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THTR-300

THTR-300 vor der Sprengung des großen Kühlturms
THTR-300 Trockenkühlturm
THTR Gelände mit dem Kraftwerk Westfalen

Das Kernkraftwerk THTR-300 (Thorium-Hoch-Temperatur-Reaktor) war ein heliumgekühlter Hochtemperaturreaktor mit einer elektrischen Leistung von 300 Megawatt. Er lag im Stadtbezirk Hamm-Uentrop (Stadtteil Schmehausen) der Großstadt Hamm in Nordrhein-Westfalen. Nachdem am Versuchsreaktor AVR (Jülich) das Funktionsprinzip des Hochtemperaturreaktors in Kugelhaufen-Bauweise erprobt worden war, wurde der THTR-300 als Prototyp für die kommerzielle Nutzung von Hochtemperaturreaktoren (HTR) gebaut. Er wurde 1983 in Betrieb genommen und im September 1989 endgültig stillgelegt.

Inhaltsverzeichnis

Brennelemente und Reaktorkern

Im THTR-300 waren die Brennelemente, in denen sich das Spalt- und Brutmaterial befindet, Kugeln mit sechs Zentimetern Durchmesser und einer Masse von rund 200 g. Diese haben eine äußere brennstofffreie Schale aus Graphit mit einer Dicke von 5 mm. Im Inneren ist der o. g. Brennstoff in Form von beschichteten Teilchen (coated particles, siehe Pac-Kügelchen) in eine Graphitmatrix eingebettet. Als coated particles wurden im THTR-300 noch zweifach beschichtete Partikel ohne Siliciumcarbid eingesetzt (BISO-coated particles). Diese galten zwar im Vergleich mit den dreifach beschichteten TRISO-Partikeln mit Siliciumcarbid schon ab ca. 1980 als veraltet; aus genehmigungstechnischen Gründen war aber ein Einsatz von TRISO-Partikeln im THTR-300 nicht mehr zu erreichen. Jedes Brennelement enthielt ca. 1 g Uran-235 und ca. 10 g Thorium-232 in Form von Mischoxiden aus beiden Schwermetallen. Die brennstofffreie Schale ist zusammen mit der Graphitmatrix für die mechanische Festigkeit des Brennelements verantwortlich. Graphit sublimiert erst bei ca. 3.500 °C, d. h. bis nahe dieser hohen Temperatur wird eine thermische Störung der Struktur der Brennelements vermieden. Dies stellt gemeinsam mit der vergleichsweise geringen Leistungsdichte einen sicherheitsrelevanten Vorteil gegenüber den in Leichtwasserreaktoren üblicherweise verwendeten Brennstäben dar, die sehr anfällig für Überhitzungen sind. Allerdings waren die Kugelbrennelemente des THTR-300 brennbar (Entzündungstemperatur ca. 650°C) und ein Unfall mit Luftzutritt in den Reaktor hätte einen Graphitbrand mit hoher Radioaktivitätsfreisetzung zur Folge gehabt. Leckagen des Dampferzeugers mit Wasser/Dampfzutritt in den Kern hätten zu chemischen Reaktionen mit Graphit unter Bildung brennbarer Gase (Wasserstoff und Kohlenmonoxid) geführt.

Der Reaktor THTR-300 enthielt keinerlei Halterungen oder Führungen für die Brennelemente, sondern diese bildeten unter ihrem eigenen Gewicht eine Kugelschüttung (Kugelhaufenreaktor). Dadurch hatte dieser Reaktor den Vorteil, dass sich im Kern nur Materialien befanden, die auch einer Temperatur weit oberhalb der Betriebstemperatur standhalten. Allerdings ergaben sich sehr ungleichmäßige mechanische Belastungen der Kugeln durch das Hineindrücken von Absorberstäben beim Herunterfahren des Reaktors, die zu Kugelbrüchen führten.

