Perspektiven der Kernkraft

@Tripane

Tja, was früher undenkbar war, ist heute schon Realität. Theoretisch könnte man bei unzureichender Bewachung so ein Kernkraftwerk auch klauen. Einfach nachts auf einen Tieflader, und ab nach Polen... :D

Wenigstens kann man damit kein waffenfähiges Plutonium erbrüten, da fallen schon mal viele "Interessenten" weg.

Bei einem Kernspaltungsreaktor entsteht immer Neutronenstrahlung und die ist sehr gefährlich, sehr durchdringungsfähig und folgt bezüglich Absorption anderen Gesetzen als Alpha-, Beta- und Gammastrahlung (Blei durchdringt sie sehr gut).
Könnte man wirklich eine derartige Abschirmung so kompakt realisieren, daß der Reaktor auf ein Fahrzeug paßt, welches der deutschen Stravenverkehrszulassungsvorschrift entspricht?

@Marfrank: Sowas in der Art gab's schon mal:



Das war der Ford Nucleon von 1958. Es blieb allerdings bei einer Designstudie ohne Kernreaktor.

Zu Deiner Frage zur Abschirmung: Die Strahlung liesse sich rein technisch zwar abschirmen, allerdings wäre es nicht realistisch möglich, eine Unfallsicherheit zu erreichen, die den deutschen Vorschriften entspräche.

uatu schrieb:allerdings wäre es nicht realistisch möglich, eine Unfallsicherheit zu erreichen, die den deutschen Vorschriften entspräche.

Siehe allein schon den Transport für Atommüll, der sogenannte Castortransport.

Wie wüllte man das wohl bei einem Auto mit nuklearem Antrieb umsetzen? 😋

Es gibt einen wichtigen Unterschied zwischen verbrauchten Brennelementen und einem Kernreaktor: ein Kernreaktor emittiert zusätzlich in hohem Maße Neutronenstrahlung. Diese macht andere Stoffe durch Kernreaktionen radioaktiv und durchdringt Blei recht gut, weil für ihre Absorption Einfangsquerschnitte von Atomkernen maßstäblich sind. Mit was hätte man einen Reaktor, der in einen Ford Nukleon passen sollte, abschirmen gekonnt? Würden Hafnium und Gadolinium funktionieren?

Ein Fahrzeug, welches radioaktiven Zerfall nutzt, ist hingegen umsetzbar, denn diese Strahlen können leichter abgeschirmt werden als Neutronen. Für Alphastrahlung reicht schon ein Blatt Papier.
In der Tat gibt es zwei Fahrzeuge, welche diese Antriebsform nutzen und zwar die Marsrover "Curiosity" und "Perseverance".

Marfrank schrieb:Es gibt einen wichtigen Unterschied zwischen verbrauchten Brennelementen und einem Kernreaktor:

Schon klar. Aber wie @uatu schon erwähnte:

uatu schrieb:allerdings wäre es nicht realistisch möglich, eine Unfallsicherheit zu erreichen, die den deutschen Vorschriften entspräche.

Darum ging es mir nur. Das Beispiel mit dem Castor sollte das zum Vergleich veranschaulichen.

Wenn man es nicht schaffen sollte, eine Reaktorabschirmung in einer Größe, mit der eine Straßenzulassung möglich ist, zu erhalten, dann macht es wenig Sinn sich über Unfallsicherheit Gedanken zu machen, weil das Fahrzeug für eine Straßenzulassung sowieso zu groß würde. Mit einer Isotopenbatterie hingegen ließe sich sowohl eine ausreichende Abschirmung als auch die nötige Unfallsicherheit erreichen, letztere bestimmt sogar mit hohen Reserven.

@Marfrank: Der Neutronenfluss, der für den Abschirmungsaufwand maßgeblich ist, hängt ganz wesentlich von der Menge des vorhandenen spaltbaren Materials ab. Die Leistung eines üblichen Kernkraftwerk-Reaktors liegt in der Grössenordnung von 1 GW. Ein Auto braucht aber nur eine Leistung in der Grössenordnung von 100 kW, d.h. ungefähr um den Faktor 10.000 weniger. Dementsprechend ist auch sehr viel weniger spaltbares Material erforderlich, woraus wiederum ein sehr viel geringerer Neutronenfluss folgt. Noch weiter verringern kann man die Menge des spaltbaren Materials, indem man die Betriebsdauer bis zum Austausch der Reaktorfüllung verkürzt. Deshalb hatte der Ford Nucleon "nur" eine geplante Reichweite von ca. 8000 km mit einer Reaktorfüllung.

