Forschende sind begeistert von einem experimentellen Kernreaktor, der Thorium als Brennstoff verwendet und demnächst in China getestet werden soll. Obwohl das radioaktive Element schon früher in Reaktoren erprobt wurde, hat China nach Ansicht von Experten als erstes Land eine Chance, die Technologie zu kommerzialisieren.

Der Reaktor ist insofern ungewöhnlich, als dass in seinem Inneren geschmolzene Salze an Stelle von Wasser zirkulieren. Er hat das Potenzial, Kernenergie zu erzeugen, die relativ sicher und billig ist, und gleichzeitig eine viel geringere Menge an sehr langlebigen radioaktiven Abfällen zu produzieren als herkömmliche Reaktoren.

Der Bau des experimentellen Thoriumreaktors in Wuwei, am Rande der Wüste Gobi, sollte bis Ende August abgeschlossen sein, und der Probelauf ist nach Angaben der Regierung der Provinz Gansu für diesen Monat geplant. Ein Update wird mit Spannung erwartet.

Der Thorium-Testreaktor ist für zwei Megawatt thermischer Energie ausgelegt

Thorium ist ein schwach radioaktives, silbriges Metall, das in der Natur in Gesteinen vorkommt und derzeit kaum industriell genutzt wird. Es ist ein Abfallprodukt der wachsenden Bergbauindustrie für Seltene Erden in China und stellt daher eine attraktive Alternative zu importiertem Uran dar, sagen Forscherinnen und Forscher.

»Thorium ist viel reichlicher vorhanden als Uran und wäre daher eine sehr nützliche Technologie für die nächsten 50 oder 100 Jahre, wenn die Uranreserven zur Neige gehen«
Lyndon Edwards, Nuklearingenieur

»Thorium ist viel reichlicher vorhanden als Uran, deshalb wäre die entsprechende Nutzung eine sehr nützliche Technologie für die nächsten 50 oder 100 Jahre, wenn die Uranreserven zur Neige gehen«, sagt Lyndon Edwards, Nuklearingenieur bei der Australian Nuclear Science and Technology Organisation in Sydney. Aber es werde viele Jahrzehnte dauern, bis die Technologie realisiert ist, also müssten wir jetzt damit beginnen, fügt er hinzu.

Laut Ritsuo Yoshioka, dem ehemaligen Präsidenten des International Thorium Molten-Salt Forum in Oiso, Japan, hat China 2011 sein Programm für Salzschmelzenreaktoren gestartet. Die Regierung habe rund drei Milliarden Yuan investiert, umgerechnet rund 400 Millionen Euro, sagt Yoshioka weiter, der eng mit chinesischen Forschern zusammengearbeitet hat.

Der vom Shanghai Institute of Applied Physics (SINAP) betriebene Reaktor in Wuwei ist für die Erzeugung von nur zwei Megawatt thermischer Energie ausgelegt, was gerade einmal für die Versorgung von bis zu 1000 Haushalten ausreicht. Sollten die Experimente jedoch erfolgreich verlaufen, hofft China, bis 2030 einen Reaktor mit einer Leistung von 373 Megawatt zu bauen, der Hunderttausende von Haushalten mit Strom versorgen könnte.

Der Reaktortyp gehört zu den »perfekten Technologien«, die China dabei helfen sollen, sein Ziel zu erreichen, bis etwa 2050 keine Kohlenstoffemissionen mehr zu verursachen, sagt der Energiemodellierer Jiang Kejun vom Energieforschungsinstitut der Nationalen Entwicklungs- und Reformkommission in Peking.

Bislang zu teuer und kompliziert: Thorium als Brennstoff

Das in der Natur vorkommende Isotop Thorium-232 kann nicht gespalten werden, aber wenn es in einem Reaktor bestrahlt wird, absorbiert es Neutronen und bildet Uran-233, ein spaltbares Material, das Wärme erzeugt.

Thorium wurde als Brennstoff in anderen Arten von Kernreaktoren in Ländern wie den Vereinigten Staaten, Deutschland und dem Vereinigten Königreich getestet und ist Teil eines Nuklearprogramms in Indien. Bisher hat es sich jedoch nicht als kosteneffizient erwiesen, da seine Gewinnung teurer ist als die von Uran und es im Gegensatz zu einigen natürlich vorkommenden Uranisotopen in einen spaltbaren Stoff umgewandelt werden muss.

