2020-01:Thorium - ein Brennstoff für eine bessere Kerntechnik: Unterschied zwischen den Versionen

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== Thorium - Brennstoff für eine bessere Kerntechnik? ==
 
== Thorium - Brennstoff für eine bessere Kerntechnik? ==
'''Thorium wird aktuell von manchen Atomkraftbefür­worter*innen als bessere Alternative zum Uranbrennstoff bezeichnet. Thorium selbst ist aber kein Spaltstoff, sondern kann nur über Brüter- und Wiederaufarbei­tungtechnologie in spaltbares Uran-233 umgewandelt werden. Es kommt 3- bis 4-mal häufiger vor als Uran. Bezüglich Sicherheit und Entsorgung sind keine durchgreifenden Vorteile gegenüber dem klassischen Uranbrennstoff erkennbar. Ein schwerwiegender Nachteil liegt darin, dass aus Thorium erbrütetes Uran-233 zum Bau von einfachen aber hochwirksa­men Nuklearsprengsätzen zum Beispiel durch Terror­organisationen taugt. Die aktuell noch vielfach ange­strebte Thoriumverwendung ohne wirksame Denatu­rierung des erbrüteten Spaltstoffs erscheint daher unverantwortlich.'''
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'''Thorium wird aktuell von manchen Atomkraftbefür­worter*innen als bessere Alternative zum Uranbrennstoff bezeichnet. Thorium selbst ist aber kein Spaltstoff, sondern kann nur über Brüter- und Wiederaufarbei­tungtechnologie in spaltbares Uran-233 umgewandelt werden. Es kommt 3- bis 4-mal häufiger vor als Uran. Bezüglich Sicherheit und Entsorgung sind keine durchgreifenden Vorteile gegenüber dem klassischen Uranbrennstoff erkennbar. Ein schwerwiegender Nachteil liegt darin, dass aus Thorium erbrütetes Uran-233 zum Bau von einfachen aber hochwirksa­men Nuklearsprengsätzen zum Beispiel durch Terror­organisationen taugt. Die aktuell noch vielfach ange­strebte Thoriumverwendung ohne wirksame Denaturierung des erbrüteten Spaltstoffs erscheint daher unverantwortlich.'''
  
 
=== Einleitung ===
 
=== Einleitung ===
Thorium (Th) ist ein Schwer­metall der Ordnungszahl 90 (Uran: 92). Es zählt zu den Aktinoiden, kommt etwa 3- bis 4-mal häufiger vor als Uran und ist radioaktiv<ref>Halbwerts­zeit von Th-232 als Anfangs­glied der Thorium-Zerfallsrei­he 14 Milliarden Jahre im al­pha-Zerfall</ref>. Technische An­wendungen hat es bisher kaum gefunden. Eine Besonderheit ist die sehr harte (durchdrin­gende) Gammastrahlung aus seiner Zerfallsreihe<ref>Thalli­um-208 (Tl-208): 2,6 MeV; zum Vergleich die Gamma­strahlung von Cs-137: 0,66 MeV</ref>. Thorium wird seit cir­ca 10 Jahren von einer welt­weit aktiven Gruppe von Atom­kraftbefürworter*innen als Brenn­stoff für eine sichere und kos­tengünstige AKW<ref>AKW: Atomkraftwerk</ref>-Technik oh­ne größere Entsorgungs- und Proliferationsprobleme emp­fohlen. Dieser Anspruch soll hier einem wissenschaftlichen Faktencheck unterworfen wer­den. Dazu werden die Be­hauptungen der Thoriumbe­fürworter*innen sukzessive geprüft.
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Thorium (Th) ist ein Schwer­metall der Ordnungszahl 90 (Uran: 92). Es zählt zu den Aktinoiden, kommt etwa 3- bis 4-mal häufiger vor als Uran und ist radioaktiv<ref>Halbwertszeit von Th-232 als Anfangs­glied der Thorium-Zerfallsrei­he 14 Milliarden Jahre im al­pha-Zerfall</ref>. Technische An­wendungen hat es bisher kaum gefunden. Eine Besonderheit ist die sehr harte (durchdrin­gende) Gammastrahlung aus seiner Zerfallsreihe<ref>Thalli­um-208 (Tl-208): 2,6 MeV; zum Vergleich die Gamma­strahlung von Cs-137: 0,66 MeV</ref>. Thorium wird seit cir­ca 10 Jahren von einer welt­weit aktiven Gruppe von Atom­kraftbefürworter*innen als Brenn­stoff für eine sichere und kostengünstige AKW<ref>AKW: Atomkraftwerk</ref>-Technik oh­ne größere Entsorgungs- und Proliferationsprobleme emp­fohlen. Dieser Anspruch soll hier einem wissenschaftlichen Faktencheck unterworfen wer­den. Dazu werden die Be­hauptungen der Thoriumbe­fürworter*innen sukzessive geprüft.
  
 
=== Behauptung 1: Mit Thoriumnutzung lassen sich die nuklearen Brenn­stoffreserven um den Faktor 400 strecken ===
 
=== Behauptung 1: Mit Thoriumnutzung lassen sich die nuklearen Brenn­stoffreserven um den Faktor 400 strecken ===
Thorium selbst ist kein Spalt­stoff. Es kann in Brüterreakto­ren<ref>Ein Brüter ist ein Reaktor, bei dem bei Entnahme der abge­brannten Brennelemente mehr Spaltstoff vorhanden ist, als in frischen Brennelementen. Be­griffliche Verwirrung stiftet gele­gentlich, dass im kerntechnischen Sprachgebrauch jeder konventio­nelle Reaktor brütet, aber eben weniger als er verbraucht (''und deshalb nicht als Brüter bezeich­net wird'').</ref> aber in spaltbares Uran-233 (''U-233'') umgewandelt werden, ähnlich wie das nicht spaltbare U-238<ref>99,3 Prozent des Natururans</ref> in einem Brü­terreaktor in spaltbares Pluto­nium umgewandelt werden kann. Thoriumnutzung setzt al­so Brüter- und Wiederaufar­beitungstechnologie voraus. Da letztere aus verschiedenen Gründen fast weltweit in Ver­ruf geraten sind, könnte es sein, dass der noch unver­brauchte Begriff Thorium hier genutzt wird, um einen beab­sichtigten Wiedereinstieg in diese problematischen Tech­nologien zu verschleiern.
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Thorium selbst ist kein Spalt­stoff. Es kann in Brüterreakto­ren<ref>Ein Brüter ist ein Reaktor, bei dem bei Entnahme der abge­brannten Brennelemente mehr Spaltstoff vorhanden ist, als in frischen Brennelementen. Be­griffliche Verwirrung stiftet gele­gentlich, dass im kerntechnischen Sprachgebrauch jeder konventio­nelle Reaktor brütet, aber eben weniger als er verbraucht (''und deshalb nicht als Brüter bezeich­net wird'').</ref> aber in spaltbares Uran-233 (''U-233'') umgewandelt werden, ähnlich wie das nicht spaltbare U-238<ref>99,3 Prozent des Natururans</ref> in einem Brü­terreaktor in spaltbares Pluto­nium umgewandelt werden kann. Thoriumnutzung setzt al­so Brüter- und Wiederaufarbeitungstechnologie voraus. Da letztere aus verschiedenen Gründen fast weltweit in Ver­ruf geraten sind, könnte es sein, dass der noch unver­brauchte Begriff Thorium hier genutzt wird, um einen beab­sichtigten Wiedereinstieg in diese problematischen Tech­nologien zu verschleiern.
  
 
Nun zum Faktor 400: Dieser vergleicht Urannutzung in klassischen Leichtwasserreak­toren (''LWR'') mit Thoriumein­satz in Brüterreaktoren. Ein Faktor von circa 100 geht da­bei auf die Brüterverwendung zurück, und wäre im weiter entwickelten Uran/Plutonium-Kreislauf ebenfalls zu errei­chen; nur ein Faktor von 3 bis 4 ist spezifisch für Thorium, weil es eben um diesen Faktor häufiger vorkommt als Uran.
 
Nun zum Faktor 400: Dieser vergleicht Urannutzung in klassischen Leichtwasserreak­toren (''LWR'') mit Thoriumein­satz in Brüterreaktoren. Ein Faktor von circa 100 geht da­bei auf die Brüterverwendung zurück, und wäre im weiter entwickelten Uran/Plutonium-Kreislauf ebenfalls zu errei­chen; nur ein Faktor von 3 bis 4 ist spezifisch für Thorium, weil es eben um diesen Faktor häufiger vorkommt als Uran.
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Die Problematik der Prolifera­tion bei Th-/U-233 bedarf einer differenzierten Analyse, pau­schale Antwortversuche füh­ren in die Irre. Daher sei zu­erst die Waffentauglichkeit von U-233 untersucht. Als Kriterien für eine gute Waf­fentauglichkeit gelten eine niedrige kritische Masse so­wie eine niedrige Spontan­spaltungsrate. Die kritische Masse von U-233 beträgt nur 40 Prozent derjenigen von U-235, bei Plutonium-239 (''Pu-239'') ist die kritische Masse circa 15 Prozent kleiner als beim U-233. Für einen einfach zu bauenden nuklearen Spreng­satz werden etwa 20 bis 25 Ki­logramm U-233 benötigt. Die Spontanspaltungsrate ist wich­tig, weil die durch Spon­tanspaltung erzeugten Neutro­nen als Starter der Kettenreak­tion wirken; zur effizienten nuklearen Explosion muss der Spaltstoff aber mindestens ei­ne Kritikalität<ref>Kritikalität: Zahl der Spaltun­gen, die eine einzelne Spaltung durch die von ihr produzierten Neutronen unmittelbar zur Folge hat.</ref> von circa 2,5 haben. Kommt es bereits wäh­rend der konventionellen Bombenzündung in der Kriti­kalitätsphase zwischen 1 und 2,5 zu einer merklichen Ket­tenreaktion aufgrund von Spon­tanspaltungen, könnte das zu unerwünschten schwachen nuk­learen Explosionen führen, wel­che die Überkritikalität been­den, bevor ein nennenswerter Anteil des Spaltstoffs reagiert hat. Das hängt wesentlich auch davon ab, wie schnell die Kritikalitätsphase von 1 bis 2,5 durchschritten wird. Waffenplutonium (''überwiegend Pu-239'') und vor allem Reak­torplutonium haben – anders als die genannten Uranspalt­stoffe – eine vergleichsweise hohe Spontanspaltungsrate, was ihre Verwendung in einfach zu bauenden Bomben aus­schließt.
 
