Techniklexikon

Hochtemperaturreaktor

Atomkraftwerk, wie es z. B. in der Nähe von Hamm, Westfalen, als sog. Kugelhaufenreaktor verwirklicht wurde. Als Brennelemente dienen tennisballgroße Kugeln, die 192 g Kohlenstoff (Graphit), 0, 96 g Uran 235 und 10, 2 g Thorium 232 enthalten, weshalb man vom ThoriumH. (THTR) spricht. Zur Kühlung des Reaktorkerns dient das Edelgas Helium, das sich beim Durchströmen der Kugelschüttung auf 700 bis 950 °C (Hochtemperatur) erhitzt und seine Wärme in Wärmetauschern an den Wasser-Dampf-Kreislauf des Kraftwerks abgibt. auf hoher Temperatur (750-900 °C) arbeitender, sog. katastrophenfreier Kernreaktor, dessen technische Auslegung eine Kernschmelze sowie das störfallbedingte Austreten von Radioaktivität in die Umgebung im Prinzip ausschliessen soll. Aufgrund der hohen Temperaturen kann nicht nur Dampf zum Antrieb von Turbinen, sondern auch Prozesswärme z.B. zur Kohlevergasung erzeugt werden, wodurch ein höherer Wirkungsgrad der Energieumwandlung erreicht wird.

Der in Deutschland entwickelte Hochtemperaturreaktor basiert auf dem Prinzip des Kugelhaufenreaktors, bei dem der Kernbrennstoff in mm-grosse geschichtete Kügelchen aus pyrolythischem Kohlenstoff und Siliziumcarbid (SiC) eingebettet ist. Die Brennelemente werden ebenfalls in Kugelform ausgelegt, wobei die Brennstoffkügelchen in Graphitkugel eingebettet werden. Das Graphit dient als Moderator, zur Kühlung wird gasförmiges Helium verwendet. In dem Thorium-Hochtemperaturreaktor (THTR), der bis 1989 bei Hamm/Uentrop (Westfalen) betrieben wurde, kamen 360 000 Brennelementkugeln mit einem Durchmesser von 6 cm, 280 000 Graphitkugeln (zusätzlicher Moderator) und 35 000 borhaltige Kugeln (Absorber) zum Einsatz. Die Auslegung als Hochtemperatur-Kugelhaufenreaktor erlaubt das Erreichen eines negativen Reaktionskoeffizienten sowie einer ausreichenden Wärmeabfuhr auch im Falle des Versagens der aktiven Kühlsysteme, wodurch die Reaktortemperaturen auf max. 1600 °C begrenzt bleiben. Allerdings führten die hohen Betriebstemperaturen zu verschiedenen sekundären technischen Schwierigkeiten, so dass der Reaktor in Hamm/Uentrop 1989 wegen Sicherheitsbedenken und Unwirtschaftlichkeit geschlossen wurde.

Hochtemperaturreaktor 1: Schema eines Hochtemperatur-Kugelhaufenreaktors.

Hochtemperaturreaktor 2: Oben: Aufbau eines Brennstoffkügelchens beim Hochtemperatur-Kugelhaufenreaktor; unten: Aufbau eines Brennelements beim Hochtemperaturreaktor.

Hochtemperaturreaktor 3: Temperaturverläufe im Core von Hochtemperatur-Kugelhaufenreaktoren als Funktion der Zeit beim Ausfall der aktiven Kühlsysteme. Man erkennt, dass auch im Kern eine Temperatur von 1600 °C, bei der die Beständigkeit der verwendeten Materialien noch gewährleistet ist, nicht überschritten wird. Die Wärmeabfuhr erfolgt selbsttätig durch Leitung, Konvektion und Strahlung.