Gastautor / 21.08.2017 / 06:02 / Foto: ENERGY.GOV / 30 / Seite ausdrucken

Plutonium? Ja bitte!

Von Fabian Herrmann

Pluto beziehungsweise Hades, der griechisch-römische Gott der Unterwelt, wird heutzutage als ein düsterer Geselle angesehen, ja, in fälschlicher Gleichsetzung der antiken Unterwelt mit der monotheistischen Hölle, als eine Art Teufel. Doch der Glaube an ein Straftribunal nach dem Tode für während des Lebens begangene Missetaten existierte in der klassischen Antike in dieser Form nicht, der Hades war eine dämmrige Landschaft, in der die Verstorbenen weilten – manchen Vorstellungen zufolge auch eine Art Wartesaal, in dem die Seelen ihrer nächsten Inkarnation harrten (Reinkarnationsglaube war in der Antike weitverbreitet, siehe zum Beispiel Aeneas' Besuch in der Unterwelt in Vergils „Aeneis“) – und Pluto mitnichten irgendein Bösewicht.

Da war der „Kriegsgott“ Mars beziehungsweise Ares viel weniger populär, zumindest die anderen olympischen Götter hatten ein gespanntes Verhältnis zu ihm. Pluto dagegen herrschte nicht nur über die Toten: Er war auch der Gott der Ernte und des Goldes beziehungsweise des Reichtums (sowohl Feldfrüchte wie Erze kommen ja aus dem Erdinneren hervor), weswegen er des Öfteren mit einem Füllhorn abgebildet wird.

In seinem Artikel „Nukleare Schlafwandler“ auf „Achse des Guten“ verwechselt Jesko Matthes Pluto mit Mars. Es geht um nukleare Proliferation und das Risiko, das von kleinen, aggressiven Staaten wie beispielsweise Nordkorea ausgeht, wenn es ihnen gelingt, sich Kernwaffen zu verschaffen – die harte Kante, die der amtierende US-Präsident Donald Trump gegen Nordkorea fahre, sei daher gerechtfertigt. Egal, wie man Trumps Politik im Einzelnen beurteilt: Bei seiner Einschätzung des Proliferationsrisikos sieht Jesko Matthes die größte Gefahr in der Verbreitung von Plutonium. Doch Plutonium ist weder das einzige waffenfähige Nuklid (dazu eignen sich prinzipiell alle fissilen Isotope, also Uran 233, Uran 235, Plutonium 239, Americium 242-metastabil und einige andere), noch ein „Teufelsstoff“, auch wenn der Name mit seinem dunklen „u“ und „o“-Vokalen durchaus ein wenig dräuend klingt.

Die erste militärisch eingesetzte Kernbombe zerstörte Hiroshima, sie enthielt Uran 235 in einer „Kanonenrohranordnung“ – das bedeutet, dass ein Uranzylinder mit einer chemischen Treibladung in einen zweiten, ruhenden Hohlzylinder aus Uran hineingeschossen wurde, was die nukleare Detonation auslöste. Der zweite (und, wir wollen es hoffen, auf immer letzte!) Nuklearangriff erfolgte mit einer Plutonium-Implosionsbombe auf Nagasaki. Implosionswaffen nutzen eine hohlkugelförmige Sprenglinse, die innen mit Kernsprengstoff ausgekleidet ist; die chemische Detonation kompaktiert das fissile Nuklid, wodurch es sofort prompt überkritisch wird. Die einfachere Kanonenrohrtechnik ist für Plutonium ungeeignet: Denn dieses ist stets mit einer gewissen Menge Pu-240 verunreinigt, welches durch spontane Spaltungen ständig Neutronen freisetzt, so dass die Kettenreaktion beginnen würde, bevor die Massen sich völlig vereint haben – eine Verpuffung statt einer Detonation wäre die Folge.

Ein Reaktor ist keinesfalls eine „Waffenzaubermaschine“

Von da an beruhten fast alle Kernwaffen auf Plutonium. Der Grund war jedoch nicht, dass Plutonium irgendwie besonders geeignet ist, als Kernsprengstoff zu dienen, sondern einfach, dass dies die wirtschaftlichste Variante war, an ein fissiles Nuklid der erforderlichen Reinheit zu gelangen. Die Anreicherung von Uran bis zur Waffenfähigkeit war mit den Technologien der 1950er und 60er höchst aufwändig und teuer. Günstiger schien es, Plutonium aus Uran 238 durch Neutronenbestrahlung zu produzieren. Meist baute man dazu spezialisierte, militärische Reaktoren. Die „Doppelnutzung“ ziviler Kernkraftwerke kam vor – erwähnt sei der sowjetische Kanalreaktor RBMK (der „Tschernobyl-Typ“) oder auch die britischen MAGNOX –, war jedoch nicht die Regel.