Die Zahl der Brennelemente im THTR-300 betrug 675.000 Stück. Rechnerisch wurde im Normalbetrieb eine maximale Kerntemperatur (coated particles) von ca. 1050 °C erreicht. Im Zentrum lagen die Temperaturen aber vermutlich höher, wie Messungen in Heißgassträhnen auswiesen.

Funktionsprinzip des THTR

Im THTR-300 wird durch den Reaktorkern im sogenannten Primärkreislauf Helium unter einem Druck von ca. 50 bar geleitet. Helium als Edelgas hat gegenüber dem konventionellen Wärmeträger Wasser den Vorteil, dass es auch bei erhöhten Temperaturen nicht mit anderen Materialien chemisch reagiert, also selbst keine Korrosion hervorruft. In Helium können Metalle jedoch keine schützenden Oxidschichten aufbauen, was dazu führt, dass aus dem Graphit freigesetzte Verunreinigungen deutliche Korrosionseffekte an Metallen zur Folge haben. Helium besteht überwiegend aus He-4, das nicht in radioaktive Stoffe umgewandelt werden kann. Natürliches Helium enthält jedoch geringe Mengen an He-3, welches sehr leicht in radioaktives Tritium überführt wird und damit eine wesentliche Tritiumquelle im THTR-300 darstellte.

Das Helium nimmt während des Durchströmens des Reaktors die Wärmeenergie des Kernspaltungsprozesses auf und wird durch Kühlgasgebläse in Heißgaskanälen zu den Wärmetauschern (Dampferzeugern) gepumpt. In diesen gibt es die Wärmeenergie an den sekundären Wasserkreislauf ab. Der Primärkreislauf und der Sekundärkreislauf sind also – wie bei einem Druckwasserreaktor − durch metallische Rohrwandungen voneinander getrennt, so dass keine Verbindung zwischen dem leicht radioaktiven Primärkreislauf und dem nichtradioaktiven Sekundärkreislauf besteht. Das so auf 250 °C abgekühlte Helium wird daraufhin oberhalb der Dampferzeuger von den Kühlgasgebläsen angesaugt und erneut dem Reaktorkern zugeführt. Der in den Dampferzeugern produzierte Dampf strömt durch die Frischdampfleitungen zum Hochdruckteil der Dampfturbine, wird anschließend in den Dampferzeugern erneut erhitzt, durchströmt dann den Mittel- und Niederdruckteil der Dampfturbine, wird schließlich im Kondensator durch den eigentlichen Kühlkreislauf (Tertiärkreislauf) abgekühlt und als Kondensat, also Wasser, niedergeschlagen. Dieses Kondensat wird von den Hauptkühlmittelpumpen (Wasserpumpen) durch die Vorwärmer zum Entgaser mit Speisewasserbehälter gefördert und wieder den Dampferzeugern zugeführt.

Der Tertiärkreislauf hat keinen direkten Kontakt zum Sekundärkreislauf. Die Kühlwasserpumpen fördern das Kühlwasser zum Trockenkühlturm, wo es in geschlossenen Kühlelementen durch die vorbeistreichende Luft abgekühlt wird. Das so abgekühlte Wasser strömt danach zurück zum Oberflächenkondensator.

Bau und Betrieb

Das Kernkraftwerk THTR-300 wurde von der HKG Hochtemperatur-Kernkraftwerk GmbH Hamm-Uentrop von 1970 bis 1983 aufgrund immer strengerer neuer Auflagen und Genehmigungsverfahren erst spät fertiggestellt. Mit dem Bau der schlüsselfertigen Anlage wurde am 29. Oktober 1971 ein Konsortium aus den Firmen BBC, Krupp Reaktorbau GmbH und Nukem beauftragt. Eingeweiht wurde er vom damaligen Bundesforschungsminister Heinz Riesenhuber und am 13. September 1983 zum ersten Mal mit einer sich selbst erhaltenden Kettenreaktion in Betrieb genommen. Die Teilgenehmigung der atomrechtlichen Genehmigungsbehörde wurde aber erst am 9. April 1985 erteilt. Am 16. November 1985 wurde der erste Strom ins Netz eingespeist.

