Kann Thorium zu einer Alternative für Kernbrennstoff werden?

Einleitung

Das Thoriumisotop 232 (²³²Th) ist in der Natur reichlicher vorhanden als Uran; dies ist einer der Gründe, warum es in den frühen Tagen der Entwicklung der Kernenergie als eine Alternative zu Uran als Kernbrennstoff in Betracht gezogen wurde.

Dieser Bericht bietet eine wissenschaftliche Bewertung der potenziellen Rolle von Thorium in der Kernenergie, und zwar sowohl kurz- als auch langfristig, wobei verschiedene Optionen, potenzielle Treiber und derzeitige Hindernisse zu berücksichtigen sind, wenn Entwicklungen von Thoriumbrennstoffkreisläufen verfolgt werden.

Der Bericht schloss auf dieser Grundlage darauf, dass die Verwendung von Thorium im Kernbrennstoffkreislauf als Ergänzung zum Uran-/Plutonium-Kreislauf das Potenzial zur Verbesserung der mittelfristigen Flexibilität der Kernenergie hat und langfristig für ihre Nachhaltigkeit sorgen könnte.

Ist Thorium eine zukunftsfähige Alternative zu Uran als Kernbrennstoff?

Technisch gesehen, ist Thorium eine zukunftsfähige Alternative, da es sich um ein leistungsfähiges Spaltmaterial handelt, das weniger unerwünschte Abfallprodukte als Uran produziert. Damit es jedoch auf breiter Skala einsetzbar ist, wird eine große Menge Uran-233 benötigt, das derzeit nur verfügbar ist, wenn Thorium zusammen mit „klassischen“ Uran-/Plutonium-Brennstoffen verwendet wird.

Vom wirtschaftlichen Standpunkt aus gesehen, gibt es keine exakten Daten über die mit den verschiedenen Stufen dieses Kreislaufs verbundenen Kosten, da der Thorium-Kreislauf noch nicht im Industriemaßstab entwickelt wurde. Die Entwicklung von Thoriumbrennstoffkreisläufen bei der kurz- bis mittelfristigen Entwicklung von Thoriumbrennstoffen würde nur schrittweise und in Synergie mit den vorhandenen Uran-/Plutonium –Brennstoffkreisläufen erfolgen.

Welche Vorteile hat Thorium als Brennstoffquelle?

Neben dem häufigen Vorkommen und der damit verbundenen Nachhaltigkeit für die langfristige Energieerzeugung hat Thorium bestimmte Vorteile:

• Potenzial für einen größeren Anteil des Brennstoffs zur Unterstützung der Kernkettenreaktion und somit weniger Abfall bei derselben Menge erzeugter Energie;
• Höhere Schmelztemperaturen von Brennstoffen auf Thorium-Basis, was im Falle eines Unfalls von großer Bedeutung sein kann.
• Geringere Produktion von Plutonium; 
• Gute „neutronische“ Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich Anzahl und Energie der durch Spaltreaktionen erzeugten Neutronen; 

Warum wird Thorium derzeit nicht als Kernenergiequelle genutzt?

Einer der derzeit einschränkenden Faktoren bei der vollständigen Einführung von Thoriumbrennstoffen besteht darin, dass der Thoriumkreislauf von Hochenergieneutronen ausgelöst werden muss, um das erste Spaltisotop (Uran-233) zu erzeugen, das bei der Uran-/Plutonium-Spaltung entsteht. Bis die Erzeugung der erforderlichen Mengen an ²³³U den Thoriumkreislauf autonom macht, würde für jede industrielle Anwendung von Thorium als Kernbrennstoff daher weiterhin die Notwendigkeit bestehen, dass die Neutronen aus dem vorhandenen Uran-/Plutonium-Kreislauf kommen.

Darüber hinaus können sämtliche Vorzüge eines geschlossenen, selbstversorgenden Thorium/²³³U-Brennstoffkreislaufs nur in einem hierfür vorgesehenen „Brüter“ (Brutreaktor) der Generation IV oder höher realisiert werden, die sich aber immer noch in der Planungsphase befinden und nicht vor dem Ende dieses Jahrhunderts betriebsbereit sein dürften. Die Entwicklung eines vollständig selbsterhaltenden Thoriumkreislaufs würde die Entwicklung von industriefähigen Aufbereitungsmöglichkeiten erfordern, um das ²³³U aus dem verbrauchten Kraftstoff zurückzugewinnen, sowie auch die Entwicklung von Anlagen zur Brennstoffherstellung aus dem recycelten Material.

