Kritik am DFR

Gelegentlich werfen uns Spezialisten für Kerntechnik, oft aus dem Bereich der klassischen Reaktortechnik mit Leichtwasserreaktoren (LWR), vor, der Dual-Fluid-Reaktor (DFR) wäre wegen der gewählten Materialien und Produktionstechniken nicht realisierbar. Diese Vorwürfe basieren oft auf unzureichender praktischer Erfahrung über Materialen, Fertigungsmethoden und Vorschriften. Die Crux ist, dass im klassischen Reaktorbau bestimmte Materialklassen nicht zur Anwendung kommen und so die LWR-Spezialisten im Rahmen ihrer Berufserfahrung mit den Materialien und Verfahren, die für den DFR geplant sind, nie in Berührung gekommen sind. Demgegenüber gibt es beispielsweise für Keramiken eine über hundertjährige Fachexpertise im Bereich der Chemie-Industrie. Zahlreiche Publikationen über Themen, die für die Verwendung von Keramiken auch unter Neutronenbeschuss wichtig werden, sind bereits Jahrzehnte alt.

Der DFR ist eine komplette Reaktorneuentwicklung. Allerdings verwenden wir Material- und Fertigungstechniken nicht-nuklearer Industriebereiche, wo sich diese lange bewährt haben. Wir sind daher davon überzeugt, dass sich der DFR zügig implementieren lässt. Viele Aspekte des LWRs mit seinen inhärenten spezifischen Risiken sind auf den DFR wegen dessen inhärenter, physikalisch bedingter Sicherheitsmerkmale nicht übertragbar.

Selbstverständlich muss jeder Reaktortyp die allgemeinen Strahlenschutzbestimmungen erfüllen. Für jeden neuen Reaktortyp werden begleitend zur Entwicklung spezifische Vorschriften erstellt, die dem jeweiligen Funktionsprinzip gerecht werden. Dies geschieht insbesondere während Bau und Betrieb einer Testanlage, was für den DFR in ein paar Jahren geplant ist.

Unterschiede zum LWR bestehen vor allem im flüssigen Zustand des Brennstoffs, welcher durch einfachste physikalische Wirkmechanismen im Störfall rein passiv abgelassen und gekühlt wird, und dem ebenfalls drucklosen Primärkühlkreis. Dadurch sind betriebsbedingte Störfälle, die zu einer relevanten Freisetzung von Radioaktivität in die Umgebung führen könnten, ausgeschlossen, und es entfallen die mehrfach redundanten, kostenintensiven, aktiven Sicherheitseinrichtungen des LWR, wozu auch als Teil des computerisierten Reaktorschutzsystems komplexe Mess- und Regelvorrichtungen zählen. Ventile, mechanische Pumpen und andere bewegliche Teile sind in den Hauptkreisen unnötig, wodurch der nukleare Teil insgesamt äußerst wartungsarm wird. Die Struktur des Reaktorkerns wird durch sog. „Impulsvektoranalyse“ der austretenden schnellen Neutronen nach dem Stand der Technik überwacht, so dass Schwächen frühzeitig detektiert werden. Dies wird übrigens mit deutlich geringerer Auflösung der langsamen Neutronen heute auch schon beim LWR umgesetzt. Die kompakten nuklearen Komponenten (Reaktorkern, PPU, abgeschirmte Hauptbrennstoffleitungen) des DFR werden so ausgelegt, dass sie im seltenen Bedarfsfall als Ganzes ausgetauscht werden können. Auch hierfür werden prozedurale Vorschriften begleitend zur Entwicklung mit den Genehmigungsbehörden ausgearbeitet werden.

Wir haben uns auch in der Vergangenheit der Kritik gestellt und von den Kritikern gelernt. Gerne nehmen wir auch heute weitere Anregungen und Fragen auf.  Wir können davon nur profitieren, und die Reaktorentwicklung um so schneller vorantreiben, je mehr kritische Punkte auf unserem Weg vorab durchdacht werden konnten.

Allerdings begegnete uns auch unfaire und unkundige Kritik mit Behauptungen, die sich leicht widerlegen ließen.

  • Bereits 2013 wurde von uns eine Stellungnahme bei Nuklearia veröffentlicht. Der Urheber dieser Behauptungen entfernte darauf hin ohne Aufforderung die Behauptungen von seiner Webseite, die seither nicht mehr in Betrieb ist.
  • Ebenfalls 2013 wurde auf einer energiepolitischen Webseite ausgiebig diskutiert. Die wissenschaftlich unzureichenden Denkansätze eines der Kritiker wurden in diesem Kommentar treffend charakterisiert.