Die Problematik der Prolifera­tion bei Th-/U-233 bedarf einer differenzierten Analyse, pau­schale Antwortversuche füh­ren in die Irre. Daher sei zu­erst die Waffentauglichkeit von U-233 untersucht. Als Kriterien für eine gute Waf­fentauglichkeit gelten eine niedrige kritische Masse so­wie eine niedrige Spontan­spaltungsrate. Die kritische Masse von U-233 beträgt nur 40 Prozent derjenigen von U-235, bei Plutonium-239 (''Pu-239'') ist die kritische Masse circa 15 Prozent kleiner als beim U-233. Für einen einfach zu bauenden nuklearen Spreng­satz werden etwa 20 bis 25 Ki­logramm U-233 benötigt. Die Spontanspaltungsrate ist wich­tig, weil die durch Spon­tanspaltung erzeugten Neutro­nen als Starter der Kettenreak­tion wirken; zur effizienten nuklearen Explosion muss der Spaltstoff aber mindestens ei­ne Kritikalität<ref>Kritikalität: Zahl der Spaltun­gen, die eine einzelne Spaltung durch die von ihr produzierten Neutronen unmittelbar zur Folge hat.</ref> von circa 2,5 haben. Kommt es bereits wäh­rend der konventionellen Bombenzündung in der Kriti­kalitätsphase zwischen 1 und 2,5 zu einer merklichen Ket­tenreaktion aufgrund von Spon­tanspaltungen, könnte das zu unerwünschten schwachen nuk­learen Explosionen führen, wel­che die Überkritikalität been­den, bevor ein nennenswerter Anteil des Spaltstoffs reagiert hat. Das hängt wesentlich auch davon ab, wie schnell die Kritikalitätsphase von 1 bis 2,5 durchschritten wird. Waffenplutonium (''überwiegend Pu-239'') und vor allem Reak­torplutonium haben – anders als die genannten Uranspalt­stoffe – eine vergleichsweise hohe Spontanspaltungsrate, was ihre Verwendung in einfach zu bauenden Bomben aus­schließt.
  
Konkret kann Pluto­nium in einer Gun-Bombe nicht zur Explosion gebracht werden, wohl aber die beiden Urannuklide; Plutonium benö­tigt die viel komplexere Im­plosionsbombe, auf die hier nicht eingegangen werden soll. Eine Gun-Bombe (''Kanonen­rohranordnung, in der ein Spalt­stoffprojektil auf einen Spalt­stoffblock geeigneter Form geschossen wird, sodass sie zusammen eine hoch überkri­tische Anordnung ergeben, s. Abbildung auf Folie 7 in (Adelfang 2011<ref name="eins">Pablo Adelfang, Research Re­actor Section / IAEA: Symposi­um on Progress, Challenges, and Opportunities for Converting U.S. and Russian Research Reactors from Highly Enriched to Low En­riched Uranium Fuel, Moscow, 8-10 June 2011,  
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Konkret kann Pluto­nium in einer Gun-Bombe nicht zur Explosion gebracht werden, wohl aber die beiden Urannuklide; Plutonium benö­tigt die viel komplexere Im­plosionsbombe, auf die hier nicht eingegangen werden soll. Eine Gun-Bombe (''Kanonen­rohranordnung, in der ein Spalt­stoffprojektil auf einen Spalt­stoffblock geeigneter Form geschossen wird, sodass sie zusammen eine hoch überkri­tische Anordnung ergeben, s. Abbildung auf Folie 7 in (Adelfang 2011)<ref name="eins">Pablo Adelfang, Research Re­actor Section / IAEA: Symposi­um on Progress, Challenges, and Opportunities for Converting U.S. and Russian Research Reactors from Highly Enriched to Low En­riched Uranium Fuel, Moscow, 8-10 June 2011,  
http://dels.nas.edu/resources/static-assets/nrsb/miscellaneous/Adelfang-Presentation_Moscow_June_2011_Ali.pdf</ref>)'') wurde in Hiroshima einge­setzt; hier liegt das Durchlau­fen der Kritikalitätsphase 1 bis 2,5 im Bereich von Millise­kunden – ein relativ langer Zeitraum, in welcher sich ein Plutoniumsprengsatz durch eine schwache nukleare Ex­plosion, initiiert durch Spon­tanspaltung, selbst zerstören würde. Solche Uran-Gun-Anordnun­gen sind heute in modernen Waffenarsenalen nicht mehr zu finden:<ref>Zwischen 1977 und 1990 baute die Apartheidregierung in Südaf­rika 7 Gun-Atombomben auf der Basis von Uran-235 (Anreicherungsan-lage); man scheute den hohen Entwicklungs­aufwand für moderne Implosi­onsbomben. Das Forschungszent­rum Jülich lieferte trotz Embar­gos 1988 an das Apartheidregime HTR-Technologie, welche zur Entwicklung eines Antriebs für Atom-U-Boote, in denen die Bomben sicher verwahrt werden sollten, dienen sollte. Die Bom­ben wurden 1993 demontiert.</ref> Ihr Wirkungsgrad ist mit nur maximal einigen Prozent nämlich verhältnis­mäßig schlecht, sie sind sper­rig (Hiroshima-Bombe: 3,6 Tonnen schwer, 3,2 Meter lang), unflexibel und für In­terkontinentalraketen als Trä­gersysteme eher ungeeignet. Auf der anderen Seite sind Gun-Anordnungen hoch zu­verlässig und sehr einfach zu bauen. Auch die Internationale Atomenergie-Agentur (IAEA) rechnet damit, dass größere Terrorgruppen in der Lage sind, einen nuklearen Spreng­satz auf Basis von Gun-Anordnungen zu konstruieren, wenn sie in den Besitz ausrei­chender Mengen an geeigne­tem Spaltstoff gelangen.</ ref name="eins"> Bomben einer Stärke von ma­ximal dem Doppelten bis 2,5-fachen der Hiroshima-Bombe sind so denkbar. Aus diesem Grund bemühen sich die Atommächte USA und Russ­land seit Jahrzehnten intensiv, das früher weltweit gelieferte hochangereicherte U-235 (HEU) zurückzuholen.  
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http://dels.nas.edu/resources/static-assets/nrsb/miscellaneous/Adelfang-Presentation_Moscow_June_2011_Ali.pdf</ref>'') wurde in Hiroshima einge­setzt; hier liegt das Durchlaufen der Kritikalitätsphase 1 bis 2,5 im Bereich von Millise­kunden – ein relativ langer Zeitraum, in welcher sich ein Plutoniumsprengsatz durch eine schwache nukleare Ex­plosion, initiiert durch Spon­tanspaltung, selbst zerstören würde. Solche Uran-Gun-Anordnun­gen sind heute in modernen Waffenarsenalen nicht mehr zu finden:<ref>Zwischen 1977 und 1990 baute die Apartheidregierung in Südaf­rika 7 Gun-Atombomben auf der Basis von Uran-235 (Anreicherungsan-lage); man scheute den hohen Entwicklungs­aufwand für moderne Implosi­onsbomben. Das Forschungszent­rum Jülich lieferte trotz Embar­gos 1988 an das Apartheidregime HTR-Technologie, welche zur Entwicklung eines Antriebs für Atom-U-Boote, in denen die Bomben sicher verwahrt werden sollten, dienen sollte. Die Bom­ben wurden 1993 demontiert.</ref> Ihr Wirkungsgrad ist mit nur maximal einigen Prozent nämlich verhältnis­mäßig schlecht, sie sind sper­rig (Hiroshima-Bombe: 3,6 Tonnen schwer, 3,2 Meter lang), unflexibel und für In­terkontinentalraketen als Trä­gersysteme eher ungeeignet. Auf der anderen Seite sind Gun-Anordnungen hoch zu­verlässig und sehr einfach zu bauen. Auch die Internationale Atomenergie-Agentur (IAEA) rechnet damit, dass größere Terrorgruppen in der Lage sind, einen nuklearen Spreng­satz auf Basis von Gun-Anordnungen zu konstruieren, wenn sie in den Besitz ausrei­chender Mengen an geeigne­tem Spaltstoff gelangen.</ ref name="eins"> Bomben einer Stärke von ma­ximal dem Doppelten bis 2,5-fachen der Hiroshima-Bombe sind so denkbar. Aus diesem Grund bemühen sich die Atommächte USA und Russ­land seit Jahrzehnten intensiv, das früher weltweit gelieferte hochangereicherte U-235 (''HEU'') zurückzuholen.  
  