Der THTR-300 war als kommerzielles Kernkraftwerk zur Erzeugung elektrischer Energie ausgelegt und vergleichbar mit dem Reaktor im Kernkraftwerk Fort St. Vrain (kein Kugelhaufenreaktor, sondern ein sogenannter Block-Type-HTR) in den USA. Er wurde von einem Unternehmenskonsortium aus den Firmen Brown, Boveri & Cie. (BBC), deren Tochter Hochtemperatur Reaktorbau GmbH (HRB) und der Nukem GmbH als integrierter heliumdichter Druckbehälter aus Spannbeton ausgeführt und konnte einem Innendruck von etwa 40 bar standhalten. Die thermische Leistung des Reaktors betrug 750 Megawatt.

Probleme und Stillegung

Der THTR-300 galt aufgrund des Funktionsprinzips, bei dem keine Kernschmelze auftreten kann, als wesentlich unfallsicherer als andere Reaktortypen. Bereits 1984 wurde jedoch vom Institut für nukleare Sicherheitsforschung des Forschungszentrum Jülich gezeigt, dass ein Kühlmittelverlust im THTR-300 zu sehr hohen Temperaturen führt (2300°C), was auch ohne Kernschmelze eine massive Radioaktivitätsfreisetzung zur Folge hat. Als nachteilig erwies sich dabei auch der Spannbetonbehälter, da Beton sich beim Erhitzen unter Wasserdampffreisetzung zersetzt und der entstehende Wasserdampf mit dem heißen Graphit chemisch reagiert. Auch gab es Probleme bei der Betriebssicherheit. Unter anderem trat durch die Absorberstäbe, die von oben in den Kugelhaufen hineingedrückt wurden, wesentlich häufiger als vorausberechnet Bruchschäden an den Brennelementen auf. Insgesamt wurden 18.000 beschädigte Brennelemente gefunden, das waren tausendmal mehr als erwartet. Die hohe Bruchrate war vermutlich eine Folge der in Helium ungünstigen Reibungseigenschaften, die für den THTR-300 nicht hinreichend untersucht worden waren. Durch Ammoniakeinspeisung konnte zwar die Reibung der Absorberstäbe vermindert werden, aber auf Kosten einer unzulässig hohen Korrosionsrate an metallischen Komponenten. Der entstandene Kugelbruch drohte durch Verstopfung von Kühlgasbohrungen im Bodenreflektor die Reaktorkühlung zu verschlechtern; für eventuelle zukünftige Anlagen wurde daher eine weniger zu Verstopfungen neigende Auslegung vorgeschlagen. Die Isolation des Betons war stellenweise unzureichend, so dass er zu heiß wurde; eine Reparatur war nicht möglich, und der schadhafte Bereich musste regelmäßig inspiziert werden, wozu der Reaktor abgeschaltet werden musste. Wegen der vorgenannten Reibungsprobleme und wegen des Kugelbruchs flossen die Kugeln nicht so wie erwartet, sondern im Zentrum um einen Faktor 5 bis 10 schneller als am Rand. Das führte dazu, dass der Reaktor im Zentrum zu heiß wurde. Überheiße Gassträhnen haben vermutlich 36 Haltebolzen der Heißgasleitung beschädigt, so dass sie brachen (1988). Eine Kugelentnahme war nur bei verringerter Leistung möglich und konnte daher nur sonntags vorgenommen werden. Außerdem war die Herstellung und die Wiederaufbereitung der Kugelbrennelemente nicht garantiert. Daher wurden die mittlerweile aufgegebenen Hochtemperaturreaktoren in Südafrika ohne Wiederaufarbeitung geplant. Dieser Nachteil soll durch einen wesentlichen höheren Abbrand, d. h. eine bessere Ausnutzung des vorhandenen Kernbrennstoffs im Vergleich zu den üblichen Abbränden in wassermoderierten Reaktoren, kompensiert werden.

