstand Wärme. Er wurde mit Luft gekühlt. (Solche Brutmäntel gibt es in neueren Brutreaktoren nicht mehr. Es findet alles in den Brennstäben innerhalb des Reaktorbehälters statt, auch wenn es die erreichbare Brutquote senkt.)
Die Leistung lag bei 1,2-1,4MW Wärme. Der Dampferzeuger versorgte eine 250kW Turbine mit Dampf, die schließlich am 21. Dezember 1951 zum ersten Mal Strom erzeugte (allerdings nie mit voller Leistung). Der Strom versorgte vor allem die Anlagen innerhalb des Gebäudes, darunter die beim Reaktorbetrieb notwendigen Kühlgebläse. Der Reaktor selbst konnte nach dem Herunterfahren sich selbst überlassen werden. Von 1400kW Leistung bleiben nach einigen Minuten keine 20kW mehr übrig. Das System war darauf ausgelegt, diese Wärme durch natürliche Konvektion des Kühlmittels abzuführen. Ein Bild des Reaktors und eine detaillierte Beschreibung findet sich zum Bespiel hier auf Seite 10.
Neben der Stromerzeugung funktionierte auch das Konzept des Brutreaktors. Die Brutquote betrug 1,01. Es wurden in den ersten Testläufen also 1% mehr Spaltbare Stoffe erzeugt, als verbraucht wurden. Später erreichte man auch 1,23.
Eines soll nicht verheimlicht werden: Von dem Reaktor wird nochmal zu hören sein, wenn ich über Reaktortests, Unfälle und Zwischenfälle bei Kernreaktoren schreibe. Dann gehe ich auch näher auf die sicherheitsrelevanten Eigenschaften ein. Hier wollte ich nur den Reaktor selbst beschreiben, in seiner Funktion als erster Reaktor mit dem Strom erzeugt wurde. Es werden in dieser Reihe demnächst noch weitere Reaktoren vorgestellt, die in den 50er Jahren gebaut wurden und die Vorläufer heute gebräuchlicher Reaktoren sind.
Ich versuche immer eine Themenmischung beizubehalten. Einmal weil so der Blog interessant bleibt. Aber hauptsächlich weil ich festgestellt habe, dass ich die Lust verliere, wenn ich immer nur über ein Thema schreibe.
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