SPS Focus No. 1

Heutzutage deckt die Kernenergie etwa 10 % der weltweiten Stromerzeugung ab, gegenüber 13 % im Jahr 2010. Die weltweite Stromerzeugung ist im selben Jahrzehnt um 25 % gestiegen, was bedeutet, dass die absolute Menge des durch Kernenergie erzeugten Stroms fast konstant geblieben ist mit einem leichten Rückgang von 3 % in zehn Jahren. Darüber hinaus sind neue Anlagen im Bau oder in Planung, und der Anteil der durch Kernspaltung erzeugten Elektrizität wird weltweit wieder ansteigen. Der Anteil der erneuerbaren Energien (Wasserkraft, Solarenergie, Windkraft, Geothermie, Bioenergie, Wellen- und Gezeitenenergie) an der Stromerzeugung ist von 20 % im Jahr 2010 auf 29 % im Jahr 2020 angestiegen, wobei die Wasserkraft nach wie vor den grössten Beitrag leistet. Der Rest entfällt auf fossile Brennstoffe, die im Jahr 2020 einen Anteil von 61 % (2010: 67 %) an der weltweiten Gesamtstromerzeugung hatten.

Nach der Katastrophe in Fukushima vor zehn Jahren beschlossen viele westliche Länder den Ausstieg aus der Kernenergie, darunter auch die Schweiz. Die vollständige Ablösung der Kernenergie durch erneuerbare Energien ist das erklärte Ziel, aber auch die Ablösung der fossilen Energieträger für die Energieerzeugung für Verkehr, Heizung, Produktion und Fertigung, Elektrizität usw. muss in den nächsten Jahrzehnten erreicht werden.

Selbst wenn diese Probleme in Zukunft gemeistert werden können, bleibt die kontinuierliche Versorgung mit erneuerbaren Energien immer noch schwierig und teuer, solange das Problem der Energiespeicherung nicht gelöst ist. Dies bewog Länder wie die USA, Indien, China, Frankreich, das Vereinigte Königreich, Finnland und weitere, die Kernenergieerzeugung nicht einzustellen, sondern im Gegenteil neue Generationen von Kernkraftwerken zu planen und zu bauen. Sie erkannten, dass moderne Konzepte die Probleme der derzeitigen Kernreaktoren beseitigen können, und dass sie höhere Sicherheit und bessere Wirkungsgrade bieten. Außerdem lässt sich die Erzeugung langlebiger Isotope vermeiden, die sonst als nukleare Abfälle verbleiben würden, und sie ermöglichen den Abbau bereits vorhandener nuklearer Abfälle auf ein Niveau, bei dem keine langfristigen Belastungen mehr auftreten werden. Diese Länder betrachten Nukleartechnologien als relevante Quellen für die Energieerzeugung für viele Jahrzehnte in Zukunft.

Es ist wichtig, aus erster Hand über den aktuellen Stand der Kerntechnologien informiert zu werden. Da die vorhandenen langlebigen nuklearen Abfälle auch nach dem Ausstieg aus der Kernenergie entsorgt werden müssen, sind diese neuen Technologieansätze bereits jetzt von unmittelbarer grosser Bedeutung.

Die folgenden drei Artikel, die von angesehenen Autoren verfasst wurden, beschreiben den Stand der Technik von Uranspaltanlagen der neuen Generation (W. Kröger), die Verwendung von Thorium anstelle von Uran als Brennstoff für Kernspaltung (M. Bourquin) und schliesslich die Roadmap der Kernfusionskonzepte (L. Porte).

Unsere Motivation als nationale physikalische Gesellschaft ist aufzuzeigen, dass die Kernspaltungstechnologie nicht das Produkt zweier Generationen vor unserer Zeit war und somit heute eine auslaufende Technik, und dass die Fusionstechnologie nicht erst das Produkt von Generationen nach uns sein wird und somit eine Utopie. Sowohl die Kernspaltung als auch die Kernfusion beruhen auf einem profunden physikalischen Verständnis der zugrunde liegenden Prozesse, und beide sind zur Sicherstellung des weltweit benötigten Stromanteils von morgen von wichtiger Bedeutung.

Das Ziel einer nachhaltigen und globalen Energiepolitik muss daher sein, erneuerbare und nukleare Energieerzeugung als zwei komplementäre Technologien zu betrachten, die sich aufgrund ihrer unterschiedlichen Betriebskonzepte vorteilhaft ergänzen, und die zusammen eine zuverlässige, umweltfreundliche und kostengünstige Energieversorgung in der Zukunft gewährleisten.

Die Nichteinhaltung der Klimaziele wird zu beispiellosen Katastrophen für das Ökosystem des gesamten Planeten führen, die sich auf alles Leben auswirken und die Gesellschaft als Ganzes weltweit betreffen werden. Angesichts der gewaltigen Aufgabe, die vor uns liegt, die Energieversorgungsketten der Welt in nur wenigen Jahrzehnten vollständig zu verändern, müssen alle klimafreundlichen Optionen verfolgt werden, wozu auch die neuen und modernen Konzepte der Kernenergie gehören.

Kürzlich wurde ein gemeinsamer Bericht von zwei großen US-amerikanischen Denkfabriken veröffentlicht, in dem eine umfassende Strategie für die USA festgelegt wurde, um weltweit führend in der fortgeschrittenen Kernenergie zu werden. Die Strategie skizziert die nationalen und internationalen Aktivitäten, die erforderlich sind, um sicherzustellen, dass die USA bei der Entwicklung und dem Einsatz von Nukleartechnologien der nächsten Generation durch die Zusammenarbeit von Regierung, Industrie, Zivilgesellschaft und anderen Nationen führend sein können. Und weiter heisst es: "... Damit die Vereinigten Staaten - ganz zu schweigen von der Welt - die Klimaziele für die Mitte des Jahrhunderts erreichen können, benötigen wir eine Reihe neuer kohlenstofffreier Energietechnologien, darunter fortschrittliche Kernreaktoren für die Strom- und industrielle Wärmeerzeugung. Dieser Bericht legt einen Plan vor, wie Amerika zum Weltmarktführer in dieser sauberen Industrie der Zukunft werden kann."