Ein Störfall mit Freisetzung von Radioaktivität am 4. Mai 1986 führte zunächst zu einer Phase des Stillstands der Anlage. Bei dem Störfall wurde aus der Anlage über den Abluftkamin innerhalb eines kurzen Zeitraums eine größere Menge von radioaktiven Aerosolen emittiert. Dies fiel am folgenden Tag auf. Im gleichen Zeitraum stieg wegen der Katastrophe von Tschernobyl die Radioaktivität in der Umgebung an. Daher wurde der Anstieg der Radioaktivität im Umkreis des Kernkraftwerks nicht in Zusammenhang mit dem Störfall gestellt. Die Auswertung des Aerosolfilters ergab, dass in der Woche vom 28. April bis 4. Mai 1986 zirka zwei Drittel der Aerosol-Aktivität emittiert wurde, die gemäß den Festlegungen des Genehmigungsbescheids innerhalb von 180 aufeinanderfolgenden Kalendertagen abgegeben werden durfte. Die Betreiber hatten jedoch zunächst behauptet, es habe sich um eine normale Abgabe von Radioaktivität im Rahmen des Genehmigungsbescheids gehandelt. Am 3. Juni 1986 erklärten die Betreiber schließlich, Ursache der Freisetzung von Radioaktivität sei eine Fehlsteuerung in der Beschickungsanlage des Reaktors gewesen.

Nach einer weiteren Stillstandsphase wegen schadhafter Haltebolzen in der Heißgasleitung geriet die HKG im August 1989 an den Rand der Insolvenz und musste, da die Muttergesellschaften der HKG keine weiteren Zahlungen leisten wollten, durch die Bundesregierung mit 92 Mio. DM gestützt werden. Die THTR-Brennelementefabrik in Hanau musste 1988 aus Sicherheitsgründen stillgelegt werden. Mit den vorhandenen Reserven stand daher nur noch Brennstoff für zwei Jahre Betrieb zur Verfügung. Wegen des erheblichen, auch ökonomischen Risikos des THTR-Betriebes hielt der Betreiber jedoch auch für einen nur zweijährigen Weiterbetrieb zusätzliche Rücklagen von 650 Mio. DM für erforderlich. Verhandlungen zwischen Bundesregierung, dem Land Nordrhein-Westfalen und der Elektrizitätswirtschaft zu diesen Rücklagen scheiterten, da weder das Land Nordrhein-Westfalen noch die Elektrizitätswirtschaft wesentliche Beiträge dazu leisten wollten. Aufgrund von sicherheitsrelevanten und wirtschaftlichen Überlegungen sowie wegen des geschwundenen Interesses der Energiewirtschaft an Kugelhaufenreaktoren wurde dann am 1. September 1989 die Stilllegung des THTR-300 beschlossen. Von Oktober 1993 bis April 1995 wurden die Brennelemente in Castor-Behältern in das Transportbehälterlager Ahaus transportiert. Der Reaktor selbst wurde bis 1997 in den sogenannten „sicheren Einschluss“ überführt und verursacht weiter Kosten in Höhe von 6,5 Mio. € jährlich. Obwohl diese Kosten bis 2009 ausschließlich von der öffentlichen Hand getragen wurden, erhielten die Eigentümer von der EU Steuervergünstigungen für die Stilllegung; wegen eines laufenden Verlängerungsantrag für diese Steuervergünstigungen kam es 2011 zu einer politische Kontroverse. Der Reaktor enthält noch ca. 390 Tonnen radioaktive Anlagenbauteile. Frühestens 2027, nach Unterschreiten der relevanten Grenzwerte, kann endgültig mit dem Abriss begonnen werden, für den ca. 20 Jahre veranschlagt werden. Die Kosten für die Entsorgung wurden 2006 vom Eigentümer mit ca. 450 Mio € veranschlagt, mittlerweile (2011) werden 1 Mrd € angegeben.