Jesko Matthes' Bemerkung, ein kanadischer CANDU-Schwerwasserreaktor mit Natururanbrennstoff sei ein praktischer Weg zur Nuklearwaffe, scheint zweifelhaft. Die Extraktion des Plutoniums aus den bestrahlten Brennelementen wäre zwar möglich, aber doch unnötig aufwändig, insbesondere, da sie ständig ausgetauscht werden müssten, um hinreichend reines Pu-239 zu gewinnen – der Anteil an Pu-240 darf 7 Prozent nicht überschreiten, da ansonsten auch die Sprenglinsenmethode nicht funktioniert und nur eine Verpuffung auslöst. Das Austauschen der Brennstäbe ist bei einem CANDU zwar einfacher als bei einem gewöhnlichen Leichtwasserreaktor, aber immer noch recht aufwändig: Zuvor muss der Druck in den Druckröhren abgebaut werden. Ein Reaktor ist keinesfalls eine „Waffenzaubermaschine“, die man bloß anzutippen braucht, damit reichlich Kernsprengstoff hervorsprudelt.

„Wenn ich Kim-Jong Un wäre...“ – nein, hier soll kein Schulaufsatz verfasst werden. Nichtsdestotrotz: Ein Gewaltherrscher, der schnell und billig an eine Kernwaffe kommen möchte, wäre heutzutage gut beraten, jeglichen Reaktor links liegenzulassen. Moderne Anreicherungsverfahren, beispielsweise mithilfe von Laser, machen die Uranbombe zur ökonomischsten Variante. Anstatt Natururan in einen CANDU zu stecken und es teilweise in Plutonium umzuwandeln, ist es inzwischen deutlich einfacher geworden, das enthaltene Uran 235 bis zur Waffenfähigkeit anzureichern. Man spart massiv Infrakstruktur, Zeit, Material und Aufwand, wenn man den Reaktor aus der Gleichung eliminiert.

Doch Beschaffung des waffenfähigen Materials ist nur die halbe Miete. Nukleare Gefechtsköpfe kann man nicht in einem Schuppen zusammenbauen. (Dass Gangster oder Terroristen solch eine Waffe in Eigenregie anfertigen, wie in manchen Actionfilmen dargestellt, ist mithin noch unglaubwürdiger als die Fähigkeit der Helden solcher Filme, unzähligen von allen Seiten heranpeitschenden Kugeln auszuweichen oder ein Maschinengewehr aus einer Hand abzufeuern, ohne sich das Handgelenk zu brechen oder sich selbst in den Fuß zu schießen.) Die Komplexität des konventionellen Teils ist nicht zu unterschätzen: die hochpräzise Anordnung der Sprenglinsen, die Zündung selbiger, die auf Mikrosekunden genau gesteuert werden muss, die dafür erforderliche Elektronik und der Zusammenbau des Gesamtapparates.

Niemand würde eine ungetestete Kernwaffe „auf gut Glück“ einem Feind vor die Füße werfen. Zahlreiche Versuche sind erforderlich, bis man einen hinreichend zuverlässigen Gefechtskopf hat. Jesko Matthes erwähnt zutreffenderweise, dass natürlich auch noch ein Dislozierungssystem erforderlich sei – ballistische Rakete, Lenkflugkörper, Bomber, Haubitze, etc. Bei der hohen Zerstörungskraft von Kernwaffen sei bereits ein sehr ungenaues System wie die deutsche V-2 im Zweiten Welktkrieg hinreichend, um ein (ungehärtetes) Ziel durch einen Treffer in die weitere Umgebung einzuäschern. Unerwähnt bleibt allerdings, dass die Neigung der höchst unzuverlässigen V-2, wenige Sekunden nach dem Start außer Kontrolle zu geraten, in rasenden Schlaufenbahnen durch die Luft zu torkeln und in der Nähe des Startgeländes in einem Feuerball aufzuschlagen, möglicherweise die Soldaten zögern lassen würde, sie zum Transport einer nuklearen Nutzlast einzusetzen.