Es folgen die aus unserer Sicht häufigsten Kritikpunkte zum DFR und unsere Stellungnahmen dazu.

»Für Auslegungstemperaturen von 1000 °C gibt es keine erprobten Materialien«

Behauptung

Es gibt keine Materialien, die einer Betriebstemperatur von über 1.000 °C dauerhaft standhalten und dann noch hinreichend stabil und robust sind. Überdies sind die chemischen und physikalischen Materialeigenschaften für die angedachten Keramiken unbekannt, was ein großes Risiko bei der Entwicklung des DFR darstellt.

Für die angedachten Refraktärmetalle gibt es keine gewährleisteten Kennwerte für diese Temperaturen. Die oft in Datenblättern angegebenen Werte beziehen sich auf dünnwandige Bleche. Von realen Bauteilen sind diese Werte nicht zu erwarten.

Es gibt keine Zeitstandwerte, die bei Temperaturen über 400 °C aber notwendig sind. Da liegen noch 100 Jahre Materialforschug vor einem. Dass Refraktärmetalle über 350 °C nicht mehr gegen Luftsauerstoff beständig sind, und das ab 600 °C heftig wird, kommt noch dazu.

Widerlegung

Die Materialforschung zum Thema ist erledigt. Was fehlt und im Verlauf der Entwicklung durchgeführt werden wird, ist die speziell für den Einsatz im DFR durchzuführende Testabfolge für das Genehmigungsverfahren, welche analog zu den ISO-9000 Spezifikationen erfolgt.

Die Langzeiteigenschaften sind teilweise seit Jahrzehnten bekannt. Allein im (begutachteten) DFR-Paper von 2013, hier speziell in Abschnitt 7 „Materials and fabrications“, sind die erforderlichen und möglichen Materialien genau beschrieben, belegt durch über ein Dutzend Quellenangaben aus den letzten Jahrzehnten. Viele Zeitstandsfestigkeiten wurden bereits in den 70er Jahren untersucht und stetig bis heute verbessert. Große Überraschungen sind hier nicht zu erwarten, aber selbstverständlich müssen – wie bei jeder technischen Entwicklung – Tests für unsere spezielle Anordnung durchgeführt werden.

Hier sei nur auszugsweise Literatur zu Refraktärmetalllegierungen aufgeführt:

  • Indischer IHTR und CHTR, 1000 °C, gekühlt mit Pb-Bi oder Salzschmelze, Refraktärmetalle und SiC als Materialien: hier und hier.
  • NASA-Report von 1970(!), welcher bereits Zeitstandsfestigkeiten von 100.000 Stunden (approximiert) für MHC-Barren (knapp 1 cm, also keine „dünnwandigen Bleche“) bei 100 MPa und 1300 °C zeigt.
  • Anwendungen für Mo-Legierungen, z.B. für Glasschmelzen: hier. Zudem werden dort Zeitstandsfestigkeiten in ähnlicher Größenordnung wie bei der NASA gezeigt.
  • Sogar Tests zur Neutronenversprödung bei Mo-Legierungen bis 1000 °C, kann man finden.

Daten zu SiC sind ebenfalls reichlich durch einfache Internetsuche zu finden, ist es doch in der Industrie schon seit Jahrzehnten in Verwendung. Wenn zudem die Bruchzähigkeit von z.B. SiC ein Problem sein soll, wieso wird dieses Material etwa auch für LWR-Brennstabhüllen in Betracht gezogen, wo man doch bewährte Ziralloy-Legierungen hat? Beim AHTR (wird mit Flüssigsalz gekühlt) zieht man SiC bis immerhin 700 °C in Betracht.

Große TZM-Teile können bereits von der Stange gekauft werden, z.B. hier, und aus Siliziumkarbid erhält man sogar ganze Wärmetauscher. Das sind nur die auffälligsten Beispiele – durch einfache Suche findet man zahlreiche Firmen, die große Teile serienmäßig anbieten. Als Spezialanfertigung ist hier natürlich noch viel mehr möglich.