Die genannten Probleme der heutigen Kernspaltungs- und Fusionstechnologie lassen fälschlicherweise den Schluss zu, dass beide in einem mittel- bis langfristigen Energielösungskonzept keine Rolle spielen werden. Aber ist dies eine unabänderliche Tatsache? Die globale Erwärmung zwingt uns dazu, dringend nach kohlenstoffarmen Lösungen zu suchen. Die Nachfrage nach CO₂-freier, bezahlbarer und immer verfügbarer Energie wird durch die zunehmende Digitalisierung, Mobilität und den Lebensstandard eines immer grösseren Teils der Weltbevölkerung weiter ansteigen. Weltweit wird eine reichliche Verfügbarkeit von elektrischem Strom verlangt werden, wobei Wasserkraft, Sonnen- und Windenergie eine grosse Rolle spielen werden, aber ebenso neue Generationen von Kernreaktoren. Sie werden effizient dazu beitragen, die weltweite Nachfrage zu befriedigen.

Es werden drei unterschiedliche und sich ergänzende Konzepte für eine sichere Nutzung der Kernenergie diskutiert:

• Neuartige Reaktorkonzepte: Kernreaktoren müssen katastrophenfrei werden, Brennstoffe müssen effizienter genutzt werden und die Frage der Abfallentsorgung und der Proliferationsrisiken muss gelöst werden. Das versprechen die derzeit in der Entwicklung befindlichen Konzepte, die statt Wasser nun Blei-, Natrium- oder Salzschmelzen oder auch Inertgas als Kühlmittel verwenden, und die den Einsatz von Thorium ermöglichen, um nuklearen Brennstoff durch schnelle Neutronen zu "brüten" und die langlebige nukleare Abfälle zu transmutieren, also in kurzlebige Isotope umzuwandeln. Bislang erforderliche aktive Sicherheitssysteme wie elektrisch betriebene Pumpen und Ventile, die zuverlässige Betätigungsmechanismen benötigen, können durch passive Komponenten ersetzt oder eliminiert werden. Diese passiven Sicherheitsmerkmale beruhen auf thermischer Konvektion, ausreichenden Wärmeübertragungs- und Wärmespeichermechanismen, sowie grundlegenden Materialeigenschaften. Angewandte Brennstoffkreislaufkonzepte ermöglichen eine effizientere Nutzung der Ressourcen und sie verringern die Anforderungen an die Entsorgung hochradioaktiver Abfälle, einschliesslich Isotopentrennung und Transmutation.
   
• Thorium-basierte Systeme: Thoriumbrüten wird den Anforderungen an Proliferationsresistenz, längeren Brennstoffzyklen, höherem Abbrand, verbesserten Abfalleigenschaften, der Verringerung der Plutoniumvorräte und der Verbrennung der angesammelten radioaktiven Abfälle gerecht. Obwohl die erzeugte Energie ebenfalls nuklearen Ursprungs ist, folgt sie einem völlig anderen physikalischen Prozess als die derzeitige uranbasierte Kernenergieerzeugung. Vor allem entfällt die Erzeugung langlebiger nuklearer Abfälle, die aus Transuranen bestehen, d.h. aus Plutonium und sogenannten minoren Aktiniden (Neptunium, Americium, Curium...), die für den Grossteil der Radiotoxizität und Wärmeentwicklung verbrauchter Kernbrennstoffe verantwortlich sind. Die Entsorgungszeiten können auf diese Weise von Hunderttausenden von Jahren für herkömmliche Kernspaltungsanlagen auf Uranbasis auf einige hundert Jahre verkürzt werden, was mit relativ geringen Kosten zu bewältigen ist. Dieses Konzept könnte parallel zu den mit Uran betriebenen Kernreaktoren, von denen gegenwärtig weltweit vierhundert in Betrieb sind, technisch vorangetrieben werden.
   
• Energie aus Kernfusion: Fusionsreaktionen bieten enorme Möglichkeiten für eine saubere und nachhaltige Energieerzeugung aus geografisch gleichmässig verteilten Ressourcen, doch steht der Nachweis der technischen und wirtschaftlichen Machbarkeit noch aus. Die Deuterium-Tritium-Fusion benötigt Temperaturen, die zehnmal höher sind als im Sonneninneren (~150 Mio. Grad). Bei der magnetischen Fusion erfolgt der Plasmaeinschluss durch starke Magnetfelder, wobei dann Hochtemperaturplasmen mit typischerweise atmosphärischem Druck und einer Energieeinschlusszeit von wenigen Sekunden entstehen. Von den verschiedenen Konzepten des magnetischen Einschlusses, die in den letzten 50 Jahren erforscht wurden, haben zwei toroidale Anlagen sich als erfolgsversprechend erwiesen, der Tokamak und der Stellarator. Der Tokamak ITER, der derzeit in Frankreich gebaut wird, ist ein wesentlicher Schritt auf dem Weg hin zu einer praktischen technischen Demonstration der Fusionsprinzips. ITER kann bereits nahezu unter den Bedingungen betrieben werden, die für ein Grundlastkraftwerk erforderlich sind, um die noch vorhandenen technischen Unsicherheiten für die nächste Entwicklungsstufe eines Prototyp-Kraftwerks zu minimieren.