Von 1985 bis 1989 verzeichnete der THTR-300 nur 16.410 Betriebsstunden mit einer abgegebenen elektrischen Energie von 2.891.000 MWh. Das entspricht 423 Volllasttagen. Die angestrebte Verfügbarkeit von mindestens 70 % wurde in keinem Betriebsjahr erreicht.

Bereits 1982 plante eine Firmengruppe aus Brown, Boveri & Cie. und Hochtemperatur Reaktorbau GmbH (HRB) mit dem HTR-500 einen Nachfolger des THTR-300 mit einer thermischen Leistung von 1.250 Megawatt und einer elektrischen Leistung von 500 Megawatt.

In unmittelbarer Nachbarschaft des THTR-300 liegt das Kraftwerk Westfalen. Neben dem THTR-300 sollte das Kernkraftwerk Hamm gebaut werden. Der Plan wurde jedoch verworfen.

Auswirkungen der Stilllegung auf die HTR-Entwicklung

Die Probleme und die Stilllegung des THTR-300 führten zum weitgehenden Ende der Kugelhaufenreaktorentwicklung in Deutschland. Verhandlungen zur Markteinführung des bei Siemens entwickelten HTR-Modul (200 MWth) mit dem Chemiekonzern BASF, dem Chemiekombinat Leuna/DDR und der Sowjetunion scheiterten vor dem Hintergrund des THTR-300; ein standortunabhängiges Genehmigungsverfahren für den HTR-Modul in Niedersachsen wurde vom Antragsteller, dem Energiekonzern Brigitta & Elwerath, 1988 ergebnislos abgebrochen. Die Firma Hochtemperatur-Reaktorbau (HRB) wurde daraufhin aufgelöst, ebenso die bei Siemens/Interatom vorhandenen Firmenteile zur HTR-Entwicklung. Es verblieb lediglich eine kleine Firma zur Vermarktung des aufgebauten HTR-know-hows. Die Brennelemententwicklung bei Nukem wurde eingestellt. Die Kernforschungsanlage Jülich wurde in Forschungszentrum Jülich umbenannt und die HTR-Forschungsbereiche wurden 1989 auf 50 Personen reduziert, mit kontinuierlich sinkender Tendenz. Es gelang den Kugelhaufenbefürwortern ab 1988 jedoch, das know-how nach Südafrika und China zu transferieren. In Südafrika war ursprünglich auch ein kleiner Kugelhaufenreaktor (500 kW) für militärische Zwecke (Atom-U-Boot) geplant, was in Zusammenhang mit den Atomwaffen der Apartheidregierung zu sehen ist; nach dem Ende der Apartheid wurde daraus ein vollständig ziviles Projekt, das aber 2010 endgültig scheiterte. In China wurde ein kleiner Kugelhaufenreaktor (HTR-10) nahe Peking gebaut.

Aufgrund der sehr reservierten Haltung der deutschen Energieversorger und der reaktorbauenden Industrie gegenüber Kugelhaufenreaktoren, die wesentlich durch den Misserfolg des THTR-300 verursacht ist, hat es nach dem THTR-300 keinerlei Renaissance dieser Technologie in Deutschland gegeben. Dennoch gibt es in Deutschland für Kugelhaufenreaktoren noch eine Lobby, zu der u. a. die Werhahn-Gruppe, die LaRouche-Bewegung und einzelne konservative Politiker speziell aus Nordrhein-Westfalen zählen. Strittig innerhalb der Kugelhaufenlobby ist die Bewertung des THTR-300: Während eine Gruppe große technische Schwierigkeiten beim THTR-300 und ihren Einfluss auf die Stilllegung einräumt sowie ein prinzipiell anderes Konzept verlangt, sehen andere im THTR-300 insgesamt einen Erfolg und sprechen von "rein politisch bedingter Stilllegung".

Trockenkühlturm

Der THTR-300 war mit dem damals größten Trockenkühlturm der Welt ausgerüstet. Am 10. September 1991 wurde der Kühlturm gesprengt. Der Plan, ihn als technisches Denkmal zu erhalten, scheiterte an den Kosten.

Presseberichte

Weblinks

Quelle

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