Ein Nachteil von U-233 in der Waffentechnik liegt darin, dass es – wenn es ausschließ­lich unter dem Gesichtspunkt der Energieerzeugung produ­ziert wird – mit maximal 250 ppm6 an U-232 (Halbwertszeit 70 Jahre) kontaminiert ist.[2] Das beeinträchtigt die Explo­sionsfähigkeit zwar nicht, aber die Uran-232-Zerfallsreihe geht in die eingangs erwähnte Tho­rium-Zerfallsreihe mit dem hart strahlenden Tl-208 über: Eine stark strahlende Bombe ist natürlich – aus Handha­bungsgründen und weil die Strahlung die Bombenelektro­nik stört – im militärischen Umfeld unerwünscht: In den USA gilt eine Grenze von 50 ppm U-232, ab der U-233 als nicht mehr waffentauglich gilt. Trotzdem resultiert aus U-232 keine wirkliche Entlas­tung der Proliferationsprob­lematik beim U-233: Zum ei­nen benötigen simple Gun-Anordnungen keinerlei Elekt­ronik; weiterhin dürften Strah­lenschutzgesichtspunkte beim Bombenbau bei Terrororgani­sationen, welche Selbstmord­attentäter einsetzen, kaum eine Rolle spielen. Außerdem ent­steht der harte Strahler Tl-208 erst am Ende der Zerfallsreihe von U-232: Frisch hergestell­tes oder gereinigtes U-233/U-232 strahlt daher für einige Wochen nur wenig und ist leichter handhabbar.[2] Zum anderen lässt sich die Bildung von Uran-232 weitgehend un­terdrücken, wenn man beim Erbrüten von U-233 Neutro­nen mit Energien größer 0,5 MeV ausblendet (zum Bei­spiel indem man Thorium im Reaktor hinter einer moderie­renden Schicht anordnet) und Thorium aus Erzen verwendet, die möglichst wenig Uran enthalten. Eine besonders ele­gante Möglichkeit zur Gewin­nung von hochreinem U-233 stellen angedachte Flüssig­salzreaktoren mit integrierter Wiederaufarbeitung dar: Beim Erbrüten von U-233 aus Tho­rium entsteht nämlich als Zwischenprodukt Protactini­um (Pa-233) mit einer Halb­wertszeit von circa 1 Monat. Isoliert man – wie in Flüssig­salzreaktoren beabsichtigt – dieses Zwischenprodukt und lässt es außerhalb des Reak­tors zerfallen, erhält man ein optimal für Kernwaffen ge­eignetes U-233.
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Ein Nachteil von U-233 in der Waffentechnik liegt darin, dass es – wenn es ausschließ­lich unter dem Gesichtspunkt der Energieerzeugung produ­ziert wird – mit maximal 250 ppm<ref>ppm = parts per million = 10<sup>-6</sup></sup> an U-232 (''Halbwertszeit 70 Jahre'') kontaminiert ist.<ref name="zwei">Jungmin Kang, Frank N. v. Hippel: U-232 and the Prolifera­tion-Resistance of U-233 in Spent Fuel, Science & Global Security, 2001, Volume 9 pp 1-32, http://fissilematerials.org/library/sgs09kang.pdf</ref> Das beeinträchtigt die Explo­sionsfähigkeit zwar nicht, aber die Uran-232-Zerfallsreihe geht in die eingangs erwähnte Tho­rium-Zerfallsreihe mit dem hart strahlenden Tl-208 über. Eine stark strahlende Bombe ist natürlich – aus Handha­bungsgründen und weil die Strahlung die Bombenelektro­nik stört – im militärischen Umfeld unerwünscht: In den USA gilt eine Grenze von 50 ppm U-232, ab der U-233 als nicht mehr waffentauglich gilt. Trotzdem resultiert aus U-232 keine wirkliche Entlas­tung der Proliferationsprob­lematik beim U-233: Zum ei­nen benötigen simple Gun-Anordnungen keinerlei Elekt­ronik; weiterhin dürften Strah­lenschutzgesichtspunkte beim Bombenbau bei Terrororgani­sationen, welche Selbstmord­attentäter einsetzen, kaum eine Rolle spielen. Außerdem ent­steht der harte Strahler Tl-208 erst am Ende der Zerfallsreihe von U-232. Frisch hergestell­tes oder gereinigtes U-233/U-232 strahlt daher für einige Wochen nur wenig und ist leichter handhabbar.</ ref name=zwei"> Zum anderen lässt sich die Bildung von Uran-232 weitgehend un­terdrücken, wenn man beim Erbrüten von U-233 Neutro­nen mit Energien größer 0,5 MeV ausblendet<ref>Zum Bei­spiel indem man Thorium im Reaktor hinter einer moderie­renden Schicht anordnet</ref> und Thorium aus Erzen verwendet, die möglichst wenig Uran enthalten. Eine besonders ele­gante Möglichkeit zur Gewin­nung von hochreinem U-233 stellen angedachte Flüssig­salzreaktoren mit integrierter Wiederaufarbeitung dar: Beim Erbrüten von U-233 aus Tho­rium entsteht nämlich als Zwischenprodukt Protactini­um (''Pa-233'') mit einer Halb­wertszeit von circa 1 Monat. Isoliert man – wie in Flüssig­salzreaktoren beabsichtigt – dieses Zwischenprodukt und lässt es außerhalb des Reak­tors zerfallen, erhält man ein optimal für Atomwaffen ge­ignetes U-233.
  
Ein Vorteil von U-233 gegen­über Pu-239 hinsichtlich mili­tärischer Anwendung liegt da­rin, dass es viel weniger dazu neigt, bei Neutronenbestrah­lung während der Herstellung im Reaktor in unerwünschte, die Explosionsfähigkeit beein­trächtigende Nuklide überzu­gehen. U-233 lässt sich (wie U-235) durch Zumischen von U-238 relativ leicht waffenun­tauglich machen: Mischt man dem Thorium bereits bei der Zugabe in den Reaktor abge­reichertes Uran zu, erhält man bei der Entnahme ein kaum noch waffenfähiges Nuklid­gemisch. In Flüssigsalzreakto­ren mit integrierter Wieder­aufarbeitung ist das allein al­lerdings nicht ausreichend wirksam, hier muss zusätzlich auf die Abtrennung von Prot­actinium-233 (Pa-233) verzich­tet werden.[9]
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Ein Vorteil von U-233 gegen­über Pu-239 hinsichtlich mili­tärischer Anwendung liegt da­rin, dass es viel weniger dazu neigt, bei Neutronenbestrah­lung während der Herstellung im Reaktor in unerwünschte, die Explosionsfähigkeit beein­trächtigende Nuklide überzu­gehen. U-233 lässt sich (''wie U-235'') durch Zumischen von U-238 relativ leicht waffenuntauglich machen: Mischt man dem Thorium bereits bei der Zugabe in den Reaktor abge­reichertes Uran zu, erhält man bei der Entnahme ein kaum noch waffenfähiges Nuklidgemisch. In Flüssigsalzreakto­ren mit integrierter Wieder­aufarbeitung ist das allein al­lerdings nicht ausreichend wirksam, hier muss zusätzlich auf die Abtrennung von Protactinium-233 (Pa-233) verzich­tet werden.<ref name="neun">Engel, J.R., Bauman, H.F et al.: Conceptual design character­istics of a denatured molten-salt reactor with once-through fueling, Department of Energy's (DOE) 1980, https://dx.doi.org/10.2172/5352526</ref>
  
 
Als Fazit ist festzuhalten, dass Thoriumnutzung gravierende Proliferationsgefahren mit sich bringt. Diese liegen allerdings weniger darin, dass es für hochentwickelte Staaten damit leichter würde, in den Besitz von High-Tech-Atomwaffen zu gelangen, als vielmehr da­rin, dass die Hürde zum Bau einfacher, aber hochwirksa­mer nuklearer Sprengsätze für Terrororganisationen oder in­stabile Staaten enorm gesenkt wird.
 
Als Fazit ist festzuhalten, dass Thoriumnutzung gravierende Proliferationsgefahren mit sich bringt. Diese liegen allerdings weniger darin, dass es für hochentwickelte Staaten damit leichter würde, in den Besitz von High-Tech-Atomwaffen zu gelangen, als vielmehr da­rin, dass die Hürde zum Bau einfacher, aber hochwirksa­mer nuklearer Sprengsätze für Terrororganisationen oder in­stabile Staaten enorm gesenkt wird.
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Als gravierendes Sicherheits­manko der Thoriumnutzung ist auch die eingangs schon erwähnte Notwendigkeit zum Einstieg in Brüter- und Wie­deraufarbeitungstechnologie anzusehen.
 
Als gravierendes Sicherheits­manko der Thoriumnutzung ist auch die eingangs schon erwähnte Notwendigkeit zum Einstieg in Brüter- und Wie­deraufarbeitungstechnologie anzusehen.
Thorium wird häufig in Ver­bindung mit sogenannten fort­geschrittenen Reaktoren (Ge­neration IV) beworben. Die dabei dem Thorium zuge­schriebenen vorteilhaften Si­cherheitseigenschaften sind in der Regel nicht Thorium-spezifisch, sondern eine Ei­genschaft des Reaktorkonzep­tes. Ob diese fortgeschrittenen Reaktorkonzepte in einer Ge­samtsicht wirklich einen Si­cherheitsgewinn bringen, soll in einem späteren Artikel se­parat untersucht werden.  
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Thorium wird häufig in Ver­bindung mit sogenannten fort­geschrittenen Reaktoren (Ge­neration IV) beworben. Die dabei dem Thorium zuge­schriebenen vorteilhaften Sicherheitseigenschaften sind in der Regel nicht Thorium-spezifisch, sondern eine Ei­genschaft des Reaktorkonzep­tes. Ob diese fortgeschrittenen Reaktorkonzepte in einer Gesamtsicht wirklich einen Si­cherheitsgewinn bringen, soll in einem späteren Artikel se­parat untersucht werden.  
  