Bei einem Kernreaktor üblicher Bauart werden die bei der Kernreaktion entstehenden Neutronen durch einen Moderator zu thermischen Neutronen abgebremst. Diese abzuschirmen ist nicht übermässig schwierig:

Ein Cadmiumblech von 1 mm Dicke verringert den durchtretenden thermischen Neutronenfluss etwa um das 10⁵-fache, also auf ein Hunderttausendstel.

(Wikipedia: Neutronenabsorber)

Es gibt auch noch eine Reihe anderer gut geeigneter und gut verfügbarer Materialien für diesen Zweck. Bei der Abschirmung entsteht Sekundärstrahlung, die auf herkömmliche Weise (u.a. mit Blei) abgeschirmt werden kann.

Eine Abschirmung für einen Kernreaktor im Kleinformat, der in ein Auto passen würde, ist also technisch durchaus möglich. Es hätte nie einen Entwurf für den Ford Nucleon gegeben, wenn das Abschirmungsproblem grundsätzlich unlösbar wäre. Nicht realistisch hingegen ist, einen solchen Reaktor nach heutigen Standards unfallsicher zu bekommen.

Marfrank schrieb:Mit einer Isotopenbatterie hingegen ließe sich sowohl eine ausreichende Abschirmung als auch die nötige Unfallsicherheit erreichen, letztere bestimmt sogar mit hohen Reserven.

Soso. Die Anzahl der weltweit für den Strassenverkehr zugelassenen Autos mit Isotopenbatterien ist Dir bekannt? Meinst Du, diese Zahl liegt daran, dass Du der erste bist, der diese Idee hat?

@Marfrank:

Marfrank schrieb:In der Tat gibt es zwei Fahrzeuge, welche diese Antriebsform nutzen und zwar die Marsrover "Curiosity" und "Perseverance".

Am Rande erwähnt: Sowohl der Curiosity- als auch der Perseverance-Generator (beide auf Basis von 4,8 kg Plutonium-238) liefert 110 W (= 0,11 kW) elektrische Leistung. Das ist sehr weit von der für einen PKW erforderlichen Leistung entfernt.

Laut Wikipedia: Radionuklidbatterie#Weltall überstehen moderne Isotopenbatterien einen Fehlstart einer Rakete. Da dürfte ein Autounfall auch kein Problem darstellen!

Ein Problem mit Isotopenbatterien ist auch, daß die geeigneten Nuklide sehr teuer sind.

@Marfrank:

Marfrank schrieb:Laut Wikipedia: Radionuklidbatterie#Weltall überstehen moderne Isotopenbatterien einen Fehlstart einer Rakete.

So einfach ist das nicht. Die NASA hat bei den Projekten, die unter dem genannten Link erwähnt werden, jeweils die maximale Wahrscheinlichkeit für die Freisetzung von Radioaktivität durch einen Unfall geschätzt, und diese für akzeptabel befunden. Dagegen gab es aber erheblichen Widerstand, z.B. die "Stop Cassini"-Bewegung in den 1990ern, der u.a. der bekannte Physiker Michio Kaku angehörte, und die u.a. auch die Schätzungen der NASA in Zweifel zog. Für den Strassenverkehr wäre das Risiko in jedem Fall unakzeptabel.

Unabhängig davon ist das Leistungs/Gewicht-Verhältnis bei Raumfahrt-Isotopenbatterien so schlecht, dass eine Verwendung in einem Auto sowieso nicht praktikabel wäre. Z.B. lieferten die Generatoren der Cassini-Sonde je 285 W bei einem Gewicht von 56 kg (davon ca. 9,7 kg Plutonium-238). Für eine Leistung von 100 kW bräuchte man also ca. 350 dieser Generatoren mit einem Gesamtgewicht von fast 20 Tonnen (davon ca. 3,4 Tonnen Plutonium-238).

Manche, als fortschrittlich klassifizierte Reaktoren verwenden Flüssigmetall als Kühlmittel, meist Natrium. Natrium ist aber leicht brennbar und reagiert heftig mit Wasser.
Wie gut oder wie schlecht wäre es möglich, einen Reaktor zu bauen, der als Kühlmittel Gallium oder Quecksilber verwendet? Könnte ein derartiger Reaktor auch "brüten"?