In Bezug auf eine mögliche militärische Nutzung wären die technischen Hindernisse für den Einsatz des Thoriumkreislaufs ähnlich wie die beim Einsatz von mit weniger als 20 % angereichertem Uran, wie es der Fall beim Uran-/Plutonium-Kreislauf ist. Eine Reihe von Vorschriften, die den Einsatz von radioaktiven Materialien und ihren Nebenprodukten regeln, haben die Entwicklung von Thoriumbrennstoffen auf der Grundlage von hoch angereichertem Uran, dessen Einsatz durch internationale Verträge über die Nichtverbreitung von Atomwaffen begrenzt ist, streng eingeschränkt.

Welche Herausforderungen sind beim Einsatz von Thorium in zukünftigen Energiesystemen zu berücksichtigen?

Drei Primärziele müssen beim Einsatz von Thorium in zukünftigen Energiesystemen berücksichtigt werden:

1. Kontinuierliche Verbesserungen beim Management von Spaltmaterialien in derzeitigen und zukünftigen Brennstoffkreisläufen, die bereits kurzfristig Chancen schaffen, allerdings mit unterschiedlichen Graden von Vor- und Nachteilen. 
2. Ultimative Abfallmanagementziele: Thoriumbrennstoffe können zu einer geringeren Produktion minorer Aktinide (MA) je erzeugter Energie führen; Thorium kann daher als inerte Matrix für die Verbrennung von Plutonium eingesetzt werden oder sogar in einem Thoriumbrennstoffkreislauf, der zu weniger MA-belasteten Abfallströmen führt, da die Möglichkeit besteht, dass Thoriumbrennstoffe längere Abbrände zulassen; 
3. Die Schwächung natürlicher Ressourcen und die Knappheit an natürlichem Uran: Obwohl dies in nächster Zeit wohl kaum geschehen wird, ist dies ein langfristiges Problem (nach 2050). 

Wie steht es um da Abfallmanagement für Thoriumbrennstoffe?

Bei einer bestimmten Menge in einem Reaktorkern erzeugter thermischer Energie ist die Menge an Spaltprodukten im Wesentlichen bei Thorium ähnlich wie bei Uran-Brennstoffen. Aber der Einsatz von Thorium als Kernbrennstoff wird oftmals mit den Vorteilen der geringeren Radioaktivität und somit der Toxizität des sich ergebenden Abfalls im Vergleich zu konventionellen Uranbrennstoffen assoziiert.

Es dürfen aber auch nicht die sehr langen Übergangsphasen beim Einsatz gemischter Brennstoffformen übersehen werden, ehe ein vollständiger Thorium-/²³³U-Kreislauf erreicht werden kann (siehe oben).

Eine wesentliche Herausforderung in Verbindung mit der Aufbereitung von Thorium liegt darin, dass einige Mengen von Uran-232, die zusammen mit Uran-233 vorliegen, schwierig zu trennen sind und dass sie eine hochenergetische Gamma-Strahlung abgeben, vor der die Arbeiter unbedingt zu schützen sind.

Welche potenziellen Gesundheits- und Sicherheitsauswirkungen hätte der Einsatz der Thorium-Technologie?

Derzeit werden sowohl das Konzept zukünftiger Reaktoren als auch eine Sicherheitsanalysemethodik entwickelt und es wurden einschränkende Faktoren bei der Entwicklung des neuen Reaktorkonzepts erkannt. Obwohl die verwendete Methodik (ISAM) bereits Stärken und Einschränkungen erkannt hat, ermöglichen die derzeit verfügbaren Werkzeuge nicht dasselbe Niveau an Genauigkeit bei der Berechnung aller zu berücksichtigenden Arten von Unfällen.

Das Zerkleinern und Brechen von Thoriumerzen setzen Radon ²²⁰Rn, das Analog zur U-Zerfallskette ²²²Rn, frei, aber durch seine kurze Halbwertzeit (56 Sekunden) würde es nur für diejenigen in unmittelbarer Nähe eine Gefahr darstellen. Diese Radon-Gefahr jedoch könnte verstärkt werden, da seine Konzentration in Bastnazit- und Monaziterzen, die zur Förderung von Thorium eingesetzt werden, höher ist als in anderen, weniger radioaktiven Erzen, und das Einatmen bleibt ein Gesundheitsrisiko.

Der Einsatz konzentrierter starker Säuren und starker Basen und die Lösungsmittelextraktionssysteme sowie die Ströme von radioaktivem Abfall stellen ebenfalls ein erhebliches chemisches Risiko dar, und zwar ungeachtet des Verarbeitungsprogramms, aber diese Gefahr wäre nicht dem Kernbrennstoffkreislauf an sich zuzuschreiben. Alle Raffinatströme, die das System verlassen, stellen immer noch radioaktiven Abfall dar, wenn auch von geringer spezifischer Aktivität.

Ein weiterer wichtiger zu berücksichtigender Faktor bei der Festlegung von Sicherheitsanforderungen bei der Handhabung von aus Thoriumreaktoren stammendem und über fünf Jahre gelagertem Brennstoff ist die immer noch vorhandene Gamma-Strahlung.