Was man als die ersten Kernkraftwerke der Welt bezeichnet, ist vor allem eine Definitionsfrage. Aussichtsreiche Kandidaten wurden in der Sovietunion, England und den USA gebaut. Und zwar in dieser Reihenfolge. Das erste Kandidat wurde in der Sovietunion gebaut und im Juni 1954 in Betrieb genommen. Obninsk I oder AM-1 lieferte 5MW Strom ans öffentliche Netz. Das tat man noch bis 1959. Danach wurde der Reaktor noch bis 2002 als Forschungsreaktor genutzt. (Der Link lohnt sich, es gibt dort eine Reihe Originalphotos.)
1955 wollte die Sovietunion dieses Kernkraftwerk auf einer internationalen Konferenz präsentieren. Daraufhin wurde in den USA eilig der Experimentalreaktor BOXAX II (ein Siedewasserreaktor) zusammen mit einer Dampfturbine und einem Generator noch einmal nachgebaut und dann BORAX III genannt. Der erzeugte Strom, maximal 0,5 MW, wurde dann ins Netz des 1000 Einwohner Orts Arco eingespeist. Der Betrieb dieses Reaktors wurde im Jahr darauf eingestellt. Es fiele mir schwer, das als ein Kraftwerk zu bezeichnen. Aber über BORAX wird im nächsten oder übernächst Artikel der Serie noch einiges zu sagen sein.
Sehr viel leichter fällt das bei Englands erstem Kernkraftwerk Calder Hall, in Sellafield. Es lieferte im August 1956 den ersten Strom ins Netz und wurde im Oktober des gleichen Jahres von der Queen, die noch immer die gleiche ist, eingeweiht. Die Leistung betrug anfänglich 28MW und wurde später auf 60MW gesteigert. Es wurde erst nach 47 Jahren im Jahr 2003 abgeschaltet – und weitere 12 Jahre später ist die Queen immernoch im Amt.
Allerdings war die Gewinnung von Strom ursprünglich nicht der Hauptzweck dieses Reaktors. Es ging um die Erzeugung von waffenfähigem Plutonium für das britische Kernwaffenprogramm. (Leider kamen sie zu spät um noch vor dem Feuer in einem der Luftgekühlten Reaktoren dort diese Aufgabe zu übernehmen.) Die Magnox Reaktoren wurden von Anfang an dafür gebaut, dass man Brennstäbe während des laufenden Betriebs bei voller Leistung austauschen kann. Davon wurde am Anfang auch mit Sicherheit viel gebrauch gemacht. Am Ende dienten sie aber ohne Zweifel nur noch der Stromproduktion. Es gibt auch so genug Sprengköpfe und waffenfähiges Plutonium in Großbritannien.
Für die Druckröhrenreaktoren in der Sovietunion (RBMK), die nach dem gleichen Prinzip wie der Reaktor in Obninsk gebaut wurden, gilt übrigens das selbe. Allerdings wurde die Produktion von waffentauglichen Plutonium dort erst unter Michael Gorbatschow 1985 eingestellt. Aber die Nutzung dieser Art von Reaktoren war bis dahin zumindest teilweise immer militärisch. Das war auch der Grund, weshalb 1986 ein Militäroffizier das Kommando über den Reaktor von Tschernobyl hatte.
Der Vollständigkeit halber sei gesagt, dass das erste Kernkraftwerk der USA war der Shippingport Reaktor war. Ein Druckwasserreaktor mit einer Leistung von 60MW. Er lieferte im Dezember 1957 den ersten Strom. Aber über diesen Reaktor wird es einen extra Artikel geben.
So ähnlich und doch so verschieden
Die Reaktoren in England und der Sovietunion hatten eine wichtige Gemeinsamkeit und einen wichtigen Unterschied: Beide sind graphitmoderierte Reaktoren. Aber die englischen “Magnox” Reaktoren wurden von den luftgekühlten Reaktoren abgeleitet und mit CO2 gekühlt. Die Brennstäbe des sovietischen Reaktors wurden aber mit Wasser in Druckröhren gekühlt. Es war der Vorgänger des RBMKs, der auch in Tschernobyl gebaut wurde.
Das bringt zwei große Unterschiede mit sich. Zum einen kann man die Magnox Reaktoren mit natürlichem Uran betreiben.Das Kühlmittel nimmt praktisch keine Neutronen auf und auch die Magnesium-Aluminium-Legierung der Brennstäbe, bringt kaum Verluste mit sich. (Magnox steht für “Magnesium-non-oxidizing”.) Der sovietische Druckröhrenreaktor brauchte hingegen 5% angereichertes Uran, weil sowohl das Wasser als auch der Stahl aus dem die Röhren bestanden, Neutronen absorbieren. Damit war dieser Reaktor nicht schlechter als Druckwasserreaktoren oder Siedewasserreaktoren. Er hatte aber den Vorteil, dass er nicht aus einem einzigen, großen Reaktorbehälter bestand. Die Druckröhren ließen sich viel einfacher und billiger in Massenproduktion herstellen. Es war auch kein Problem mit dem gleichen Bauprinzip einen größeren Reaktor mit viel höherer Leistung zu bauen. Und das tat man auch.