Die dort beschriebenen Teststücke sind definitiv nicht nur Folien oder Bleche, sondern massive Werkstücke. Zudem sollte man die relativen Werteunterschiede bei verschiedenen Materialien unter gleichen Bedingungen beachten. Zum Vergleich diese und diese spontan gefundenen Daten zu Nickellegierungen und ODS-Stählen, wie sie im Nuklearbereich angedacht bzw. verwendet werden. Sie zeigen in den kritisierten Materialtests ähnliches Zeitstandsfestigkeitsverhalten, wenn auch nur bis Temperaturen von etwa 700 bis 800 °C.

Es ist ja möglich, dass die Refraktärmaterialien noch nicht endgültig für die Verwendung im Nuklearbereich ausgetestet wurden, aber dass hier nicht absehbare Forschungszeiträume zu erwarten sind, kann definitiv ausgeschlossen werden – eher das Gegenteil ist anzunehmen.

Dass die bekannte Reaktionsfreudigkeit von Mo oder Bi mit Sauerstoff ein Problem sein könnte, ist falsch, denn im geschlossenen Nuklearteil des DFR ist eine Inertgasatmosphäre (Argon) vorgesehen, wie sie auch für das wesentlich reaktivere Natrium beim SFR schützt.

»Für die vorgesehenen Materialien gibt es keine Füge- und Verarbeitungstechniken«

Behauptung

Es gibt keine Möglichkeiten, keramische Materialien so zusammenzufügen, dass sie einer kerntechnischen Begutachtung standhalten. Damit wird der DFR dauerhaft nicht genehmigungsfähig sein.

Siliciumkarbid (SiC) entzieht sich dem Lasermodellieren, und Keramiken lassen sich für 3D-Drucktechniken nicht verwenden.

Widerlegung

Zu Mo-Legierungen und deren industriell bekannten Bearbeitungsmöglichkeiten, inklusive Fügeverfahren, gibt es zahlreiche Daten, z.B. hier, hier, hier, hier, hier und hier.

Additive Verfahren („3D-Druck“) für SiC benötigen Precursormaterialien, welche gedruckt und dann entweder als Ganzes (hier) oder direkt beim Druck mit dem Laser (hier) geheizt werden. Weitere Aktivitäten hat die NASA zusammenfassend beschrieben. Boride und viele Oxidkeramiken werden in kleinen Skalen ebenfalls gedruckt – in Deutschland z.B. verwendet die Steinbach AG die schichtweise Lithographie, um u.a. Oxidkeramikbauteile herzustellen. Auch Wärmetauscher aus Keramik-Metall-Kompositwerkstoffen (refraktär, Zirkoniumcarbid mit Wolfram) möchte man bald mit überschaubarem Aufwand herstellen.

Seit mehreren Jahren gibt es das Forschungsgebiet Innovative Lasertechnologien am Institut für Wasserstoff- und Kernenergietechnik der TU Dresden. Hier beschäftigt man sich intensiv mit dem Fügen von Keramiken, insbesondere Siliziumcarbid (SiC), mit Hilfe von Lasern und verschiedenen Oxidkeramiken. Hier sind bereits gefügte SiC-Proben Neutronenbestrahlungstests unterzogen worden und halten diesen stand. Es geht dabei auch um den Einsatz im Nuklearbereich. Die kommerzielle Umsetzung der entwickelten Verfahren führt das Spin-off Unternehmen Siceram durch.

»Der DFR (und der MSR) ist eine „Strahlenhölle“«

Behauptung

Beim Leichtwasserreaktor (LWRs) befinden sich die Brennelemente in einem Wasserbad, wodurch die Strahlung abgeschirmt wird. Dies ermöglicht Wartungsarbeiten. Beim MSR oder DFR fehlt diese Abschirmung. Wartungsarbeiten sind somit für Menschen unmöglich.

Widerlegung

Nach der gleichen Logik wäre der natriumgekühlte Reaktor (SFR) eine erheblich heißere „Strahlenhölle“, denn dort befindet sich auch kein Wasser. Und auch der LWR wird zur „Strahlenhölle“ wenn man sich direkt neben den Brennelementen aufhält. Dort hat aber niemand etwas zu suchen, genausowenig, wie jemand sich in den DFR-Reaktorkern setzen soll, wenn dieser in Betrieb ist oder war.

