Für eine harmlose Kernenergie

Denkschrift für eine bürgerliche Energiepolitik

„Die Zurückhaltung der für die Energiezukunft zuständigen politischen Behörden ist ein Rätsel“, schreibt Pascal Couchepin im Vorwort zum 500-seitigen Kongressband Thorium Energy for the World, am CERN in Genf 2013, den ich in der ETH-Bibliothek entdeckt habe.¹ In der Tat: Fachkompetenz und teilweise auch die Hardware für eine harmlose Kernenergie wären am Paul Scherrer Institut PSI im ländlichen Aargau vorhanden, doch es fehlte bisher am politischen Willen, diesem einzigartigen Forschungsplatz finanziell zu ermöglichen, einen nachhaltigen Forschungs-Kernreaktor zu bauen, mit dem wichtigen Ziel, das radioaktive Abfallproblem unserer veralteten vier KKWs durch Transmutation zu entschärfen.² Stattdessen exportiert der Bund hiesiges Plutonium in den Stockpile der USA.³ Das PSI ist mit seinen vier Teilchenbeschleunigern weltweit führend in der Materialforschung, und es hatte für die Krebsbehandlung schon Ende 2010 rund 5500 Patienten mit Protonen bestrahlt, in mehr als 98% der Fälle mit Erfolg. Damit wurde das PSI weltweit zum Schrittmacher in der Partikeltherapie.⁴ Die Internationale Atomenergie-Organisation IAEA unterstreicht an ihrem Advisory Group Meeting⁵ zur Jahrtausendwende: Obgleich die Schweiz an den nuklearen Energieverstärker- und Transmutationsprogrammen nicht direkt beteiligt ist, wurde dem Paul Scherrer Institut das höchste technische Potenzial in Europa bei den Beschleunigern und bei den Spallationsneutronenquellen (1MW für die Produktion von Neutronen) attestiert.⁶ Neu im Bau ist die europäische Neutronenquelle in Lund, Schweden. Dort ist eine 5MW Strahlleistung geplant. Um das in der Schweiz anfallende radioaktive Material mit Spallationsquellen zu transmutieren, würden etwa 30 MW benötigt. Dass am PSI mit wenigen Mitarbeitern binnen 40 Jahren eine 24x höhere Strahlleistung erreicht werden konnte, zeigt doch, dass dieses Ziel, den KKW-Abfall in der Schweiz zu verkleinern, nicht unerreichbar ist.

Verpasste Chancen

In Bezug auf Forschung und Entwicklung der Kernenergie jedoch hat die Schweiz leider grosse Chancen verpasst. Zwar war sie historisch mit Versuchsreaktoren bis 1977 gut aufgestellt. Doch nach einer Explosion am 21. Januar 1969 in Lucens erlahmte der politische Wille, in diesem wichtigen Bereich weiter Pionierarbeit zu leisten. Aus dem Debakel KKW Kaiseraugst gingen die Atomenergie-Gegner in der Schweiz als Sieger hervor. Schliesslich lieferte Fukushima 2011 die letzten Sargnägel der hiesigen Reaktorforschung. Das ist nicht im Interesse der Schweiz. Selbst in Japan gingen viele Kernkraftwerke danach wieder ans Netz. Zwar untersuchte das PSI mit seiner Forschungsgruppe Schwere Nuklearunfälle das Desaster minutiös, das ist gut so. Noch besser wäre es, dieses Wissen jetzt auf unsere zukünftige Versorgung mit Kernenergie anzuwenden. Aber die Reaktorphysik ist in der Schweiz schon lange defensiv. Sie befasste sich nie mit der Planung eines nachhaltigen Versuchsreaktors. Man hätte 1993 Carlo Rubbias Reaktor-Konzept aufnehmen können, als dieser am CERN noch Generaldirektor war und den Nobelpreis erhalten hatte.⁷ Stattdessen gehen nun unsere Kinder auf die Strasse, weil sie spüren, dass für unsere Energiezukunft zu wenig geschehen ist. Wind und Sonne wollen unsere Kinder endlich nutzen. Vielleicht wären sie sogar bereit, ihre Wäsche wieder an der Leine statt im Tumbler zu trocknen, um damit einen Viertel KKW einzusparen. Unsere Dächer sind noch kaum solar verdrahtet, PV-Fassaden kann man an einer Hand abzählen. Wegen Windgeneratoren hat Seldwyla Streit im Dorf. Die Bevölkerung hat den fünf geplanten 4MW-Rotoren in der Linthebene eine Abfuhr erteilt. Jedwedem Ausbau der Wasserkraft halten Natur- und Landschaftsschutz dagegen. Weiterhin bezieht unser Land den Strom aber aus 40% Kernenergie (Beznau I und II, Gösgen, Leibstadt, Mühleberg). Doch diese 1969-84 zugekauften Leichtwasser-Uran-Reaktoren werden immer älter und dürften im innovativsten Land der Welt bald abgeschaltet werden. Und dann? –