Autos direkt mit kleinen Bord-Reaktoren anzutreiben, halte ich derzeit (nach dem jetzigen Stand) nicht für überlegenswert.
Da, wo man sich mit der Kernkraft arrangieren will, da wird man diverse Konzepte durchdenken können, aber keines wird wohl auf ein Kleinstkraftwerk hinauslaufen, das völlig autark von einer Privatperson besessen und betrieben wird. Da spielen neben der reinen Technik und persönlichen Sicherheit auch Dinge rein wie, Markt (exporttauglich?), Proliferation etc. Es war damals wohl einfach nur eine vom Zeitgeist beflügelte Vision.

Tripane schrieb am 17.10.2021:aber keines wird wohl auf ein Kleinstkraftwerk hinauslaufen, das völlig autark von einer Privatperson besessen und betrieben wird.

Hatte ich vor kurzem auch noch gedacht, aber die Realität sieht anders aus.

Doug Bernauer, CEO der Firma Radiant, der vor kurzem noch für Elon Musk und seine zukünftige Marskolonie einen Mikro-Reaktor entwickeln sollte, war damit sehr erfolgreich und will offenbar nicht mehr auf die Marskolonisierung warten...


Quelle

Das Teil liefert mehr als 1MW und hat Platz auf einem herkömmlichen LKW. Ich denke, der Schritt hin zum PKW dauert nicht mehr lange, zudem benötigt ein Kleinwagen auch nur einen Bruchteil der Leistung.

Ich denke, wir stehen da erst am Anfang der Entwicklung, die Miniaturisierung wird weiter voranschreiten, und mit den neuen Möglichkeiten wird sich auch ganz automatisch ein wachsender Bedarf ergeben. Ich bin jedenfalls gespannt, wo das noch hinführen wird. :)

Kleine Ergänzung: Das nach meinem Empfinden Besondere an diesem Reaktor ist, und damit unterscheidet er sich auch von den anderen Entwicklungen im SMR-Bereich, die bereits integrierte Anlage zur Stromerzeugung.

Ein herkömmlicher Reaktor liefert ja zunächst einmal "nur" Wärme, die dann einem konventionellen Kraftwerk zugeführt wird, um damit nutzbaren Strom zu erzeugen. Nach eigenen Angaben ist das hier anders, die Stromerzeugung ist bereits integriert!

Der Mikroreaktor inklusive der der Stromerzeugungsanlage ist so klein, dass er mit dem Lkw, per Flugzeug oder mit dem Hubschrauber bewegt werden kann. So kann er auch an abgelegenen Orten eingesetzt werden und soll dann vier Jahre lang praktisch wartungsfrei Strom liefern.

Quelle

Keine Ahnung ob es nur mir so geht, aber ich finde man kann die Bedeutung dieser Entwicklung gar nicht hoch genug einschätzen. Natürlich sind damit nicht all unsere Energieprobleme vom Tisch, aber es verschafft uns etwas Luft und eröffnet neue Perspektiven, nicht nur im Kampf gegen den Klimawandel, sondern auch bei Fragen, in denen es um den generellen Zugang zu nutzbarer Energie geht.

Ich vermute, daß dieser Kleinreaktor zur Erzeugung von Strom Thermoelemente oder thermionische Wandler verwendet. Funktioniert ohne Verschleißteile, aber der Wirkungsgrad ist schlechter als beim klassischen Kernkraftwerk.

Marfrank schrieb:Ich vermute, daß dieser Kleinreaktor zur Erzeugung von Strom Thermoelemente oder thermionische Wandler verwendet.

Damit wäre die angegebene Ausgangsleistung von 1 MW technisch nicht möglich. Ich habe deswegen eine umfangreiche Recherche durchgeführt, die aber leider kaum etwas brachte. Es scheint, dass in allen Artikeln über das Unternehmen -- auch im englischsprachigen Raum -- und auf der (sehr mageren) Website des Unternehmens im wesentlichen das gleiche steht. Die technischen Informationen beschränken sich im Grossen und Ganzen auf: 1 MW Leistung, bis zu 8 Jahre Betriebsdauer, Helium-gekühlt. Auch die angegebenen 1,2 Millionen US$ an eingeworbenen Investitionen sind nicht allzu beeindruckend. Bei der Entwicklung eines Kernreaktors reicht das nicht für viel mehr als die Portokosten.

