Hochtemperaturreaktor

 
Kernkraftwerk mit Thorium-Hochtemperaturreaktor (THTR-300 bei Hamm)

Eine weitere Möglichkeit, Kernenergie zur Erzeugung elektrischer Energie zu nutzen, bietet der Hochtemperaturreaktor. Wie im Namen ausgedrückt wird, können mit diesem Reaktortyp relativ hohe Temperaturen erzeugt werden. Während Leichtwasserreaktoren Kühlmitteltemperaturen bis etwa 330 °C und schnelle Brüter bis 550 °C erreichen, liegt bei Hochtemperaturreaktoren die Kühlmitteltemperatur bei 750 °C und darüber. Es kann dann nicht nur Dampf zum Antrieb von Turbinen, sondern auch Prozesswärme (z. B. zur Kohlevergasung) erzeugt werden.

In der Nähe von Hamm (Westfalen) ist von 1985 bis 1989 ein Hochtemperaturreaktor betrieben worden, um technische Erfahrungen mit dieser Technologie zu gewinnen. Aus wirtschaftlichen Gründen wird die Reaktorlinie jedoch in Deutschland zurzeit nicht weiterverfolgt. Da sie aber eine technisch sehr interessante Lösung darstellt, wird das Demonstrationskraftwerk von Hamm hier beschrieben.

Die Brennelemente in dem bei Hamm-Üntrop errichteten Hochtemperaturreaktor THTR-300 waren Graphitkugeln mit einem Durchmesser von 6 cm. Sie enthielten als Spaltstoff etwa 1 g Uran-235 und als Brutstoff etwa 10 g Thorium-232 in Form beschichteter Teilchen von 0,5 bis 0,7 mm Durchmesser. Etwa 35 000 solcher umhüllten Teilchen waren in einer Kugel untergebracht.

Das Uran-235 lässt sich durch langsame Neutronen spalten. Aus dem Thorium-232 wird Uran-233 erbrütet, das ebenfalls durch langsame Neutronen spaltbar ist. Während des Betriebes erzeugte sich der Thorium-Hochtemperaturreaktor also einen Teil des Spaltstoffs selbst. Bei diesem Reaktortyp wurde Graphit als Moderator verwendet. Da Spalt- und Brutstoff sowie Moderator miteinander gemischt waren, handelte es sich also um einen homogenen Reaktor.

Rund 675 000 kugelförmige Betriebselemente waren in dem Reaktor untergebracht. Diese Erstbeladung bestand aus ca. 360 000 Brennelementkugeln, ca. 280 000 Graphitkugeln (zusätzlicher Moderator) und ca. 35 000 bordhaltigen Kugeln (Absorber).

Die Brennelementkugeln befanden sich in einem Behälter aus Graphitblöcken mit einem Durchmesser von 5,6 m und einer Höhe von 6 m. Er stützte den Kugelhaufen ab und diente gleichzeitig als Neutronenreflektor. Um die bei den Kernprozessen auftretende Gammastrahlung abzuschirmen, war der Graphitbehälter von einem eisernen Schild umgeben.

Die im Reaktor erzeugte Wärme wird durch das Edelgas Helium nach außen geführt (Heliumkühlkreis). Es strömt von oben mit einer Temperatur von 250 °C in den Reaktor und verlässt ihn unten mit einer Temperatur von 750 °C. In 6 Dampferzeugern gibt das Helium seine Wärme an einen Wasser-Dampf-Kreislauf ab. Zur Steuerung und Abschaltung des Reaktors können 42 Regelstäbe von oben in den Kugelhaufen eingefahren werden.


Die Hauptkomponenten (Kugelhaufen, Neutronenreflektor, Schild aus Eisen, Dampferzeuger, Kühlmittelgebläse sowie Einrichtungen zur Reaktorsteuerung und Reaktorabschaltung) sind in einem berstsicheren Spannbetonbehälter mit einer Wandstärke von 4,5 bis 5 m untergebracht. Er hält dem Innendruck von etwa 40 bar (4 MPa) stand und dient gleichzeitig zur Abschirmung der Neutronen- und Gammastrahlung.

Im Reaktordruckbehälter befindet sich auch die Beschickungsanlage. Sie ermöglicht eine fortlaufende Entnahme und Zugabe der kugelförmigen Brennelemente. Bei Volllast werden an einem Tag 3 700 Kugeln umgesetzt und etwa 620 abgebrannte Brennelemente durch neue ersetzt. Die Brennelemente sollten im Mittel ungefähr drei Jahre im Reaktor bleiben und ihn in dieser Zeit rund 6-mal durchlaufen.

Mit dem in den Wärmetauschern erzeugten Dampf wird eine Turbine angetrieben, die mit einem Generator gekoppelt ist. Zur Kondensatorkühlung wird bei dem Thorium-Hochtemperaturreaktor ein Kühlkreislauf mit einem so genannten Naturzug-Trockenkühlturm verwendet. Die durch den Turm emporsteigende Luft führt die Wärme des Kondensatorkühlkreises ab. Die Wärme wurde also nicht, wie in den Beispielen vorher, an einen Fluss, sondern an die Luft abgegeben.

Der Thorium-Hochtemperaturreaktor zeichnet sich durch besondere Sicherheit aus. Das als Kühlmittel verwendete Helium wird durch Neutronenbestrahlung praktisch nicht aktiviert. Außerdem verhält es sich auch bei hohen Temperaturen chemisch neutral. Da Helium ein Gas ist, spielte auch der Dampfblasenkoeffizient keine Rolle. Der in den Brennelementkugeln eingesetzte Graphit mit einer Schmelztemperatur von 3 650 °C kann bei den im Reaktor auftretenden Temperaturen nicht schmelzen.