Bereiche, in denen sich Menschen aufhalten, sind selbstverständlich so auszulegen, dass die Strahlenschutzgrenzwerte eingehalten werden. Der Strahlenschutz hängt nicht davon ab, ob irgendwo Wasser ist, sondern muss für jeden nukleartechnischen Anlagentyp ausgelegt und behördlich genehmigt werden. Grundlegende technische Hindernisse gibt es hier nicht und es ist auch kein Fall in der Geschichte bekannt, dass eine Anlage aus Gründen des Strahlenschutzes als „nicht baubar“ angesehen wurde.

Speziell beim DFR ergibt sich eine sehr gute Abschirmung bereits durch das Kühlmittel Blei, das den Reaktorkern umspült. Blei wird im Gegensatz zu Wasser kaum aktiviert, maximal eine Größenordnung über Natururan nach Jahrzehnten Volllastbetrieb. Die Aktivität wird hauptsächlich verursacht durch Alphastrahlung des kurzlebigen Polonium-210, welches nach vier Jahren abgeklungen ist  – anders als das Tritiumwasser im LWR. Die Zu- und Ableitungen des Flüssigbrennstoffs, die es beim LWR logischerweise nicht gibt, werden beim DFR ebenfalls durch Blei temperiert und somit auch abgeschirmt. Allein durch diese Maßnahmen ist die Umgebung bereits vergleichbar mit dem LWR, jedoch mit dem Unterschied, dass man im Falle von Wartungsarbeiten den Flüssigbrennstoff ablassen würde, wodurch die Radioaktivität im Reaktorkern auf einen winzigen Bruchteil von der des LWR-Kerns reduziert wird.

Schließlich ist anzumerken, dass am DFR-Kern wegen fehlender mechanisch-beweglicher Teile kaum Wartungsarbeiten durchzuführen sind. Der einzig denkbare Schaden ist eine Leckage. In diesem Fall würde man den kompletten Reaktorkern durch dafür vorgesehene Schleusen austauschen.

»Die Radioaktivität im DFR-Kern und den Rohren kann für Wartungsarbeiten nicht ausreichend reduziert werden«

Behauptung

Es reicht nicht, den Brennstoff aus den Rohren abzulassen. Bei der Kernspaltung entsteht das halbe Periodensystem, und all diese Elemente reagieren mit der Wandung und bilden Verkrustungen. Allein diese Strahlung reicht aus, jegliche Wartunsarbeit an den Rohren unmöglich zu machen. Beim LWR hingegen werden die Brennstäbe während der Revision im Brennelemente-Becken gelagert. Die Hüllrohre eines LWR sind Austauschteile, an die niemand dran muss. Die Rohrführung eines DFR hingegen sollte schon in gewissen Intervallen geprüft werden, insbesondere die Verbindungsstellen. Dies ist beim DFR nicht möglich.

Auch nach einer Rohr-Reinigung kann die DFR-Reaktorhalle nicht betreten werden, denn es gibt keine „inerte“ Flüssigkeit, mit der die Rohre nach dem Ablassen des Flüssigbrennstoffs beim DFR oder MSR „gespült“ werden könnten. Für LWRs werden auch Reinigungsprogramme angeboten, insbesondere für den PWR, bei denen der Primärkreis durch die korrosionsgeschützte Ausführung und dem Medium Wasser viele Möglichkeiten bietet. Die Erfolge waren aber nur mäßig.

Widerlegung

Mögliche Ablagerungen an der Innenwand der DFR-Brennstoffführung sind nicht vergleichbar mit Ablagerungen durch Pellets in der Innenwand eines LWR-Brennstabs oder der Aktivierung der Strukturmaterialien des LWRs. Im Pellet liegen Uran und Spaltprodukte unbeweglich als Oxide vor. Bei ca. 1000 °C verbacken diese regelrecht mit der Wand. Der DFR-Brennstoff hingegen ist flüssig, besteht aus frei beweglichen Atomen und ist ständig in Bewegung. Nennenswerte Oberflächenablagerungen direkt nach Ablassen des Brennstoffs sind hier höchstens im Mikrometerbereich, eher im zwei- bis dreistelligen Nanometerbereich zu erwarten.

