Flüssiger Brennstoff: USA bringen Salzreaktor nach 60 Jahren zurück
In Texas soll der erste neue US-Flüssigsalzreaktor seit den 1960er-Jahren entstehen. Das DOE hat nun den Sicherheitsrahmen gebilligt.
Ein Mitarbeiter von Natura Resources prüft mit einer Wärmebildkamera einen isolierten Versuchsaufbau für heiße Salzschmelzen. Die Anlage dient der Erprobung von Komponenten für den geplanten Flüssigsalzreaktor MSR-1 – noch ohne Uran und ohne Kernspaltung.
Foto: Natura Resources
In Texas soll erstmals seit mehr als fünf Jahrzehnten wieder ein US-Reaktor mit flüssigem Kernbrennstoff entstehen. Nach Angaben des Entwicklers Natura Resources hat das US-Energieministerium DOE nun den Sicherheitsrahmen für das Projekt gebilligt. Eine Betriebserlaubnis ist das noch nicht. Vor der ersten kontrollierten Kettenreaktion muss das Unternehmen weitere Sicherheitsnachweise erbringen.
Bei der geplanten Anlage handelt es sich um den Molten Salt Research Reactor, kurz MSRR. Er soll auf dem Campus der Abilene Christian University im US-Bundesstaat Texas gebaut werden und Naturas Reaktorsystem MSR-1 erstmals praktisch erproben. Die maximale Wärmeleistung beträgt 1 MW. Strom soll der Forschungsreaktor nicht erzeugen.
Sicherheitsregeln werden frühzeitig festgelegt
Die aktuelle Meldung betrifft eine sogenannte Nuclear Safety Design Agreement, kurz NSDA. In dieser Vereinbarung stimmen Natura und das DOE unter anderem die Anforderungen an die Konstruktion, die Methodik der Sicherheitsanalysen und zentrale sicherheitstechnische Entscheidungen ab.
Die Vereinbarung soll verhindern, dass Entwickler und Behörde erst nach Abschluss der Detailplanung unterschiedliche Anforderungen feststellen. Sie ist damit ein früher zentraler Meilenstein im Prüf- und Freigabeverfahren des DOE. Öffentlich bekannt gegeben wurde die Zustimmung bislang von Natura. Eine eigene Mitteilung des Energieministeriums zu dieser konkreten Entscheidung liegt nicht vor.
Vor dem nuklearen Betrieb muss Natura weitere Unterlagen vorlegen. Dazu gehören eine vorläufige und eine endgültige Sicherheitsanalyse. Am Ende steht eine Prüfung der Betriebsbereitschaft. Wann der Reaktor erstmals mit Kernbrennstoff beladen und kritisch werden kann, lässt sich aus der aktuellen Vereinbarung noch nicht ableiten.
Uran ist direkt im Salz gelöst
Der MSRR unterscheidet sich deutlich von den heute üblichen Leichtwasserreaktoren. In ihnen steckt das Uran meist in keramischen Tabletten, die von metallischen Brennstabhüllen umschlossen sind. Beim texanischen Forschungsreaktor soll das Uran dagegen direkt in einer flüssigen Salzschmelze gelöst sein.
Vorgesehen ist sogenanntes HALEU. Die Abkürzung steht für „High-Assay Low-Enriched Uranium“. Gemeint ist niedrig angereichertes Uran mit einem Anteil von mehr als 5 %, aber weniger als 20 % Uran-235. Brennstoffe für die derzeitigen kommerziellen US-Leichtwasserreaktoren enthalten üblicherweise höchstens 5 % Uran-235.
Beim MSRR wird das Uran in FLiBe gelöst, einer Mischung aus Lithium- und Berylliumfluorid. Das Salz strömt durch Kanäle in einem Graphitmoderator. Dort läuft die Kernspaltung ab. Die Salzschmelze enthält damit nicht nur den Brennstoff, sondern transportiert zugleich die entstehende Wärme aus dem Reaktorkern.
Niedriger Druck, andere Risiken
Fluoridsalze sieden erst bei sehr hohen Temperaturen. Der Primärkreislauf muss deshalb nicht unter einem ähnlich hohen Druck stehen wie der Wasserkreislauf eines Druckwasserreaktors. Das reduziert die im System gespeicherte Druckenergie und schließt einige Störfallszenarien herkömmlicher Reaktoren aus.
Dafür entstehen andere technische Probleme. Weil der Brennstoff flüssig ist, können radioaktive Spaltprodukte durch Rohrleitungen, Pumpen und Wärmetauscher zirkulieren. Gasförmige Spaltprodukte gelangen in das Abgassystem und müssen dort kontrolliert zurückgehalten werden.