 
=== Behauptung 5: Thoriumnutzung bringt kaum Entsorgungsprobleme mit sich ===
 
=== Behauptung 5: Thoriumnutzung bringt kaum Entsorgungsprobleme mit sich ===
Thoriumnutzung erzeugt prak­tisch die gleichen Spaltpro­dukte wie klassische Urannut­zung. Das gilt auch für die bei der Langzeitendlagerung wich­tigen langlebigen Spaltpro­dukte, die in einem früheren Artikel behandelt wurden.[5] Diese mobilen Spaltprodukte bestimmen das Risiko eines Endlagers, wenn Wasserein­bruch als dominierender Stör­fall angesetzt wird. Damit er­geben sich also keine Verbes­serungen bezüglich Entsor­gung. Die Argumente der Tho­riumbefürworter zielen darauf ab, dass bei Thoriumnutzung keine Minoren Aktinoide (MA)[5] und kein Plutonium entstehen. Sie argumentieren, diese Nuklide seien hochto­xisch (was hinsichtlich Inkor­poration korrekt ist) und ver­gleichen nur die reine Toxizi­tät durch Inkorporation für Thorium- und Urannutzung, ohne zu berücksichtigen, dass die Aktinoide im Endlager kaum beweglich sind. Auch entstehen bei Thoriumnutzung zwar keine MA, aber andere langlebige Aktinoide, vor al­lem Protactinium-231 (Pa-231; Halbwertszeit 33.000 Jahre), mit ähnlichen Eigenschaften wie MA. Doch ist bei Thori­umnutzung von Vorteil, dass die Menge der entstehenden langlebigen Aktinoide um et­wa einen Faktor 5 kleiner ist als die der MA bei Urannut­zung. Andererseits: U-233 im Abfall ist keineswegs unprob­lematisch: Zu seiner dem Plu­tonium vergleichbaren Toxizi­tät und seiner langen Halb­wertszeit (160.000 Jahre) kommt erschwerend hinzu, dass sein Zerfallsprodukt Th-229 (Halbwertszeit 8.000 Jah­re) ein recht starker Gamma­strahler (neben Alphastrah­lung) ist. Die maximale Kon­zentration an Th-229 im End­lager würde erst nach etwa 100.000 Jahren erreicht.  
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Thoriumnutzung erzeugt prak­tisch die gleichen Spaltpro­dukte wie klassische Urannut­zung. Das gilt auch für die bei der Langzeitendlagerung wich­tigen langlebigen Spaltpro­dukte, die in einem früheren Artikel behandelt wurden.[5] Diese mobilen Spaltprodukte bestimmen das Risiko eines Endlagers, wenn Wasserein­bruch als dominierender Stör­fall angesetzt wird. Damit er­geben sich also keine Verbes­serungen bezüglich Entsor­gung. Die Argumente der Tho­riumbefürworter zielen darauf ab, dass bei Thoriumnutzung keine Minoren Aktinoide (MA)[5] und kein Plutonium entstehen. Sie argumentieren, diese Nuklide seien hochto­xisch (was hinsichtlich Inkor­poration korrekt ist) und ver­gleichen nur die reine Toxizi­tät durch Inkorporation für Thorium- und Urannutzung, ohne zu berücksichtigen, dass die Aktinoide im Endlager kaum beweglich sind. Auch entstehen bei Thoriumnutzung zwar keine MA, aber andere langlebige Aktinoide, vor al­lem Protactinium-231 (Pa-231; Halbwertszeit 33.000 Jahre), mit ähnlichen Eigenschaften wie MA. Doch ist bei Thori­umnutzung von Vorteil, dass die Menge der entstehenden langlebigen Aktinoide um et­wa einen Faktor 5 kleiner ist als die der MA bei Urannut­zung. Andererseits: U-233 im Abfall ist keineswegs unproblematisch: Zu seiner dem Plu­tonium vergleichbaren Toxizi­tät und seiner langen Halb­wertszeit (160.000 Jahre) kommt erschwerend hinzu, dass sein Zerfallsprodukt Th-229 (Halbwertszeit 8.000 Jah­re) ein recht starker Gamma­strahler (neben Alphastrah­lung) ist. Die maximale Kon­zentration an Th-229 im End­lager würde erst nach etwa 100.000 Jahren erreicht.  
  
 
Insgesamt betrachtet könnte sich im Aktinoidenbereich ein begrenzter Entsorgungsvorteil für die Thoriumnutzung erge­ben, aber nicht hinsichtlich der sicherheitsdominierenden langlebigen Spaltprodukte. Von daher ist das Argument, Tho­riumnutzung erleichtere die Entsorgung deutlich, nicht nachvollziehbar. Ein geologi­sches Endlager wird weiter benötigt.
 
Insgesamt betrachtet könnte sich im Aktinoidenbereich ein begrenzter Entsorgungsvorteil für die Thoriumnutzung erge­ben, aber nicht hinsichtlich der sicherheitsdominierenden langlebigen Spaltprodukte. Von daher ist das Argument, Tho­riumnutzung erleichtere die Entsorgung deutlich, nicht nachvollziehbar. Ein geologi­sches Endlager wird weiter benötigt.
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Die von den Thoriumbefür­wortern benannten Argumente für einen Umstieg vom Uran auf Thorium erweisen sich bei detaillierter Betrachtung als nicht ausreichend stichhaltig: Eine auf Thorium basierende Kerntechnik würde keines der bekannten Probleme der aktu­ellen Kerntechnik lösen kön­nen, aber erforderte einen enor­men Entwicklungsaufwand und erzwänge den Einstieg in Brü­ter- und Wiederaufarbeitungs­technologie. Von daher er­weist sich die Thoriumtechno­logie als Sackgasse.
 
Die von den Thoriumbefür­wortern benannten Argumente für einen Umstieg vom Uran auf Thorium erweisen sich bei detaillierter Betrachtung als nicht ausreichend stichhaltig: Eine auf Thorium basierende Kerntechnik würde keines der bekannten Probleme der aktu­ellen Kerntechnik lösen kön­nen, aber erforderte einen enor­men Entwicklungsaufwand und erzwänge den Einstieg in Brü­ter- und Wiederaufarbeitungs­technologie. Von daher er­weist sich die Thoriumtechno­logie als Sackgasse.
  
Schwerwiegend an der Thori­umnutzung erscheint mir der Proliferationsaspekt: Hier kommt es zu einer gravierenden Ver­schlechterung der aktuellen Situation, da die Hürden zum Bau wirksamer nuklearer Spreng­sätze etwa durch Terrororgani­sationen ganz erheblich ge­senkt werden. Diesem Aspekt muss besondere Aufmerksam­keit gewidmet werden. Zwar ist zu hoffen, dass IAEA, USA und Russland, deren jahrzehntelange Bemühungen um HEU-Rücknahme durch die Thoriumtechnologie ja kon­terkariert würden, deren un­kontrollierter Ausbreitung Wi­derstand entgegensetzen wür­den; andererseits ist der aktu­elle Thoriumhype teilweise durch einen von Halbwissen getragenen Fanatismus ge­prägt, was in einem populisti­schen Gesamtumfeld zu un­kalkulierbaren Entwicklungen führen kann. Mir scheint es daher wichtig, dass Umwelt- und Friedensbewegung ge­meinsam darauf drängen, dass eine Thoriumtechnologie ohne ausreichende Proliferationssi­cherheit international ähnlich geächtet wird, wie aktuell schon die HEU-Verwendung. Als Minimalforderung bedeu­tet das, dass es keine Thori­umtechnologie ohne U-233-Denaturierung mit U-238 und ohne Verzicht auf Online-Wiederaufarbeitung in Flüs­sigsalzreaktoren geben darf.
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Schwerwiegend an der Thori­umnutzung erscheint mir der Proliferationsaspekt: Hier kommt es zu einer gravierenden Ver­schlechterung der aktuellen Situation, da die Hürden zum Bau wirksamer nuklearer Spreng­sätze etwa durch Terrororgani­sationen ganz erheblich ge­senkt werden. Diesem Aspekt muss besondere Aufmerksam­keit gewidmet werden. Zwar ist zu hoffen, dass IAEA, USA und Russland, deren jahrzehntelange Bemühungen um HEU-Rücknahme durch die Thoriumtechnologie ja kon­terkariert würden, deren un­kontrollierter Ausbreitung Widerstand entgegensetzen wür­den; andererseits ist der aktu­elle Thoriumhype teilweise durch einen von Halbwissen getragenen Fanatismus ge­prägt, was in einem populisti­schen Gesamtumfeld zu un­kalkulierbaren Entwicklungen führen kann. Mir scheint es daher wichtig, dass Umwelt- und Friedensbewegung ge­meinsam darauf drängen, dass eine Thoriumtechnologie ohne ausreichende Proliferationssi­cherheit international ähnlich geächtet wird, wie aktuell schon die HEU-Verwendung. Als Minimalforderung bedeu­tet das, dass es keine Thori­umtechnologie ohne U-233-Denaturierung mit U-238 und ohne Verzicht auf Online-Wiederaufarbeitung in Flüs­sigsalzreaktoren geben darf.
  