Die Zwickmühle

Derzeit ist nicht absehbar, wie Bundesrat und Parlament künftig die Stromversorgung der Schweiz sicherstellen wollen. Weltweit wächst der Energiehunger um Prozente Jahr für Jahr. Eine Trendwende ist nicht in Sicht. Auch in der Schweiz wird der Strombedarf nicht abnehmen, wenn die Häuser nicht mehr mit Öl und Gas beheizt werden und die Autos bald vollelektrisch zirkulieren. Unsere Kinder spüren, dass ein Riesenproblem auf sie zukommen wird. Sie werden die Zeche zahlen für die heutige mutlose Energiepolitik. Grüne und Linke mögen vorwärts machen mit Sonne und Wind (und Vorschriften und Abgaben), nur zu! Der Kanton Zürich will sein Klimaziel "Null CO2" statt 2050 jetzt 2030 erreichen. Aber alle werden bald zur Kenntnis nehmen müssen, dass dies nicht reichen wird. Die Bürgerlichen zerfleischen sich im Katzenjammer der letzten Wahlen und stehen mit immer grösseren SUVs im Stau. Ihnen gelten die folgenden Zeilen.

Thorium und Teilchenbeschleuniger eröffnet einen Ausweg

Man nehme doch zur Kenntnis, dass es die Kernenergie weiterhin braucht, aber eine harmlose Kernenergie muss es sein! Der Brennstoff ist nicht mehr Uran, sondern Thorium. In Genf am CERN gab es einen klugen Direktor, Nobelpreisträger Carlo Rubbia. Er publizierte 1995 das „Rubbiatron“, einen eigensicheren Kernreaktor, ohne gefährlichen Abfall, ohne unkalkulierbares Restrisiko, ohne Atomwaffen-Proliferationsrisiko.⁸ Rubbia erklärt noch heute der Welt unermüdlich, wie der Ausstieg aus der fatalen Uran-Plutonium-Wirtschaft gelingen kann, nämlich mit Beschleunigern. Im Reaktorgefäss befindet sich als Kernspaltstoff Thorium in unterkritischer Form. Thorium hat eine hundertmal höhere kritische Masse als Uran oder Plutonium. Ein unterkritischer Thorium-Reaktor kann nicht durchbrennen. Eine Kernschmelze ist nicht nur statistisch unwahrscheinlich, sondern prinzipiell unmöglich. Th-232 ist auf allen Kontinenten in grossen Mengen als unlösliches Mineral fast ohne CO₂-Freisetzung leicht abbaubar. Die bekannten Vorkommen reichen für Jahrtausende. Interessant ist folgende Überlegung: Ein Kohlekraftwerk produziert Asche, aus welcher eine Menge Thorium gewonnen werden kann.⁹ Diese Menge Thorium würde genügen, um 13 ebenso leistungsfähige Rubbiatrons zu betreiben. Das Endprodukt aus diesem nuklearen Energie-Verstärker ist Material mit nur geringer Radiotoxizität, mit einer Halbwertszeit von nur wenigen Jahren. Nach 500 Jahren strahlen die Spaltprodukte sogar weniger als Kohleasche. Niemand würde auf die Idee kommen, sie für Jahrtausende zu vergraben.