Die Magnox Reaktoren hatten Anfangs noch Behälter aus Stahl, was wegen des geringeren Drucks durchaus möglich war. Aber später nutzte man mit Stahl ausgekleidete Behälter aus Spannbeton, wie er etwa auch beim Bau von Staudämmen und Brücken üblich ist.
Anders als CO2, ist Wasser im Inneren eines Kernreaktors aber niemals nur ein Kühlmittel. Das CO2 hat trotz des Drucks von 7-27 bar (je nach Bauart) schon nur einen Bruchteil der Dichte als Wasser. Dazu kommen noch die viel kleineren Neutronenquerschnitte. Im Resultat ändert sich an den restlichen Eigenschaften des Reaktors praktisch nichts, wenn CO2 als Kühlmittel aus dem Reaktor entkommt.
Wasser ist dagegen ein sehr guter Moderator für Neutronen, absorbiert Neutronen aber gleichzeitig auch. Wenn das Wasser in den Druckröhren fehlt, dann gibt es innerhalb der Druckröhren mehr Neutronen die noch dazu schneller sind. Die schnellen Neutronen gehen aber nicht verloren, weil sie früher oder später in den Moderator geraten und abgebremst werden. Davor haben sie aber noch die Chance Atome zu spalten bevor sie abgebremst werden, wobei mehr Neutronen als sonst frei werden. Beides zusammen verändert die Reaktorphysik ganz erheblich, wenn das Wasser aus den Druckröhren verschwindet.
Wie genau das sich die Reaktorphysik verändert und unter welchen Umständen würde hier zu weit führen. Es kommt dann später in einen Artikel nur zu diesem Reaktortyp und den Unfall von Tschernobyl. Ich habe gerade versucht eine kurze Erklärung zu schreiben, aber die wäre entweder zu sehr verkürzt und vereinfacht (wie sonst überall), oder sie würde einfach nur verwirren. Also lasse ich das für’s erste.
Der Nachteil von CO2 als Kühlmittel
Das CO2 ist der große Vorteil und der große Nachteil der englischen Magnox Reaktoren. Es ist für einen Reaktor als Kühlmittel gut geeignet. Aber man kann nicht auf einen Jahrhunderte alten Erfahrungsschatz zurückgreifen wie beim Wasser. Wasser wurde in allen möglichen Dingen unter hohem Druck und hohen Temperaturen verwendet, vom Schnellkochtopf zur Heizung, von der Dampflokomotive bis zu den Turbinen mit denen die Reaktoren den Strom erzeugten. Fehlende Erfahrung im Umgang mit CO2 machte solche Reaktoren teuer und in einigen Bereichen fehleranfällig.
Anders als beim Wasser kannte man sich zum Beispiel noch nicht mit den Korrosionseigenschaften von heißem CO2 unter hohem Druck aus. Deswegen musste man nach einigen Jahren die Temperaturen im Reaktor senken, als sich zeigt, dass die Korrosion weiter fortgeschritten war, als man erwartet hat. Das senkte die Leistung. Aber es war natürlich nur möglich das zu tun, weil man vorsichtig war und die Reaktoren regelmäßig untersucht hat. (Man verweist ja sehr gern auf Fehler die von den Betreibern selbst gefunden wurden und behauptet, es wäre ein Beleg für Inkompetenz.) Solche Probleme sorgen für höheren Wartungsaufwand und können die Leistung oder Lebensdauer erheblich einschränken. Rein wirtschaftlich betrachtet ist das ein sehr großes Problem für ein Kraftwerk, dass über Jahrzehnte laufen muss, um sich zu rechnen. Aber die Probleme stellen sich langsam ein und sind deswegen kein akutes Sicherheitsproblem.
Die Vorteile von CO2 als Kühlmittel
Die Verwendung von Gas als Kühlmittel hat auch einige große Vorteile. Gas hat nicht nur wenig Einfluss auf die Kettenreaktion im Reaktor, es verändert auch nicht plötzlich seine Kühleigenschaften. Wenn flüssiges Wasser verdampft, verliert es fast die gesamte Kühlwirkung. Mit Gas kann das nicht passieren. Die Spielräume für die Temperatur, gerade im Notfall, werden dadurch viel größer.
Höhere Temperaturen führen zur Ausdehnung der Brennstäbe und besserer Absorbtion von Neutronen. Das verlangsamt die Kettenreaktion. Um so größer die Spielräume für die Temperaturen sind, um so besser für sie Sicherheit des Reaktors. Vor allem ist immer gewährleistet, dass ein heißerer Reaktor immer zu einer schlechteren Reaktivität führt. Es kann somit also nicht passieren, dass sich die Kettenreaktion in einem heißen Reaktor sich wegen der Hitze noch weiter verstärkt.