Hinzu kommen die chemischen Eigenschaften der heißen Salzschmelze. Verunreinigungen und Spaltprodukte können das Korrosionsverhalten verändern. Entwickler müssen deshalb den chemischen Zustand des Salzes überwachen und Werkstoffe finden, die hohen Temperaturen, Strahlung und korrosiven Bedingungen über lange Zeit standhalten. Die Internationale Atomenergie-Organisation zählt die Wechselwirkungen zwischen Neutronenphysik, Strömungsverhalten, Salzchemie und Werkstoffkorrosion zu den zentralen Entwicklungsfeldern von Flüssigsalzreaktoren.
Lesen Sie dazu: Technik erklärt: Wie funktionieren Flüssigsalzreaktoren?
NRC erlaubte den Bau bereits 2024
Ganz am Anfang steht das Projekt nicht. Die US-Atomaufsicht NRC erteilte der Abilene Christian University am 16. September 2024 die Baugenehmigung. Es war die erste NRC-Baugenehmigung für einen US-Reaktor, bei dem der Kernbrennstoff in einer Salzschmelze gelöst ist. Die Genehmigung erlaubt den Bau, aber noch nicht den nuklearen Betrieb.
Für den Weg zur ersten Kritikalität setzt Natura inzwischen auf das Reactor Pilot Program des Energieministeriums. Das Programm nutzt die Befugnis des DOE, Reaktoren für Forschung, Entwicklung und Demonstration zu autorisieren. Natura gehört zu den ausgewählten Unternehmen. Das DOE beschreibt sein Verfahren und die NRC-Lizenzierung nicht als Konkurrenzmodelle: Daten aus den Demonstrationsprojekten sollen später in Genehmigungsverfahren der Atomaufsicht einfließen.
Nach Angaben von Natura sollen der erste Betrieb und die Kritikalität des MSR-1 unter DOE-Aufsicht stattfinden. Anschließend wollen das Unternehmen und die Universität die NRC-Lizenzierung des Forschungsreaktors fortsetzen. Für spätere kommerzielle Anlagen bleibt die NRC ebenfalls zuständig.
Salztestanlage läuft bislang ohne Uran
Pumpen, Leitungen, Sensoren und Steuerungssysteme erprobt Natura bereits in einem nicht nuklearen Testkreislauf. Die Anlage arbeitet mit FLiNaK, einer Mischung aus Lithium-, Natrium- und Kaliumfluorid. Sie enthält weder Uran noch entstehen darin Spaltprodukte. Das verwendete Salz entspricht daher nicht vollständig dem späteren Brennstoffsalz des Reaktors.
Nach Unternehmensangaben hat der Testkreislauf inzwischen mehr als 2.000 Betriebsstunden absolviert. Mehr als 1.750 Stunden davon sei die Anlage autonom gelaufen. Unabhängig überprüfte Betriebsdaten liegen nicht vor. Die Versuche können die Funktion der Komponenten unter hohen Temperaturen und im Kontakt mit flüssigem Salz zeigen. Die Bedingungen eines bestrahlten Brennstoffsalzes bilden sie jedoch nicht ab.
Vorläufer erreichte 1965 die Kritikalität
Der letzte US-Reaktor mit zirkulierendem flüssigem Kernbrennstoff war das Molten Salt Reactor Experiment am Oak Ridge National Laboratory. Es erreichte am 1. Juni 1965 seine erste selbsterhaltende Kettenreaktion und lief bis 1969. Im Jahr 1968 wurde es zum ersten Reaktor, der Uran-233 als Brennstoff nutzte.
Der MSRR wäre deshalb nicht der erste Flüssigsalzreaktor der USA. Er wäre aber der erste neue US-Reaktor dieser Bauart seit dem Ende des Versuchsprogramms in Oak Ridge. Als Nächstes muss Natura die weiteren Sicherheitsanalysen beim DOE einreichen und die Betriebsbereitschaft der Anlage nachweisen. Erst danach rücken das Einbringen des Brennstoffs und die erste Kritikalität näher.
Quellen und weitere Informationen
- Natura Resources: Zustimmung zur Nuclear Safety Design Agreement
- US-Energieministerium: Reactor Pilot Program
- US-Atomaufsicht NRC: Molten Salt Research Reactor der ACU
- IAEA: Werkstoffe und technische Herausforderungen von Flüssigsalzreaktoren
- Oak Ridge National Laboratory: Geschichte des Molten Salt Reactor Experiment
- Natura Resources: Angaben zum Salztestkreislauf
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