Der Energie-Verstärker

Die für die Spaltung von Thorium nötigen schnellen Neutronen werden dem Reaktor durch einen mächtigen Protonen-Beschleuniger zugeführt, wie man ihn im PSI seit Jahrzehnten optimierte und mit Weltspitzenleistung zuverlässig betreibt. Im Reaktor trifft der Strahl der Protonen aus dem Beschleuniger auf das Spallationstarget. Dort werden Neutronen freigesetzt, um die Zerfallskaskade anzustossen. Damit wird, wie in den bisherigen KKWs, Energie erzeugt. Trifft ein Neutron aus dem Beschleuniger-Target mit 1MeV Energie auf einen Thorium Kern, entstehen zwei leichte Spaltkerne + 2.53 Neutronen + 200MeV Energie, womit über Dampfturbinen elektrischer Strom und Fernwärme generiert wird. In der nuklearen Fernwärme liegt ein beträchtliches CO₂ Sparpotenzial.  Dabei bleibt der Reaktorkern stets unterkritisch. Er wird durch den Strahl aus dem Beschleuniger an die Kritikalität herangeführt. Fällt der Strahl aus, kann sich keine Kettenreaktion bilden. Mit der variablen Strahlstärke des Beschleunigers kann die Reaktorleistung wie ein Verstärker flink und präzis gesteuert werden. Das Rubbiatron ist deshalb ein Energieverstärker (Energy Amplifier EA). Es wird in diesem Prozess nie waffenfähiges Plutonium erbrütet. Das im Prozessgleichgewicht entstehende leicht spaltbare Uran 233 dient der Energiegewinnung und ist mit allen zu transmutierenden Atom-Abfällen in einem gekapselten Brenntank überprüfbar versiegelt. Dieser Tank enthält keine aktiven Vorrichtungen wie Pumpen oder Ventile nach aussen. Der Austausch des Tanks wird nur alle 5 oder 10 Jahre vorgenommen. Somit besteht keine Proliferationsgefahr. Im Rückblick ist militärische Nutzung der supponierte Hauptgrund der alten uranfixierten Reaktortechnik der Atommächte.¹⁰ Fällt im neuen Konzept der Strahl in einem Störfall aus, versiegt die Kernspaltung sofort und die Energieproduktion klingt zwangsläufig rasch ab. Im grössten Schadensfall würde der Beschleuniger zerstört, womit einige Metallteile versengen könnten. Der Reaktor jedenfalls könnte niemals so durchbrennen, wie es in Fukushima passierte. Sein Inhalt bleibt unter allen Umständen unterkritisch. Es gibt bereits umfangreiche Untersuchungen, die zeigen, es ist machbar. Damit ist eine spontane Erhitzung mit Kernschmelze nach dem Störfall unmöglich. Es entstehen im Thorium-Zyklus des Rubbiatrons keine langlebigen Spaltprodukte, im Gegenteil. Mit den 2.53 Neutronen können im Thorium-Brenntank Plutonium sowie Transurane – Abfall aus den bestehenden KKWs – in kurzlebigen Abfall umgewandelt werden. Man spricht von „Transmutation“. Dieser dann noch maximal 500 Jahre strahlende Abfall aus den nationalen KKWs würde das Tiefenlager-Problem ausserordentlich entschärfen, da man die Lagerstätten nicht mehr für eine „Ewigkeit“ auslegen müsste. Sie könnten eventuell sogar zugänglich bleiben für eine künftige Nutzung der hier versammelten Substanzen und für die Entsorgung durch kommende Technik.¹¹