Ein Plutoniumbarren wird einen Menschen in der Nähe nicht schädigen

Ob Kim Jong-Un bereits über eine Rakete verfügt, die es erlaubt, das amerikanische Hauptland zu treffen, ist offen – Seoul und Tokyo dürften sich in Reichweite seiner Waffen befinden, eventuell auch Guam, Hawaii und Anchorage; inwiefern die Reaktion der US-Regierung auf sein „nukleares Säbelrasseln“ sinnvoll ist, kann diskutiert werden. Klar ist auf jeden Fall, dass die Darstellung von Plutonium 239 als „gefährlichste Substanz der Welt“ nicht gerechtfertigt ist. Ein Plutoniumbarren wird einen in der Nähe stehenden Menschen nicht schädigen: Das Metall ist radioaktiv – ein Alphastrahler, doch diese Strahlen durchdringen die Haut nicht. Es ist chemotoxisch, doch man müsste an dem Barren ziemlich lange lecken, um eine schädliche Stoffportion aufzunehmen. Das auf der Erde natürlich vorkommende Radium ist deutlich giftiger, und bei manchem Biotoxin (bespielsweise Botox) würde in der Tat einmaliges Lecken reichen, um sich umzubringen. Nur wenn man den Barren zersägen, zerfräsen, schmelzen oder ähnliches möchte, sollte man auf Schutzkleidung und Atemmaske nicht verzichten, denn Stäube können in den menschlichen Körper eindringen, wo Alphastrahlung und chemische Giftigkeit ihre gefährliche Wirkung zu entfalten vermögen.

Als Aktinid mit ungradzahligem Atomgewicht ist Pu-239 natürlich auch fissil. Letzteres macht seine Verwendung als Kernsprengstoff möglich – aber seit den 1950ern ist viel Zeit ins Land geflossen, und die Uran-Anreicherungstechnologie wurde deutlich weiterentwickelt, so dass heutzutage der einfachste Weg zur Bombe nicht über den Reaktor führt.

„Man darf nicht ignorieren, was die Erzeugung von Plutonium für zukünftige Generation bedeutet“, schrieb einmal ein Kernenergiegegner. Das ist richtig. Was sie für zukünftige Generationen bedeutet, ist Folgendes: Dass sie neben Uran und Thorium einen weiteren Supernova-Treibstoff erhalten. Plutonium ist ein guter Brennstoff für schnelle Reaktoren. Das Minimum, das die Neutronen-Multiplikationskurve (Anzahl der Spaltneutronen über Energie) von Plutonium im epithermischen Bereich aufweist, macht es zu einem mittelmäßigen Brennstoff für thermische Reaktoren, doch im schnellen Energiebereich ist es kaum zu überbieten.

Es ist optimal zur katalytischen „Verbrennung“ des Nuklids Uran 238, welches auf der Erde so häufig ist, dass es eine erneuerbare Energiequelle darstellt. Plutonium könnte daher das Sprungbrett der Menschheit in eine postfossile Zukunft werden, eine Zukunft, die, im Gegensatz zu realistischen Solar- und Windszenarien, nicht von Knappheit, Armut und Stromsparen geprägt ist, sondern von Wohlstand – erneuerbarem Wohlstand, da die Mengen an Uran 238 in Erdkruste und Meerwasser für geologische Zeitspannen reichen. Das Füllhorn des Gottes Pluto hat seine Berechtigung.

Fabian Herrmann, Jahrgang 1979, ist Diplomphysiker. Er arbeitet seit 2012 als freischaffender Schriftsteller und seit 2017 als PR-Experte für das Institut für Festkörper-Kernphysik Berlin.

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Leserpost (30)
Rudi Knoth / 22.08.2017

@Ralph Ort: Ja wenn das Konzept realisiert wird. Aber in DE wurde mit dem Aus von Kalkar dieser wichtige Teil des Brennstoffkreislaufes entfernt.