Ein Leck kann mit Flüssigkeiten dazu führen, dass die gesamte Flüssigkeit bis zur Höhe des Lecks ausläuft und dann praktisch gar nicht mehr kühlt. Ein Gas kann aber niemals ganz verschwinden. Wenn der Reaktor unter 25bar Druck steht und ein großes Leck entsteht, fällt der Druck schlimmstenfalls auf 1bar ab. Damit bleiben immernoch 4% der Kühlwirkung erhalten – genug um die Zerfallswärme von unter 1% der Reaktorleistung abzuführen. (Wobei die Kühlleistung vor allem von der Temperatur der Brennstäbe abhängt. Wenn das Material sehr hohe Temperaturen aushält, wird es die Zerfallswärme notfalls auch ganz ohne Kühlmittel durch reine Wärmestrahlung los.)
Die fehlende Erfahrung im Umgang mit CO2 und anderen Kühlmitteln (wie Natrium, Blei oder flüssigen Salzen) war auch der Grund für die Verwendung von Wasser als Kühlmittel in Obninsk und für den Erfolg der Druck- und Siedewasserreaktoren. Es gab weitaus weniger unerwartete Probleme in der Wartung und im allgemeinen Umgang mit Wasser. Das machte die Reaktoren billiger, zuverlässiger und leichter zu konstruieren – und damit wirtschaftlich erfolgreich. Gleichzeitig sammlte man um so mehr Erfahrung im Betrieb der wassergekühlten Reaktoren.
Wie gute Techniken trotzdem (vorerst) scheitern
Während in England der letzte Magnox Reaktor in Wylfa wohl im Dezember abgeschaltet wird und vom Nachfolger – dem “Advanced Gas-cooled Reactor” (AGR) – nur 11 Exemplare gebaut wurden, sollte man das Prinzip noch nicht abschreiben. Die in Deutschland entwickelten Hochtemperaturreaktoren wurden inzwischen in China wieder aufgegriffen und zur Serienreife entwickelt. Durch die Verwendung von Helium hat man keine Korrosionsprobleme mehr und die mit Siliziumkarbid ummantelten Brennelemente in den Graphitkugeln halten Temperaturen bis 1600 Grad aus. Der erste Testreaktor HTR-10 ist seit über 10 Jahren in Betrieb und die ersten beiden Prototypen für die Serienproduktion (HTR-PM) befinden sich im Bau.
Die ersten Kernkraftwerke der Welt zeigen ganz gut, wie es zu den heutigen Kernkraftwerken gekommen ist. Der Ursprung der ersten echten Kernkraftwerke in der Waffentechnik läßt sich nicht leugnen. Wie ich schon einmal geschrieben habe. Auch die Konstruktion des Shippingport Reaktors basiert auf der Konstruktion und der Erfahrung die beim Bau des ersten Atom-U-Boots gemacht wurde. Aber auch die Ursprünge des Computers auf dem ich das hier schreibe, liegen in der Waffentechnik. Genauso wie eine ganze Reihe anderer Dinge in unserem Alltag. Es ist am Ende eine Frage der Verwendung und nicht des Ursprungs.
Man sieht auch, weshalb sich bestimmte Techniken durchsetzen konnten. Um so mehr von der Technologie eines Kernkraftwerkes auf lange bekannten Techniken beruhte, um so eher konnte man es in kurzer Zeit entwerfen und störungsfrei und wirtschaftlich betreiben. Die im Lauf der Zeit gewachsenen Anforderungen stellen heute aber ein wachsendes Geflecht von Widersprüchen dar. Denn die Techniken mit denen man die meiste Erfahrung hat, sind nicht immer die besten Techniken für Kernkraftwerke.
Durch das Beharren auf etablierter Technik und absolut störungsfreien Betrieb, wird die Einführung besserer Technologien verhindert, weil dort an einzelnen Stellen noch Erfahrung gesammelt wird. Problematisch ist vor allem, dass bei Störungen nicht unterschieden wird, ob sie sicherheitsrelevant sind oder nicht. Es ist zum Beispiel für die Sicherheit nicht relevant, wenn nach 5 Jahren Betrieb festgestellt wird, dass die Korrosion so stark ist wie man es nach 10 Jahren erwartet hätte. Bei einer geplanten Lebensdauer von 50 Jahren gibt es mehr als genug Spielraum um das Problem in Griff zu bekommen, lange bevor es ein Sicherheitsproblem werden kann. Aber das wird so nicht gesagt.
Der Mangel an Differenzierung zwischen Problemen und Gefahren hat in der westlichen Gesellschaft zu einem seit Jahrzehnten anhaltenden Entwicklungsstillstand in vielen Bereichen geführt, nicht nur in der Kernkraft. Gelöst wird dieser gordische Knoten heute nicht mit dem Schwert, sondern durch Ausweichen in andere Länder. Die neueste Technik, die unserer in der Sicherheit fundamental überlegen ist, wird heute in China und Russland zuerst gebaut. Es gibt dort andere Probleme. Die Einhaltung der vorgeschriebenen Materialen war schon in Südkorea ein Problem und wird in China wohl noch genauso auftauchen. Aber bevor man das kritisiert, sollte man sich daran erinnern, dass wir die gleiche Technik hier hätten haben können. Und zwar unter hervorragender Kontrolle aller Bauvorschriften und Materialnormen. Aber es nicht taten, weil alles Neue, trotz aller Verbesserungen, mit Unsicherheit gleichgesetzt wurde.
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