Einige Forscher befürworten Thorium als Brennstoff, da seine Abfallprodukte ihrer Meinung nach weniger waffenfähig sind als die von Uran. Aber andere haben argumentiert, dass immer noch Risiken bestehen.

Wenn China seinen Versuchsreaktor in Betrieb nimmt, wird dies der erste Flüssigsalzreaktor sein, der seit 1969 in Betrieb ist. Damals schalteten US-Forscher am Oak Ridge National Laboratory in Tennessee ihren Reaktor ab. Und es wird der erste Flüssigsalzreaktor sein, der mit Thorium betrieben wird. Laut Forschenden, die mit dem SINAP zusammengearbeitet haben, ist der chinesische Entwurf eine Kopie von Oak Ridge; das Team habe ihn aber durch jahrzehntelange Innovationen in den Bereichen Herstellung, Materialien und Instrumentierung verbessert.

Forscher in China, die direkt mit dem Reaktor zu tun haben, reagierten nicht auf Anfragen nach einer Bestätigung der Reaktorkonstruktion und dem genauen Zeitpunkt des Beginns der Tests.

Salz dient als Kühlmittel und Brennstoff-Substrat

Im Vergleich zu Leichtwasserreaktoren in konventionellen Kernkraftwerken arbeiten Flüssigsalzreaktoren, auch Salzschmelzenreaktoren genannt, bei wesentlich höheren Temperaturen. Die Folge: Sie können viel effizienter Strom erzeugen, sagt Charles Forsberg, Nuklearingenieur am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge.

Der chinesische Reaktor wird Salze auf Fluoridbasis verwenden, die bei einer Temperatur von etwa 450 Grad Celsius zu einer farblosen, transparenten Flüssigkeit schmelzen. Das Salz dient als Kühlmittel, um die Wärme aus dem Reaktorkern abzutransportieren. Außerdem verwenden Flüssigsalzreaktoren an Stelle von festen Brennstäben das flüssige Salz als Substrat für den Brennstoff, etwa Thorium, der direkt im Kern gelöst wird.

Salzschmelzenreaktoren gelten als relativ sicher, da der Brennstoff bereits in der Flüssigkeit gelöst ist und sie mit niedrigeren Drücken arbeiten als herkömmliche Kernreaktoren. Das verringert die Gefahr explosiver Kernschmelzen.

Laut Yoshioka arbeiten viele Länder an Schmelzsalzreaktoren, um billigeren Strom aus Uran zu erzeugen oder Plutoniumabfälle aus Leichtwasserreaktoren als Brennstoff zu verwenden. Doch nur China versucht, Thoriumbrennstoff zu verwenden.

Der chinesische Reaktor werde ein Test sein, »aus dem wir viel lernen können«, sagt Forsberg, von der Analyse der Korrosion bis zur Charakterisierung der Radionuklidzusammensetzung des zirkulierenden Gemischs. Andere stimmen zu: »Wir werden so viele neue wissenschaftliche Erkenntnisse gewinnen«, sagt etwa Simon Middleburgh, Kernmaterialwissenschaftler an der University of Bangor, Großbritannien. »Wenn man mich ließe, wäre ich mit dem ersten Flugzeug dort.«

Bis zum richtigen Start könnten Pumpen ausfallen oder Rohre verstopfen

Möglicherweise ist der chinesische Reaktor erst in einigen Monaten voll einsatzfähig. »Wenn bis dahin irgendetwas schiefgeht, kann man nicht weitermachen, sondern muss stoppen und neu beginnen«, sagt Middleburgh. Zum Beispiel könnten die Pumpen ausfallen, Rohre korrodieren oder verstopfen. Dennoch sind Forschende zuversichtlich, dass es gelingen wird.

Salzschmelzenreaktoren sind nur eine von vielen fortschrittlichen Nukleartechnologien, in die China investiert. Im Jahr 2002 ermittelte ein zwischenstaatliches Forum sechs viel versprechende Reaktortechnologien, die bis zum Jahr 2030 beschleunigt werden sollen, darunter Reaktoren, die mit Blei- oder Natriumflüssigkeit gekühlt werden. China verfügt über Programme für alle diese Technologien.

Manche dieser Reaktortypen könnten Kohlekraftwerke ersetzen, sagt David Fishman, Projektmanager bei der Energieberatungsfirma Lantau Group in Hongkong. »Auf dem Weg zur Kohlendioxid-Neutralität könnte China die Kessel aus dem Verkehr ziehen und sie mit Kernreaktoren nachrüsten.«