 
=== Anhang: Umfang der in­ternationalen Bemühun­gen um die Thoriumtech­nologie ===
 
=== Anhang: Umfang der in­ternationalen Bemühun­gen um die Thoriumtech­nologie ===
 
Zwischen der lautstarken Pro­paganda der Thoriumbefür­worter und den realen Aktivi­täten zur Entwicklung einer Thoriumtechnologie besteht noch ein großes Missverhält­nis – zumindest in den westli­chen Industrieländern: Getra­gen werden die aktuellen Ar­beiten zum Thorium großen­teils von kleineren Start-up-Firmen. Die großen Unterneh­men verhalten sich weiterhin passiv und die staatliche För­derung für die Thoriumtech­nologie bleibt gering. Eine vollständige Entwicklung von Thoriumtechnologie würde In­vestitionen von mehreren Mil­liarden Euro erfordern, hinge­gen summiert sich die aktuelle EU-Förderung auf einen unte­ren einstelligen Millionenbe­trag pro Jahr. Das zusammen darf als Zeichen von Skepsis gegenüber der Thoriumtech­nologie gewertet werden. Sol­che Skepsis wurde genährt durch umfängliche Studien, etwa der Regierungen von Großbritannien und Norwe­gen, die im Tenor eher pessi­mistisch hinsichtlich Thorium ausfielen.[8,10] Von daher er­scheint es mir noch aussichts­reich, durch Aufklärung den Fehl­entwicklungen eines Einstiegs in Thoriumtechnologie entge­genzuwirken. Als verhalten positives Zeichen ist zu nen­nen, dass die kanadische Fir­ma Terrestrial Energy, die Flüssigsalzreaktoren entwick­elt, 2013 aus Gründen der Proliferationssicherheit aus Thoriumtechnologie und On­line-Wiederaufarbeitung aus­stieg und seitdem einen auf klassischer Uranverwendung aufbauenden Flüssigsalzreak­tor (IMSR) bearbeitet.
 
Zwischen der lautstarken Pro­paganda der Thoriumbefür­worter und den realen Aktivi­täten zur Entwicklung einer Thoriumtechnologie besteht noch ein großes Missverhält­nis – zumindest in den westli­chen Industrieländern: Getra­gen werden die aktuellen Ar­beiten zum Thorium großen­teils von kleineren Start-up-Firmen. Die großen Unterneh­men verhalten sich weiterhin passiv und die staatliche För­derung für die Thoriumtech­nologie bleibt gering. Eine vollständige Entwicklung von Thoriumtechnologie würde In­vestitionen von mehreren Mil­liarden Euro erfordern, hinge­gen summiert sich die aktuelle EU-Förderung auf einen unte­ren einstelligen Millionenbe­trag pro Jahr. Das zusammen darf als Zeichen von Skepsis gegenüber der Thoriumtech­nologie gewertet werden. Sol­che Skepsis wurde genährt durch umfängliche Studien, etwa der Regierungen von Großbritannien und Norwe­gen, die im Tenor eher pessi­mistisch hinsichtlich Thorium ausfielen.[8,10] Von daher er­scheint es mir noch aussichts­reich, durch Aufklärung den Fehl­entwicklungen eines Einstiegs in Thoriumtechnologie entge­genzuwirken. Als verhalten positives Zeichen ist zu nen­nen, dass die kanadische Fir­ma Terrestrial Energy, die Flüssigsalzreaktoren entwick­elt, 2013 aus Gründen der Proliferationssicherheit aus Thoriumtechnologie und On­line-Wiederaufarbeitung aus­stieg und seitdem einen auf klassischer Uranverwendung aufbauenden Flüssigsalzreak­tor (IMSR) bearbeitet.
  
In Deutschland wird noch/ wieder zur Thoriumtechnolo­gie gearbeitet: Das For­schungszentrum Jülich ist auf den Thoriumhype aufgesprun­gen, indem es seine früheren Erfahrungen zu thoriumhalti­gen Kernbrennstoffen aufge­arbeitet hat,[7] und in Karls­ruhe beteiligen sich Joint Re­search Centre der EU-Kom­mission (JRC) und Karlsruher Institut für Technologie (KIT) an der von der EU geförderten Planung eines schnellen Flüs­sigsalzreaktors (MSFR) mit Thoriumnutzung. Aus dem MSFR müssten pro Jahr 150 Kilogramm überschüssiges U-233 ausgeschleust werden, was ohne Denaturierung zum Bau einiger nuklearer Sprengsätze ausreichen würde. In Freiburg und in Karlsruhe haben sich bereits Initiativen dagegen zu­sammengefunden, die Unter­stützung verdienen.
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In Deutschland wird noch/ wieder zur Thoriumtechnolo­gie gearbeitet: Das For­schungszentrum Jülich ist auf den Thoriumhype aufgesprun­gen, indem es seine früheren Erfahrungen zu thoriumhalti­gen Kernbrennstoffen aufge­arbeitet hat,[7] und in Karls­ruhe beteiligen sich Joint Re­search Centre der EU-Kom­mission (JRC) und Karlsruher Institut für Technologie (KIT) an der von der EU geförderten Planung eines schnellen Flüs­sigsalzreaktors (MSFR) mit Thoriumnutzung. Aus dem MSFR müssten pro Jahr 150 Kilogramm überschüssiges U-233 ausgeschleust werden, was ohne Denaturierung zum Bau einiger nuklearer Sprengsätze ausreichen würde. In Freiburg und in Karlsruhe haben sich bereits Initiativen dagegen zusammengefunden, die Unter­stützung verdienen.
  
 
''Dr. Rainer Moormann''
 
''Dr. Rainer Moormann''
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''Dieser Artikel wurde erstveröffentlicht im Strahlentelex Nr. 746-747 / 02.2018.''
 
''Dieser Artikel wurde erstveröffentlicht im Strahlentelex Nr. 746-747 / 02.2018.''
  
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<ref>Jungmin Kang, Frank N. v. Hippel: U-232 and the Prolifera­tion-Resistance of U-233 in Spent Fuel, Science & Global Security, 2001, Volume 9 pp 1-32,
 
http://fissilematerials.org/library/sgs09kang.pdf</ref>
 
  
 
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<ref>Stephen F. Ashley: Thorium fuel has risks, Nature 31, Vol. 492, 6 Dec. 2012,  
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<ref>Stephen F. Ashley: Thorium fuel has risks, Nature 31, Vol. 492, 6 Dec. 2012, https://www.researchgate.net/publication/233880587_Nuclear_energy_Thorium_fuel_has_risks</ref>
https://www.researchgate.net/publication/233880587_Nuclear_energy_Thorium_fuel_has_risks</ref>
 
  
 
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<ref>IAEA: Average number of neutrons emitted per fission, 2008, https://www-nds.iaea.org/sgnucdat/a6.htm</ref>
 
<ref>IAEA: Average number of neutrons emitted per fission, 2008, https://www-nds.iaea.org/sgnucdat/a6.htm</ref>
  
[5] Rainer Moormann: Transmu­tation, ein Weg aus der Atom­müllfalle? Strahlentelex 744-745 v. 4.1.2018, S. 5-7,  
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[5] Rainer Moormann: Transmu­tation, ein Weg aus der Atom­müllfalle? Strahlentelex 744-745 v. 4.1.2018, S. 5-7, http://www.strahlentelex.de/Stx_18_744-745_S05-07.pdf  
http://www.strahlentelex.de/Stx_18_744-745_S05-07.pdf  
 
  
 
[7] H.-J. Allelein et al.: Thorium fuel performance assessment in HTRs, Nuclear Engineering and Design, Vol. 271, May 2014, P. 166-170, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0029549313006110  
 
[7] H.-J. Allelein et al.: Thorium fuel performance assessment in HTRs, Nuclear Engineering and Design, Vol. 271, May 2014, P. 166-170, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0029549313006110  
[8] Reinhard Wolff: Thorium ist auch keine Lösung, Absage von Norwegens Strahlenschutzbehör­de, taz, 5. 1. 2009,  
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[8] Reinhard Wolff: Thorium ist auch keine Lösung, Absage von Norwegens Strahlenschutzbehör­de, taz, 5. 1. 2009, https://www.taz.de/!5170129/  
https://www.taz.de/!5170129/  
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[9] Engel, J.R., Bauman, H.F et al.: Conceptual design character­istics of a denatured molten-salt reactor with once-through fueling, Department of Energy's (DOE) 1980,
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[10] The Thorium Fuel Cycle, An independent assessment by the UK National Nuclear Laboratory, Position Paper, National Nuclear Laboratory, Aug. 2010, https://web.archive.org/web/20130126205622/http://www.nnl.co.uk/media/8241/nnl__1314092891_thorium_cycle_position_paper.pdf  
https://dx.doi.org/10.2172/5352526
 
[10] The Thorium Fuel Cycle, An independent assessment by the UK National Nuclear Laboratory, Position Paper, National Nuclear Laboratory, Aug. 2010,  
 
https://web.archive.org/web/20130126205622/http://www.nnl.co.uk/media/8241/nnl__1314092891_thorium_cycle_position_paper.pdf  
 
  
  

Version vom 13:26, 10. Mai 2020

Thorium - Brennstoff für eine bessere Kerntechnik?