Zu Wartungszwecken wird im DFR der Brennstoff abgelassen und die Rohre anschließend gespült. Letzteres geschieht rein physikalisch durch eine „inerte“ (d.h. nicht nuklear kritisch werdende) Flüssigkeit, z.B. durch reines Uranchlorid (DFR/s) oder Uran-Chrom-Eutektikum (DFR/m) ohne starke Spaltstoffnuklide, wodurch die Ablagerungen aufgelöst werden. Die Radioaktivität an der Außenwand der Rohre sinkt dadurch um einen Faktor von mehr als 1 Milliarde gegenüber dem augeschalteten Zustand mit Brennstoff, der mit einem ausgeschalteten LWR vergleichbar ist. Die Restaktivität des DFR-Kerns liegt dann im TBq-Bereich (dominiert von 14C) oder, bezogen auf dessen zylinderförmige Oberfäche, 0,1 TBq pro m². Die Zu- und Ableitungen haben nur etwa ein Hunderstel, die PPU wegen ihrer deutlich geringeren Innenoberfläche ebenfalls nur einen geringen Teil der Aktivität des Kerns. Letztere kann wegen ihrer sehr hohen Temperaturauslegung sorgfältig ausgeheizt werden, wodurch praktisch alle Bestandteile abgedampft werden können.

Beim MSR wurde dieser Spülvorgang der Komponenten, dort mit dem Trägersalzeutektikum Li/Be/F, durchgeführt und erprobt.

Die Aktivität von 0,1 TBq/m² erreicht der Reaktordruckbehälter (RDB) eines LWR, dessen Brennelemente entnommen wurden, erst nach 2 Jahren Abklingzeit. Anfangs hat dieser eine Aktivität von 10.000 TBq pro m²! (Siehe hier, eine Tonne RDB entspricht grob einem m² Oberfläche). Da das Wandmaterial direkt aktiviert wird, kann diese Aktivität nicht herausgewaschen werden.

Ein Zugang zum DFR-Reaktorraum ist dann also kein Problem, zumal Kern und Zu- bzw. Ableitungen ja noch zusätzlich durch Bleiummantelungen geschirmt werden können. Arbeiten direkt am Rohr der Brennstoffzu- oder -abführung wären mit entsprechenden Schutzvorkehrungen schwierig, aber auch möglich, eine Prüfung aber auf jeden Fall. Dabei ist anzumerken, dass diese Leitungen ohnehin wartungsfrei ausgelegt werden, d.h. redundant dickwandig ohne Ventile und wegen der nötigen Temperierung durch Bleiumspülung zusätzlich doppelwandig. Treten hier unwahrscheinlicherweise Fehlstellen auf, wird das Rohr als Ganzes ausgetauscht. Das gleiche gilt für den Reaktorkern.

»Die unterkritischen Tanks sind nicht zugänglich«

Behauptung

Die unterkritischen Behälter beim DFR und MSR, in welche der Brennstoff abgelassen wird, sind hochkontaminiert. Ein Zugang ist somit nicht mehr möglich. Wenn man da eine Heizschlange austauschen soll, strahlt man so richtig. Beim LWR sind die Brennelemente während der Revision im Lagerbecken. Da wird überhaupt nichts versaut.

Widerlegung

Zunächst sei darauf hingewiesen, dass die unterkritischen Tanks in keiner Weise mit Komponenten des LWR zu vergleichen sind. Die Tanks und Rohrführungen für den Brennstoff arbeiten drucklos und besitzen keine mechanischen Komponenten wie Ventile o.ä.

Die Aufheizung der Tanks erfolgt über fest installierte Heizlanzen – eine sehr einfache und robuste Elektrik. Für den unwahrscheinlichen Fall, dass Lanzen ausfallen, kann dies mit einer gewissen Redundanz ausgelegt werden. Der Brennstoff wird nach der Aufheizung durch das feste Rohrsystem nach oben befördert. Die Auslegung erfolgt wartungsfrei, was bei einer derart einfachen Konstruktion möglich ist.

Genau wie der Reaktorkern können auch die Tanks gespült und somit von einem Großteil der Radioaktivität befreit werden. Zumindest über Manipulatoren im Raum sind Arbeiten möglich. Aber, wie erwähnt, eine Wartung sollte nicht notwendig sein.

Schließlich sei auf das EU-geförderte SAMOFAR-Projekt verwiesen, bei dem ein ganz ähnliches Konzept für die unterkritischen Tanks verfolgt wird. SAMOFAR ist die europäische Implementierung des Generation-IV-MSR-Konzepts mit dutzenden Wissenschaftlern und Ingenieuren aus ca. 10 renommierten Instituten.