Fazit für eine zukunftsweisende Energiepolitik

Es genügt nicht, den dreissigjährigen Winterschlaf der schweizerischen Energiepolitik zu beklagen. Nach dem Jammern müssen Taten folgen. Fakt ist, in der Schweiz ist derzeit ein grosses Potenzial an Wissen und Können vorhanden, mit welchem rasch eine Kursänderung eingeleitet werden kann. Dabei könnte das PSI den Lead übernehmen. Es verwaltet zuverlässig die zwischengelagerten Abfälle aus den hiesigen KKWs. Es bildet Fachleute aus, welche die heutigen KKWs bedienen. Es kennt sich aus in Sachen Radioaktivität und Sicherheit wie keine Stelle sonst. Es hat Erfahrung im Betrieb von Forschungsreaktoren. Es kann auch in der Kernenergieforschung an den Schwung und die Begeisterung früherer Jahrzehnte anknüpfen. Als heute entscheidender Vorteil der Kernenergie fällt ins Gewicht: Die Leistung eines KKWs kann sich mit den modernsten fossilen Kraftwerken und mit der Wasserkraft messen. Dabei entsteht, wie bei Wasserkraft, fast kein CO₂. In der kommenden Generation harmloser Fissionskraftwerke, die mit Neutronen durch einen leistungsfähigen externen Beschleuniger im Sinne eines Energie-Verstärkers betrieben werden (Accelerator Driven System ADS), sind die Gefahren – Kernschmelze, Verstrahlung, militärische Nutzung, problematische Lagerung strahlender Rückstände – allesamt und jederzeit beherrschbar unter allen denkbaren Szenarien. Ein solches Kraftwerk hat eine berechenbare Sicherheit und ist viel umweltfreundlicher als ein fossiles Kraftwerk. Es verbrennt nicht mehr Uran probabilistisch, sondern Thorium deterministisch. Nicht zuletzt kann es die Radioaktivität eingelagerter Abfälle der heutigen KKWs energetisch gewinnbringend durch Transmutation abbauen (Accelerator Driven Transmutation Technology ADTT).¹¹

Ist es ein Wunder, dass benachbarte Staaten das Heft in die Hand nehmen, wenn in der Schweiz das Interesse an harmloser Kernkraft fehlt? Das Grossvorhaben MYRRHA im Kernforschungszentrum in 2400 Mol, Belgien, hat den ersten Prototypen eines subkritischen Thoriumreaktors mit Antrieb aus einem externen Protonengenerator bei gesicherter Finanzierung auf den Weg gebracht.¹² Es musste bei null anfangen, da weder ein kräftiger Protonenbeschleuniger noch eine Spallationsneutronenquelle vorhanden waren. Inzwischen hat man in Belgien den Linear-Beschleuniger für Protonen gebaut, derzeit auf einer noch bescheidenen Leistungsstufe. Erst 2026 wird die nötige Strahlenergie von 600MeV erreicht. Dann wird ein dazu passender Reaktor für MOX-Brennstoff und Blei-Wismut-Kühlung angeschlossen. 2033 wird mit dem Start der Kernspaltung gerechnet. Es ist ein typisches Rubbiatron. Das Vorhaben erregte an der IAEA-Weltkonferenz 2018 in Wien grosses Interesse.¹³

Das PSI optimierte seit 45 Jahren ein Ring-Zyklotron mit 590MeV Partikelenergie, 2.4mA Stromstärke und 1.4Megawatt Leistung. Daran angekoppelt ist seit einigen Jahren ein flüssiges Blei-Wismut-Target (SINQ mit MEGAPIE¹⁴) für einen kontinuierlichen Neutronenfluss von 10¹⁴ Neutronen pro Sekunde. Diese Eckdaten sind in Kombination weltweit unerreicht. Es wären die Hauptkomponenten für einen ADS-Versuchsreaktor für Thorium und radioaktive Abfälle aus dem Zwischenlager in Würenlingen. Um die Schweiz zu versorgen, wären 30 Anlagen dieses Typs nötig. Die erste Versuchsanlage könnte das PSI und seine Umgebung mit Strom und Wärmeenergie versorgen. Das PSI hat neuerdings auch einen 700 Meter langen Elektronen-Linearbeschleuniger und Femto-Röntgenlaser namens SwissFEL¹⁵ in Betrieb genommen. Seit der Idee bis zur Realisierung dauerte es bei uns 40 Jahre. Er dient der dynamischen Molekülforschung, aber nicht der Energie. Mit SwissFEL hat die das PSI seine internationale Führungsrolle bestätigt, wie Direktor Mesot vor 10 Jahren schrieb: „It shows that Switzerland has an active scientific community eager to use the unique properties of SwissFEL, be it for optimizing catalytic processes, identifying polluting molecules, designing new pharmaceutical drugs or studying defects in engineering materials. As is usual with new facilities, new applications will emerge that no-one had ever imagined.“ So könnte vielleicht der Funke hinüberspringen. Der grundlegende Bereich der nuklearen Energieforschung für die Landesversorgung wurde seit einer Generation vernachlässigt. Das Instrumentarium ist hier vorhanden, um die verlorene Expertise rasch wieder aufzubauen. Wir sollten nicht tatenlos zuschauen, wie in der Willensnation einem KKW nach dem andern die Lichter ausgehen.