Solange nicht wesentlich mehr Informationen über das Konzept verfügbar sind, ist da m.E. eine gewisse Skepsis angebracht.

Peter0167 schrieb:Ich denke, wir stehen da erst am Anfang der Entwicklung, die Miniaturisierung wird weiter voranschreiten, und mit den neuen Möglichkeiten wird sich auch ganz automatisch ein wachsender Bedarf ergeben. Ich bin jedenfalls gespannt, wo das noch hinführen wird

Die Russen haben teilweise ihre Radioisotopengeneratoren im Wald stehen lassen oder dort vergessen, mit dem Ergebnis das sich unbedarfte daran im Winter gewärmt haben, was denen dann auch anderweitig "gut" getan hat.... Daher habe ich eine gewisse Skepsis bei solchen Konzepten.

Um die (Ab-) Waerme hab ich mir auch Gedanken gemacht, als ich das Bild gesehen hab.
Nachdem ich gelesen hab, Heliumgekuehlt war klar das der Boiler nicht nur nen paar Steckdosen auf der Rueckseite hat, sondern noch ein Haufen Peripherie bedarf der wohl auch laufende Betriebskosten verursacht.
Mal schauen, wie eine betriebsbereite Anlage ausschaut.



:mlp:

Ergänzend zu @taren's Beitrag:

Wegen der insgesamt großen Menge von radioaktivem Material wird die Anwendung in den Nachfolgestaaten der UdSSR als problematisch gesehen. Dort wurden zwischen 1976 und den 1990er-Jahren 1007 Radioisotopengeneratoren hergestellt. Sie wurden für Verwendungszwecke wie die Stromversorgung abseits gelegener Leuchttürme oder militärischer Funk-Relaisstationen konstruiert, wobei wegen des hohen Leistungsbedarfs dieser Anwendungen und des geringen Wirkungsgrades der Stromerzeugung große Mengen (bis zu über 100 kg) radioaktiven Materials eingesetzt wurden, meist 90Strontium. Das 90Sr wurde von den RTGs in der Verbindung Strontiumtitanat oder als Bestandteil von Borsilikatglas verwendet.

Alle diese Geräte stammen aus der Sowjetzeit und haben mittlerweile ihre projektierte Lebensdauer überschritten. Aufgrund der schleppenden Demontage und Entsorgung durch die zuständigen Behörden, der unvollständigen Dokumentation der Typen und Standorte und der meist unzureichenden Sicherung dieser Anlagen kam es mindestens bis 2006 zu Freisetzungen strahlenden Materials durch Korrosion und insbesondere durch Metall-Diebstähle.

Aus Georgien wurde berichtet, dass zwei Holzfäller im Jahr 2001 in Wäldern die liegengelassenen Bestandteile zweier Isotopenbatterien ehemaliger mobiler militärischer Funkanlagen fanden, sich daran in der Nacht wärmten und daraufhin in einem Krankenhaus wegen massiven Merkmalen von Strahlenkrankheit behandelt werden mussten. Entsprechende Meldungen gingen bis an die IAEO. Für die darauf folgende Räumungsaktion waren starke Schutzauflagen erforderlich. In Georgien wird von der IAEA und der georgischen Regierung aktiv nach sogenannten Orphan-Strahlern („herrenlose Strahler“) gesucht, da es bereits zu schwerwiegenden Strahlenschäden kam. Neben den 90Sr enthaltenden RTGs sind das vor allem 137Caesium-Quellen aus militärischer und landwirtschaftlicher Nutzung.

Bis zum Jahr 2012 wurden die 1007 russischen Radioisotopengeneratoren mit Hilfe von Frankreich, Norwegen, Kanada und den USA eingesammelt. Die Radioisotopengeneratoren wurden daraufhin bei DalRAO in der Nähe von Wladiwostok und bei RosRAO bei Moskau eingelagert. Die restlichen noch vorhandenen Radioisotopengeneratoren sollen in den kommenden Jahren ebenfalls eingesammelt werden, so dass ab dem Jahr 2025 keine RTGs mehr auf russischem Territorium vorhanden sind. Drei russische Radioisotopengeneratoren gelten in der Arktis als vermisst.

(Wikipedia: Radionuklidbatterie)