Thorium wird aktuell von manchen Atomkraftbefür­worter*innen als bessere Alternative zum Uranbrennstoff bezeichnet. Thorium selbst ist aber kein Spaltstoff, sondern kann nur über Brüter- und Wiederaufarbei­tungtechnologie in spaltbares Uran-233 umgewandelt werden. Es kommt 3- bis 4-mal häufiger vor als Uran. Bezüglich Sicherheit und Entsorgung sind keine durchgreifenden Vorteile gegenüber dem klassischen Uranbrennstoff erkennbar. Ein schwerwiegender Nachteil liegt darin, dass aus Thorium erbrütetes Uran-233 zum Bau von einfachen aber hochwirksa­men Nuklearsprengsätzen zum Beispiel durch Terror­organisationen taugt. Die aktuell noch vielfach ange­strebte Thoriumverwendung ohne wirksame Denaturierung des erbrüteten Spaltstoffs erscheint daher unverantwortlich.

Einleitung

Thorium (Th) ist ein Schwer­metall der Ordnungszahl 90 (Uran: 92). Es zählt zu den Aktinoiden, kommt etwa 3- bis 4-mal häufiger vor als Uran und ist radioaktiv[1]. Technische An­wendungen hat es bisher kaum gefunden. Eine Besonderheit ist die sehr harte (durchdrin­gende) Gammastrahlung aus seiner Zerfallsreihe[2]. Thorium wird seit cir­ca 10 Jahren von einer welt­weit aktiven Gruppe von Atom­kraftbefürworter*innen als Brenn­stoff für eine sichere und kostengünstige AKW[3]-Technik oh­ne größere Entsorgungs- und Proliferationsprobleme emp­fohlen. Dieser Anspruch soll hier einem wissenschaftlichen Faktencheck unterworfen wer­den. Dazu werden die Be­hauptungen der Thoriumbe­fürworter*innen sukzessive geprüft.

Behauptung 1: Mit Thoriumnutzung lassen sich die nuklearen Brenn­stoffreserven um den Faktor 400 strecken

Thorium selbst ist kein Spalt­stoff. Es kann in Brüterreakto­ren[4] aber in spaltbares Uran-233 (U-233) umgewandelt werden, ähnlich wie das nicht spaltbare U-238[5] in einem Brü­terreaktor in spaltbares Pluto­nium umgewandelt werden kann. Thoriumnutzung setzt al­so Brüter- und Wiederaufarbeitungstechnologie voraus. Da letztere aus verschiedenen Gründen fast weltweit in Ver­ruf geraten sind, könnte es sein, dass der noch unver­brauchte Begriff Thorium hier genutzt wird, um einen beab­sichtigten Wiedereinstieg in diese problematischen Tech­nologien zu verschleiern.

Nun zum Faktor 400: Dieser vergleicht Urannutzung in klassischen Leichtwasserreak­toren (LWR) mit Thoriumein­satz in Brüterreaktoren. Ein Faktor von circa 100 geht da­bei auf die Brüterverwendung zurück, und wäre im weiter entwickelten Uran/Plutonium-Kreislauf ebenfalls zu errei­chen; nur ein Faktor von 3 bis 4 ist spezifisch für Thorium, weil es eben um diesen Faktor häufiger vorkommt als Uran.

Behauptung 2: Thorium kam bei der Atomenergieentwicklung nicht zum Zuge, weil es nicht zur militärischen Nutzung taugt

Die ersten Anfänge der Kern­technik in den USA (1944 bis Anfang der 1950er Jahre) sind durch eine Situation gekenn­zeichnet, in welcher die An­reicherungstechnologie noch sehr unterentwickelt war. Bes­ser entwickelt waren demge­genüber graphitmoderierte Re­aktoren, die Natururan ver­wenden konnten und Plutoni­um erbrüteten. Zur Thorium­nutzung[6] wäre als Spaltstoff zwingend angerei­chertes Uran oder eventuell Plutonium erforderlich gewe­sen. Beide Wege der Thoriumnutzung wurden anfänglich nicht gewählt, da sie die ins­gesamt noch geringe Gesamt­kapazität der militärischen Spaltstofferzeugung zwangs­läufig gedrosselt hätten.[7]

Erst als die US-Anreicherungsanla­gen Anfang der 1950er Jahre hinreichende Mengen an an­gereichertem Uran lieferten, begann der militärische und später auch zivile Einstieg in die Thoriumtechnologie: 1955 wurde eine überwiegend auf U-233 aus Thorium basieren­de Bombe gezündet und es wurde eine strategische U-233-Reserve von gut 2 Ton­nen angelegt. Der große Vor­sprung der Plutoniumbombe war zu diesem Zeitpunkt aber nicht mehr einzuholen, und Plutonium blieb weltweit der führende militärische Spalt­stoff[8]: Zum Ab­schluss der militärischen Un­tersuchungen zur Thoriumnut­zung wurde aus Sicht der US-Kernwaffennutzung dokumen­tiert, dass U-233 zwar ein hochpotentes Kernwaffenma­terial sei, aber kaum Vorteile gegenüber dem etablierten Plutonium böte.[9] Da die LEU-Leichtwasserreakroren[10] schon zu weit entwickelt wa­ren, blieb auch in der zivilen Kerntechnik der Thoriumein­satz eine Nischenanwendung: Etwa im kurz betriebenen deutschen „Thoriumreaktor“ THTR-300 in Hamm, der aber de facto ein Uranreaktor war[11], da der auf Thorium zurückgehende Anteil an der Energieerzeu­gung 25 Prozent nicht über­stieg.

Behauptung 3: Thoriumverwendung birgt kaum Proliferationsgefahren

Die Problematik der Prolifera­tion bei Th-/U-233 bedarf einer differenzierten Analyse, pau­schale Antwortversuche füh­ren in die Irre. Daher sei zu­erst die Waffentauglichkeit von U-233 untersucht. Als Kriterien für eine gute Waf­fentauglichkeit gelten eine niedrige kritische Masse so­wie eine niedrige Spontan­spaltungsrate. Die kritische Masse von U-233 beträgt nur 40 Prozent derjenigen von U-235, bei Plutonium-239 (Pu-239) ist die kritische Masse circa 15 Prozent kleiner als beim U-233. Für einen einfach zu bauenden nuklearen Spreng­satz werden etwa 20 bis 25 Ki­logramm U-233 benötigt. Die Spontanspaltungsrate ist wich­tig, weil die durch Spon­tanspaltung erzeugten Neutro­nen als Starter der Kettenreak­tion wirken; zur effizienten nuklearen Explosion muss der Spaltstoff aber mindestens ei­ne Kritikalität[12] von circa 2,5 haben. Kommt es bereits wäh­rend der konventionellen Bombenzündung in der Kriti­kalitätsphase zwischen 1 und 2,5 zu einer merklichen Ket­tenreaktion aufgrund von Spon­tanspaltungen, könnte das zu unerwünschten schwachen nuk­learen Explosionen führen, wel­che die Überkritikalität been­den, bevor ein nennenswerter Anteil des Spaltstoffs reagiert hat. Das hängt wesentlich auch davon ab, wie schnell die Kritikalitätsphase von 1 bis 2,5 durchschritten wird. Waffenplutonium (überwiegend Pu-239) und vor allem Reak­torplutonium haben – anders als die genannten Uranspalt­stoffe – eine vergleichsweise hohe Spontanspaltungsrate, was ihre Verwendung in einfach zu bauenden Bomben aus­schließt.

Konkret kann Pluto­nium in einer Gun-Bombe nicht zur Explosion gebracht werden, wohl aber die beiden Urannuklide; Plutonium benö­tigt die viel komplexere Im­plosionsbombe, auf die hier nicht eingegangen werden soll. Eine Gun-Bombe (Kanonen­rohranordnung, in der ein Spalt­stoffprojektil auf einen Spalt­stoffblock geeigneter Form geschossen wird, sodass sie zusammen eine hoch überkri­tische Anordnung ergeben, s. Abbildung auf Folie 7 in (Adelfang 2011)[13]) wurde in Hiroshima einge­setzt; hier liegt das Durchlaufen der Kritikalitätsphase 1 bis 2,5 im Bereich von Millise­kunden – ein relativ langer Zeitraum, in welcher sich ein Plutoniumsprengsatz durch eine schwache nukleare Ex­plosion, initiiert durch Spon­tanspaltung, selbst zerstören würde. Solche Uran-Gun-Anordnun­gen sind heute in modernen Waffenarsenalen nicht mehr zu finden:[14] Ihr Wirkungsgrad ist mit nur maximal einigen Prozent nämlich verhältnis­mäßig schlecht, sie sind sper­rig (Hiroshima-Bombe: 3,6 Tonnen schwer, 3,2 Meter lang), unflexibel und für In­terkontinentalraketen als Trä­gersysteme eher ungeeignet. Auf der anderen Seite sind Gun-Anordnungen hoch zu­verlässig und sehr einfach zu bauen. Auch die Internationale Atomenergie-Agentur (IAEA) rechnet damit, dass größere Terrorgruppen in der Lage sind, einen nuklearen Spreng­satz auf Basis von Gun-Anordnungen zu konstruieren, wenn sie in den Besitz ausrei­chender Mengen an geeigne­tem Spaltstoff gelangen.</ ref name="eins"> Bomben einer Stärke von ma­ximal dem Doppelten bis 2,5-fachen der Hiroshima-Bombe sind so denkbar. Aus diesem Grund bemühen sich die Atommächte USA und Russ­land seit Jahrzehnten intensiv, das früher weltweit gelieferte hochangereicherte U-235 (HEU) zurückzuholen.