Bruno Fricker, dipl. Physiker ETH, CH-8802 Kilchberg ZH, bruno.fricker@spectralab.ch, Ostern 2019

Quellen:

[1] Jean-Pierre Revol et.al. (Eds.): Thorium Energy for the World. Proceedings of the ThEC13 Conference, CERN, Globe of Science, Geneva, Switzerland, October 27-31, 2013.

[2] http://static.ensi.ch/1364463179/ensi_faktenblatt_transmutation_final.pdf

[3] https://www.parlament.ch/de/ratsbetrieb/suche-curia-vista/geschaeft?AffairId=20163033

[4] https://www.ptcog.ch/

[5] https://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/te_1365_web.pdf  Siehe Seite 16.

[6] https://www.psi.ch/info/MediaBoard/MM070131_PSI_MM_Megapie_Jan07_BgInfo_D.pdf

[7] Rubbia, C. et.al.: Conceptual design of a fast neuron operated high power energy amplifier. CERN/AT/95-44 (ET), 29 Sept 1995. (Link)

[8] https://de.wikipedia.org/wiki/Accelerator_Driven_System

[9] https://www.bund-nrw.de/fileadmin/nrw/dokumente/braunkohle/2008_11_BUNDhintergrund_Radioaktivitaet_aus_Kohlekraftwerken.pdf

[10] Carlo Rubbia: Harmless Energy from Nuclei. In Albert Einstein Memorial Lectures, 2012, The Israel Academy of Sciences and Humanities, Jerusalem, p.109-135

[11] https://www.hzdr.de/db/Cms?pOid=30396&pNid=0

[12] https://myrrha.be/ und https://sckcen.be/en/Technology_future/MYRRHA

[13] https://www.iaea.org/search/google/MYRRHA

[14] https://www.epj.org/images/stories/news/2016/10.1140--epjp--i2016-16233-1.pdf

[15] https://www.psi.ch/de/media/der-schweizer-freie-elektronen-roentgenlaser-swissfel

[16] Aus dem neuen Buch von Werner Joho: The Accelerator Facilities at the Paul Scherrer Institute PSI. Verlag BOD, 2019, 64 Seiten, ISBN 978-3-7528-4711-6

Bild Werner Joho, aus  seinem oben zitiertem Buch

Ein grosses Dankeschön geht an Werner Joho vom PSI. Er wies mich auf Carlo Rubbia hin und gab mir viele nützliche Hinweise für diese Denkschrift.  
Dr. Joho war unter anderem für Bau, Bahnberechnungen und viele Leistungsverbesserungen des grossen PSI-Ring-Zyklotrons verantwortlich.

Bild PSI (Link zum neuen Buch[16] von Werner Joho, der diese Maschine über viele Jahre optimiert hat.)

Wird dieses Tafelsilber des innovativsten Landes der Welt nach China verscherbelt?
Oder werden künftige neue KKWs in der Schweiz dereinst von China geliefert? 

Lies dazu: https://journals.aps.org/prab/pdf/10.1103/PhysRevSTAB.14.054402
Warum sind keine junge Studierende unter den Autoren? In der Schweiz werden sie leider kaum noch ausgebildet! Dabei könnten sie an dieser gewaltigen CH-Maschine viel lernen und dafür sorgen, das wertvolle Knowhow zu erhalten und zu entwickeln.

Siehe auch:

a) SPG/CHIPP-Jahrestagung: Maurice Bourquin über die Rolle von Thorium in einem zukünftigen Energiesystem (Link zum Interview,  Link zum Vortrag als pptx-download)

b) Revol, Jean-Pierre. (2019). A Proposal for a First ADS Demonstrator: Selected Papers from ThEC15. 10.1007/978-981-13-2658-5_12. (Link1 und Link2)

c) Wie denkt die Welt über Kernenergie und was trägt die Schweiz dazu bei?

 www.nuklearforum.ch/de/aktuell/medien/medienmitteilungen/neun-neue-kernkraftwerke-im-jahr-2018

Last not least:
d) https://www.win-global.org Frauen für Kernenergie