Neuer Thorium-Brennstoff könnte bestehende Atomkraftwerke effizienter machen – ohne dass dafür neue Reaktoren gebaut werden müssen

Ein Thorium-Brennstoff hat sich im Forschungsreaktor bewährt und soll nun für den Einsatz in bestehenden Atomkraftwerken geprüft werden.

In fast allen heutigen Kernkraftwerken steckt Uran als Brennstoff. Thorium spielt bislang kaum eine Rolle, obwohl es seit Jahrzehnten als Alternative diskutiert wird. Interessant wäre ein neuer Brennstoff vor allem dann, wenn er länger im Reaktor bleibt, mehr Energie liefert und weniger abgebrannten Brennstoff hinterlässt – ohne dass dafür erst völlig neue Reaktoren gebaut werden müssen.

Ein neuer Thorium-Brennstoff namens ANEEL soll genau diesen Weg gehen. Er kombiniert Thorium mit angereichertem Uran und ist für bestehende Reaktortypen gedacht. Bei einem mehrjährigen Bestrahlungstest am Idaho National Laboratory erreichte ANEEL einen Abbrand von mehr als 60 Gigawatt-Tagen pro Tonne Uran. Vereinfacht gesagt heißt das: Aus dem Brennstoff ließ sich über lange Zeit viel Energie gewinnen, bevor er ersetzt werden musste. Eine technische Analyse des Konzepts erschien dazu im Fachjournal Nuclear Engineering and Design.

Thorium-Brennstoff erreicht hohen Abbrand im Forschungsreaktor

Hinter ANEEL steht das US-Unternehmen Clean Core Thorium Energy, kurz CCTE. Der Brennstoff ist vor allem für bestehende wassergekühlte Druckschwerwasserreaktoren wie die kanadischen CANDU-Anlagen gedacht. Seine Brennelemente sollen in die vorhandene Reaktortechnik passen. Ein komplett neuer Thorium-Reaktor wäre für einen ersten Einsatz damit nicht nötig.

Für den Belastungstest kamen kleine ANEEL-Brennstäbe in den Advanced Test Reactor des Idaho National Laboratory. Die Bestrahlung begann 2024. Zwölf Teststäbe sollten unterschiedliche Abbrandstufen von 20, 40 und schließlich mehr als 60 GWd/MTU erreichen. Die höchste Stufe wurde 2026 überschritten.

Für den späteren Kraftwerkseinsatz ist das interessant, weil ein höherer Abbrand eine bessere Ausnutzung des Brennstoffs ermöglichen kann. Brennelemente könnten länger Energie liefern, bevor sie ersetzt werden müssen. CCTE spricht außerdem von weniger abgebranntem Brennstoff pro erzeugter Strommenge. Diese Vorteile müssen sich im regulären Reaktorbetrieb allerdings erst bestätigen.

Forschungsreaktor ist noch kein Atomkraftwerk

Der Advanced Test Reactor am Idaho National Laboratory ist ein Forschungsreaktor mit sehr hoher Neutronenflussdichte. Dort lassen sich Brennstoffe in kurzer Zeit intensiv bestrahlen und unter hohen Belastungen prüfen.

Nach der Bestrahlung untersuchen die Entwickler die Teststäbe auf Veränderungen im Material. Dabei prüfen sie unter anderem, ob die Struktur intakt bleibt und wie gut der Brennstoff entstehende Spaltgase zurückhält. Nach Angaben von CCTE zeigten erste Analysen eine intakte Struktur und günstige Werte bei der Speicherung dieser Gase.

Bestehende CANDU-Reaktoren sollen Thorium nutzen können

Der entscheidende Unterschied zu vielen anderen Thorium-Konzepten steckt im geplanten Einsatzort. ANEEL benötigt nach dem derzeitigen Konzept keinen eigens entwickelten Thorium-Reaktor. Die Brennelemente sollen mit bestehenden CANDU- und anderen Druckschwerwasserreaktoren kompatibel sein.

CANDU-Kraftwerke verwenden Brennelementbündel, die während des laufenden Betriebs ausgetauscht werden können. ANEEL soll dieselben äußeren Abmessungen wie vorhandene Brennelemente besitzen. Für einen möglichen Demonstrationstest werden bereits vollständige, reaktortaugliche Brennelementbündel vorbereitet. Canadian Nuclear Laboratories und BWXT Canada sind an deren Herstellung beteiligt.

Warum Thorium überhaupt interessant ist

Thorium selbst ist zunächst kein direkt spaltbarer Brennstoff wie Uran-235. Im Reaktor kann Thorium-232 jedoch ein Neutron aufnehmen und über Zwischenschritte zu Uran-233 werden. Dieses Isotop lässt sich spalten und liefert dabei Energie. ANEEL kombiniert Thorium deshalb von Beginn an mit angereichertem Uran, das die für den Betrieb notwendigen Spaltreaktionen ermöglicht.

Das Konzept soll so einen Teil der Vorteile eines Thorium-Brennstoffkreislaufs nutzen, ohne zunächst eine völlig neue Reaktortechnik aufzubauen. Die technische Veröffentlichung beschreibt ANEEL als Mischung aus Thorium, hochangereichertem niedrig angereichertem Uran – sogenanntem HALEU – und einem neutronenabsorbierenden Zusatz.

Weniger Brennstoff könnte für dieselbe Strommenge nötig sein

Ein hoher Abbrand bedeutet, dass mehr Energie aus einer gegebenen Brennstoffmenge gewonnen werden kann. Die technische Analyse kommt für ANEEL je nach Einsatzszenario auf deutlich höhere Werte als bei herkömmlichem Brennstoff für Druckschwerwasserreaktoren. Die Autoren sprechen von einem bis zu achtfach höheren möglichen Abbrand.

Daraus könnte sich auch weniger abgebrannter Brennstoff pro erzeugter Strommenge ergeben. Wie groß dieser Vorteil unter realen Bedingungen ausfällt, lässt sich aus den bisherigen Bestrahlungstests allein jedoch noch nicht ableiten. Dafür braucht es vollständige Brennelemente und längere Tests in einem Leistungsreaktor.

Der nächste Test muss im laufenden Reaktor stattfinden

Genau darauf zielt die nächste Entwicklungsstufe. Für ein Demonstrationsprogramm sollen vollständige ANEEL-Brennelemente hergestellt und anschließend in einem kommerziellen Reaktor bestrahlt werden. Damit würden erstmals Daten unter Bedingungen entstehen, die dem späteren Einsatz wesentlich näherkommen.

Daneben stehen weitere technische und regulatorische Prüfungen an. Erst dabei lässt sich klären, ob das Brennstoffdesign dauerhaft sicher funktioniert, zuverlässig hergestellt werden kann und die Anforderungen der Atomaufsicht erfüllt.

Kurz zusammengefasst:

ANEEL verbindet Thorium mit angereichertem Uran und soll in bestehenden Reaktoren nutzbar sein, ohne dass dafür völlig neue Kraftwerke gebaut werden müssen.
Der Brennstoff erreichte in Tests einen Abbrand von mehr als 60 Gigawatt-Tagen pro Tonne Uran und hielt damit einer langen, intensiven Bestrahlung stand.
Ein höherer Abbrand kann bedeuten, dass mehr Energie aus derselben Brennstoffmenge gewonnen und weniger abgebrannter Brennstoff erzeugt wird.

Übrigens: In den USA entsteht derzeit ein riesiger Standort für neuartigen TRISO-Kernbrennstoff, der künftig Dutzende kleine Reaktoren versorgen soll. Mehr dazu in unserem Artikel.