Ein Nachteil von U-233 in der Waffentechnik liegt darin, dass es – wenn es ausschließ­lich unter dem Gesichtspunkt der Energieerzeugung produ­ziert wird – mit maximal 250 ppmReferenzfehler: Für ein <ref>-Tag fehlt ein schließendes </ref>-Tag. Das beeinträchtigt die Explo­sionsfähigkeit zwar nicht, aber die Uran-232-Zerfallsreihe geht in die eingangs erwähnte Tho­rium-Zerfallsreihe mit dem hart strahlenden Tl-208 über. Eine stark strahlende Bombe ist natürlich – aus Handha­bungsgründen und weil die Strahlung die Bombenelektro­nik stört – im militärischen Umfeld unerwünscht: In den USA gilt eine Grenze von 50 ppm U-232, ab der U-233 als nicht mehr waffentauglich gilt. Trotzdem resultiert aus U-232 keine wirkliche Entlas­tung der Proliferationsprob­lematik beim U-233: Zum ei­nen benötigen simple Gun-Anordnungen keinerlei Elekt­ronik; weiterhin dürften Strah­lenschutzgesichtspunkte beim Bombenbau bei Terrororgani­sationen, welche Selbstmord­attentäter einsetzen, kaum eine Rolle spielen. Außerdem ent­steht der harte Strahler Tl-208 erst am Ende der Zerfallsreihe von U-232. Frisch hergestell­tes oder gereinigtes U-233/U-232 strahlt daher für einige Wochen nur wenig und ist leichter handhabbar.</ ref name=zwei"> Zum anderen lässt sich die Bildung von Uran-232 weitgehend un­terdrücken, wenn man beim Erbrüten von U-233 Neutro­nen mit Energien größer 0,5 MeV ausblendet[15] und Thorium aus Erzen verwendet, die möglichst wenig Uran enthalten. Eine besonders ele­gante Möglichkeit zur Gewin­nung von hochreinem U-233 stellen angedachte Flüssig­salzreaktoren mit integrierter Wiederaufarbeitung dar: Beim Erbrüten von U-233 aus Tho­rium entsteht nämlich als Zwischenprodukt Protactini­um (Pa-233) mit einer Halb­wertszeit von circa 1 Monat. Isoliert man – wie in Flüssig­salzreaktoren beabsichtigt – dieses Zwischenprodukt und lässt es außerhalb des Reak­tors zerfallen, erhält man ein optimal für Atomwaffen ge­ignetes U-233.

Ein Vorteil von U-233 gegen­über Pu-239 hinsichtlich mili­tärischer Anwendung liegt da­rin, dass es viel weniger dazu neigt, bei Neutronenbestrah­lung während der Herstellung im Reaktor in unerwünschte, die Explosionsfähigkeit beein­trächtigende Nuklide überzu­gehen. U-233 lässt sich (wie U-235) durch Zumischen von U-238 relativ leicht waffenuntauglich machen: Mischt man dem Thorium bereits bei der Zugabe in den Reaktor abge­reichertes Uran zu, erhält man bei der Entnahme ein kaum noch waffenfähiges Nuklidgemisch. In Flüssigsalzreakto­ren mit integrierter Wieder­aufarbeitung ist das allein al­lerdings nicht ausreichend wirksam, hier muss zusätzlich auf die Abtrennung von Protactinium-233 (Pa-233) verzich­tet werden.[16]

Als Fazit ist festzuhalten, dass Thoriumnutzung gravierende Proliferationsgefahren mit sich bringt. Diese liegen allerdings weniger darin, dass es für hochentwickelte Staaten damit leichter würde, in den Besitz von High-Tech-Atomwaffen zu gelangen, als vielmehr da­rin, dass die Hürde zum Bau einfacher, aber hochwirksa­mer nuklearer Sprengsätze für Terrororganisationen oder in­stabile Staaten enorm gesenkt wird.

Behauptung 4: Thoriumreaktoren sind si­cherer als konventionelle Uranreaktoren

Die Spaltung von U-233 ergibt etwa die gleiche Menge der sicherheitsdominierenden Nuklide (Jod-131, Cäsium-137, Strontium-90) wie die U-235-Spaltung. Auch die Nachzer­fallswärme unterscheidet sich praktisch nicht. Die Unter­schiede bei den gebildeten Aktinoiden (s. nächste Be­hauptung) sind für das Risiko im AKW-Betrieb/Störfall von untergeordneter Bedeutung. Von daher sind keine sicher­heitstechnischen Vorteile für eine Thoriumnutzung zu er­kennen. Von größerer sicher­heitstechnischer Bedeutung ist, dass die U-233-Spaltung um 60 Prozent weniger sogenann­te verzögerte (also nicht bei der Spaltung unmittelbar, son­dern aus kurzlebigen Spaltpro­dukten entstehende) Neutro­nen liefert als die U-235-Spal­tung.[4] Nur aufgrund der Existenz von verzögerten Neu­tronen ist ein AKW überhaupt regelbar und je größer ihr An­teil ist (zum Beispiel 0,6 Pro­zent bei U-235), umso größer ist auch der Kritikalitätsbe­reich, in dem eine Regelbar­keit gegeben ist (man spricht von verzögert überkritisch). Oberhalb dieses Regelbereichs (prompt überkritisch) kommt es zum nuklearen Durchgehen des Reaktors, wie in Cherno­byl geschehen. Das Faktum, dass der verzögert überkriti­sche Bereich bei U-233 deut­lich kleiner ist als bei U-235, muss als wichtiger sicherheits­technischer Nachteil der Tho­riumnutzung gewertet werden.

Bei der Auslegung von ther­mischen Flüssigsalzreaktoren (Brütern) stellte man fest, dass sich bei Thoriumverwendung Probleme mit der Kritikali­tätssicherheit ergeben, welche die klassische Urannutzung in diesen Reaktoren nicht mit sich bringt. Für Thoriumnut­zung in Flüssigsalzreaktoren musste man deshalb auf schnelle Reaktoren auswei­chen. Das lässt sich zwar nicht verallgemeinern, zeigt aber, dass Thoriumnutzung zusätz­liche größere Sicherheitsprob­leme haben kann.

Als gravierendes Sicherheits­manko der Thoriumnutzung ist auch die eingangs schon erwähnte Notwendigkeit zum Einstieg in Brüter- und Wie­deraufarbeitungstechnologie anzusehen. Thorium wird häufig in Ver­bindung mit sogenannten fort­geschrittenen Reaktoren (Ge­neration IV) beworben. Die dabei dem Thorium zuge­schriebenen vorteilhaften Sicherheitseigenschaften sind in der Regel nicht Thorium-spezifisch, sondern eine Ei­genschaft des Reaktorkonzep­tes. Ob diese fortgeschrittenen Reaktorkonzepte in einer Gesamtsicht wirklich einen Si­cherheitsgewinn bringen, soll in einem späteren Artikel se­parat untersucht werden.

Behauptung 5: Thoriumnutzung bringt kaum Entsorgungsprobleme mit sich

Thoriumnutzung erzeugt prak­tisch die gleichen Spaltpro­dukte wie klassische Urannut­zung. Das gilt auch für die bei der Langzeitendlagerung wich­tigen langlebigen Spaltpro­dukte, die in einem früheren Artikel behandelt wurden.[5] Diese mobilen Spaltprodukte bestimmen das Risiko eines Endlagers, wenn Wasserein­bruch als dominierender Stör­fall angesetzt wird. Damit er­geben sich also keine Verbes­serungen bezüglich Entsor­gung. Die Argumente der Tho­riumbefürworter zielen darauf ab, dass bei Thoriumnutzung keine Minoren Aktinoide (MA)[5] und kein Plutonium entstehen. Sie argumentieren, diese Nuklide seien hochto­xisch (was hinsichtlich Inkor­poration korrekt ist) und ver­gleichen nur die reine Toxizi­tät durch Inkorporation für Thorium- und Urannutzung, ohne zu berücksichtigen, dass die Aktinoide im Endlager kaum beweglich sind. Auch entstehen bei Thoriumnutzung zwar keine MA, aber andere langlebige Aktinoide, vor al­lem Protactinium-231 (Pa-231; Halbwertszeit 33.000 Jahre), mit ähnlichen Eigenschaften wie MA. Doch ist bei Thori­umnutzung von Vorteil, dass die Menge der entstehenden langlebigen Aktinoide um et­wa einen Faktor 5 kleiner ist als die der MA bei Urannut­zung. Andererseits: U-233 im Abfall ist keineswegs unproblematisch: Zu seiner dem Plu­tonium vergleichbaren Toxizi­tät und seiner langen Halb­wertszeit (160.000 Jahre) kommt erschwerend hinzu, dass sein Zerfallsprodukt Th-229 (Halbwertszeit 8.000 Jah­re) ein recht starker Gamma­strahler (neben Alphastrah­lung) ist. Die maximale Kon­zentration an Th-229 im End­lager würde erst nach etwa 100.000 Jahren erreicht.

Insgesamt betrachtet könnte sich im Aktinoidenbereich ein begrenzter Entsorgungsvorteil für die Thoriumnutzung erge­ben, aber nicht hinsichtlich der sicherheitsdominierenden langlebigen Spaltprodukte. Von daher ist das Argument, Tho­riumnutzung erleichtere die Entsorgung deutlich, nicht nachvollziehbar. Ein geologi­sches Endlager wird weiter benötigt.

Fazit

Die von den Thoriumbefür­wortern benannten Argumente für einen Umstieg vom Uran auf Thorium erweisen sich bei detaillierter Betrachtung als nicht ausreichend stichhaltig: Eine auf Thorium basierende Kerntechnik würde keines der bekannten Probleme der aktu­ellen Kerntechnik lösen kön­nen, aber erforderte einen enor­men Entwicklungsaufwand und erzwänge den Einstieg in Brü­ter- und Wiederaufarbeitungs­technologie. Von daher er­weist sich die Thoriumtechno­logie als Sackgasse.

Schwerwiegend an der Thori­umnutzung erscheint mir der Proliferationsaspekt: Hier kommt es zu einer gravierenden Ver­schlechterung der aktuellen Situation, da die Hürden zum Bau wirksamer nuklearer Spreng­sätze etwa durch Terrororgani­sationen ganz erheblich ge­senkt werden. Diesem Aspekt muss besondere Aufmerksam­keit gewidmet werden. Zwar ist zu hoffen, dass IAEA, USA und Russland, deren jahrzehntelange Bemühungen um HEU-Rücknahme durch die Thoriumtechnologie ja kon­terkariert würden, deren un­kontrollierter Ausbreitung Widerstand entgegensetzen wür­den; andererseits ist der aktu­elle Thoriumhype teilweise durch einen von Halbwissen getragenen Fanatismus ge­prägt, was in einem populisti­schen Gesamtumfeld zu un­kalkulierbaren Entwicklungen führen kann. Mir scheint es daher wichtig, dass Umwelt- und Friedensbewegung ge­meinsam darauf drängen, dass eine Thoriumtechnologie ohne ausreichende Proliferationssi­cherheit international ähnlich geächtet wird, wie aktuell schon die HEU-Verwendung. Als Minimalforderung bedeu­tet das, dass es keine Thori­umtechnologie ohne U-233-Denaturierung mit U-238 und ohne Verzicht auf Online-Wiederaufarbeitung in Flüs­sigsalzreaktoren geben darf.

Anhang: Umfang der in­ternationalen Bemühun­gen um die Thoriumtech­nologie

Zwischen der lautstarken Pro­paganda der Thoriumbefür­worter und den realen Aktivi­täten zur Entwicklung einer Thoriumtechnologie besteht noch ein großes Missverhält­nis – zumindest in den westli­chen Industrieländern: Getra­gen werden die aktuellen Ar­beiten zum Thorium großen­teils von kleineren Start-up-Firmen. Die großen Unterneh­men verhalten sich weiterhin passiv und die staatliche För­derung für die Thoriumtech­nologie bleibt gering. Eine vollständige Entwicklung von Thoriumtechnologie würde In­vestitionen von mehreren Mil­liarden Euro erfordern, hinge­gen summiert sich die aktuelle EU-Förderung auf einen unte­ren einstelligen Millionenbe­trag pro Jahr. Das zusammen darf als Zeichen von Skepsis gegenüber der Thoriumtech­nologie gewertet werden. Sol­che Skepsis wurde genährt durch umfängliche Studien, etwa der Regierungen von Großbritannien und Norwe­gen, die im Tenor eher pessi­mistisch hinsichtlich Thorium ausfielen.[8,10] Von daher er­scheint es mir noch aussichts­reich, durch Aufklärung den Fehl­entwicklungen eines Einstiegs in Thoriumtechnologie entge­genzuwirken. Als verhalten positives Zeichen ist zu nen­nen, dass die kanadische Fir­ma Terrestrial Energy, die Flüssigsalzreaktoren entwick­elt, 2013 aus Gründen der Proliferationssicherheit aus Thoriumtechnologie und On­line-Wiederaufarbeitung aus­stieg und seitdem einen auf klassischer Uranverwendung aufbauenden Flüssigsalzreak­tor (IMSR) bearbeitet.

In Deutschland wird noch/ wieder zur Thoriumtechnolo­gie gearbeitet: Das For­schungszentrum Jülich ist auf den Thoriumhype aufgesprun­gen, indem es seine früheren Erfahrungen zu thoriumhalti­gen Kernbrennstoffen aufge­arbeitet hat,[7] und in Karls­ruhe beteiligen sich Joint Re­search Centre der EU-Kom­mission (JRC) und Karlsruher Institut für Technologie (KIT) an der von der EU geförderten Planung eines schnellen Flüs­sigsalzreaktors (MSFR) mit Thoriumnutzung. Aus dem MSFR müssten pro Jahr 150 Kilogramm überschüssiges U-233 ausgeschleust werden, was ohne Denaturierung zum Bau einiger nuklearer Sprengsätze ausreichen würde. In Freiburg und in Karlsruhe haben sich bereits Initiativen dagegen zusammengefunden, die Unter­stützung verdienen.

Dr. Rainer Moormann


Dieser Artikel wurde erstveröffentlicht im Strahlentelex Nr. 746-747 / 02.2018.


[3] [17]

[4] [18]

[5] Rainer Moormann: Transmu­tation, ein Weg aus der Atom­müllfalle? Strahlentelex 744-745 v. 4.1.2018, S. 5-7, http://www.strahlentelex.de/Stx_18_744-745_S05-07.pdf

[7] H.-J. Allelein et al.: Thorium fuel performance assessment in HTRs, Nuclear Engineering and Design, Vol. 271, May 2014, P. 166-170, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0029549313006110 [8] Reinhard Wolff: Thorium ist auch keine Lösung, Absage von Norwegens Strahlenschutzbehör­de, taz, 5. 1. 2009, https://www.taz.de/!5170129/

[10] The Thorium Fuel Cycle, An independent assessment by the UK National Nuclear Laboratory, Position Paper, National Nuclear Laboratory, Aug. 2010, https://web.archive.org/web/20130126205622/http://www.nnl.co.uk/media/8241/nnl__1314092891_thorium_cycle_position_paper.pdf


  1. Halbwertszeit von Th-232 als Anfangs­glied der Thorium-Zerfallsrei­he 14 Milliarden Jahre im al­pha-Zerfall
  2. Thalli­um-208 (Tl-208): 2,6 MeV; zum Vergleich die Gamma­strahlung von Cs-137: 0,66 MeV
  3. AKW: Atomkraftwerk
  4. Ein Brüter ist ein Reaktor, bei dem bei Entnahme der abge­brannten Brennelemente mehr Spaltstoff vorhanden ist, als in frischen Brennelementen. Be­griffliche Verwirrung stiftet gele­gentlich, dass im kerntechnischen Sprachgebrauch jeder konventio­nelle Reaktor brütet, aber eben weniger als er verbraucht (und deshalb nicht als Brüter bezeich­net wird).
  5. 99,3 Prozent des Natururans
  6. Thorium enthält an­ders als Natururan ja keinen spaltbaren Anteil
  7. Thorium hat einen größeren Einfangquerschnitt für (thermi­sche, also langsame) Neutronen als U-238. Daher benötigt es als Brutstoff im Reaktor eine höhere Spaltstoffdichte als U-238.
  8. Indische Atomwaffen sollen jedoch nach nicht nach­prüfbaren Informationen U-233 enthalten
  9. W. K. Woods: LRL interest in U-233, Lawrence Livermore 10. 02.1966, (aus der Geheimhaltung entlassen 1994), https://www.osti.gov/scitech/biblio/79078
  10. LEU = Low Enriched Uranium
  11. Brennstoff: 10 % waffenfähi­ges 93%-angereichertes U-235 und 90 % Thorium
  12. Kritikalität: Zahl der Spaltun­gen, die eine einzelne Spaltung durch die von ihr produzierten Neutronen unmittelbar zur Folge hat.
  13. Pablo Adelfang, Research Re­actor Section / IAEA: Symposi­um on Progress, Challenges, and Opportunities for Converting U.S. and Russian Research Reactors from Highly Enriched to Low En­riched Uranium Fuel, Moscow, 8-10 June 2011, http://dels.nas.edu/resources/static-assets/nrsb/miscellaneous/Adelfang-Presentation_Moscow_June_2011_Ali.pdf
  14. Zwischen 1977 und 1990 baute die Apartheidregierung in Südaf­rika 7 Gun-Atombomben auf der Basis von Uran-235 (Anreicherungsan-lage); man scheute den hohen Entwicklungs­aufwand für moderne Implosi­onsbomben. Das Forschungszent­rum Jülich lieferte trotz Embar­gos 1988 an das Apartheidregime HTR-Technologie, welche zur Entwicklung eines Antriebs für Atom-U-Boote, in denen die Bomben sicher verwahrt werden sollten, dienen sollte. Die Bom­ben wurden 1993 demontiert.
  15. Zum Bei­spiel indem man Thorium im Reaktor hinter einer moderie­renden Schicht anordnet
  16. Engel, J.R., Bauman, H.F et al.: Conceptual design character­istics of a denatured molten-salt reactor with once-through fueling, Department of Energy's (DOE) 1980, https://dx.doi.org/10.2172/5352526
  17. Stephen F. Ashley: Thorium fuel has risks, Nature 31, Vol. 492, 6 Dec. 2012, https://www.researchgate.net/publication/233880587_Nuclear_energy_Thorium_fuel_has_risks
  18. IAEA: Average number of neutrons emitted per fission, 2008, https://www-nds.iaea.org/sgnucdat/a6.htm