Fabian Herrmann / 22.08.2017

Danke an alle, denen mein Artikel gefallen hat! Ich freue mich immer wieder, wenn ich einen informativen Artikel veröffentlichen kann, und andere ihn mit Gewinn lesen. Zu einigen Kommentaren hier noch ein paar Anmerkungen von mir: @Reinhard Lange (S. 3) Das Deutsche kennt das Wort “fissil” durchaus: http://www.duden.de/rechtschreibung/fissil Es kommt aus dem Lateinischen, bedeutet “spaltbar”. Ich nutze es, weil es für das kernphysikalische Gegenstück “fertil” keine angemessene deutsche Übersetzung gibt. Wortwörtlich könnte man “fruchtbar” oder “bebrütbar” sagen, diese Worte erinnern jedoch zu sehr an die Biologie bzw. Landwirtschaft. Fissile Stoffe können von Neutronen zur Spaltung angeregt werden, fertile durch Neutroneneinfang in fissile umgewandelt, z. B. U 238—> Pu 239 @Ingo Meyer (S. 3) Thorium 232 stellt in der Tat eine Alternative zu Uran 238 dar. Eine Besonderheit von Thorium besteht darin, dass es auch im thermischen Spektrum eine Konversionsrate größer 1 erreicht (also die Rate der Umwandlung in ein fissiles Isotop), dies wurde im Kernkraftwerk Shippingport und am norwegischen Experimentalreaktor Halden getestet. Allerdings ist die Verdopplungszeit (Dauer, bis der Reaktor eine Startportion Spaltstoff für ein weiteres Kraftwerk produziert hat) sehr hoch, rund 40 Jahre. Deutlich kürzer ist sie im schnellen Neutronenspektrum—aber dann kann man auch gleich Uran 238 nehmen, das ja als Atommüll und abgereichertes Uran bereits in großer Menge vorliegt (rund 2 Mio t), und nicht abgebaut werden muss. Am besten, man baut Reaktoren mit flüssigem Brennstoff und schnellen Neutronen, diese können als “Allesfresser” sowohl Uran, wie Thorium, wie Plutonium und überhaupt alle Aktinide mit Atomgewicht >= 232 “verbrennen”. @ Marko Schindler (S. 3) Richtig, U 235 kann im Kanonenrohrdesign eingesetzt werden. Dieses ist von der Struktur her einfacher als das Sprenglinsendesign, da nur eine einzige Treibladung gezündet werden muss. @ Dr. Anna Veronika Wendland (S. 2) Danke für die Anmerkung! Bezüglich RBMK hatte ich mich leider etwas missverständlich ausgedrückt: Gemeint war die Doppelnutzung der Technologielinie, nicht der Kraftwerksreaktoren selbst. @ Frank Just (S. 1) Danke, dass Sie unser Berliner Technologie-Startup als Vertreter der Nuklearindustrie einstufen. Ihre folgende Aussage bereitet allerdings aus logischer Sicht ein wenig Kopfzerbrechen: Es ist einfacher, Uran anzureichern, als Plutonium im Reaktor herzustellen (ja)—noch einfacher sei es jedoch, eine Waffe aus schon produziertem Pu herzustellen… naja, worin wurde besagtes Pu denn produziert?? Die Extraktion von waffenfähigem Pu-239 aus Reaktorplutonium ist keine simple Aufgabe. Wie schon im Artikel angedeutet, tritt Reaktorplutonium stets massiv verunreinigt mit Pu-240 auf, das entfernt werden muss, bevor an Bombenbau zu denken ist. Nun sind Pu-239 und Pu-240 nur um eine atomare Masseneinheit auseinander, was die Separation beträchtlich erschwert—und zusätzlich müssen auch all die anderen Isotope, die zwangsläufig in bestrahlten Brennelementen enthalten sind, abgeschieden werden. Da ist die Anreicherung von Natururan doch ein Stückchen einfacher… Wir produzieren Plutonium eben *nicht* “tonnenweise in reiner bzw. hochangereicherter Form” sondern als Bestandteil eines komplexen Stoffgemischs. Ihre Bemerkung, es habe noch nie ein schneller Reaktor gebrütet, ist aus Sicht des Kerntechnikern befremdlich: “In 1953, testing at EBR-I confirmed that a reactor could create (or breed) more fuel than it consumes.” http://www4vip.inl.gov/ebr/ Und der Superphénix hat selbstverständlich Energie produziert, bevor man ihm aus politischen Gründen den Gar bzw. die Kettenreaktion ausgemacht hat. Das Problem am schnellen Brutreaktor ist nicht, dass er nicht funktioniert: Das Kraftwerk Belojarsk ist doch keine sibirische Fata Morgana; der BN-600 läuft seit Jahrzehnten, der BN-800 seit knapp einem Jahr. Das Problem ist vielmehr, dass der schnelle Brutreaktor in der geläufigen Bauform “Festbrennstoff plus Natriumkühlung” keinen entscheidenden wirtschaftlichen Vorteil gegenüber fossiler Energie, Wasserkraft oder Leichtwasserreaktor bietet. Genau das ist es ja, was wir mit unserem Dual-Fluid-Reaktor zu ändern suchen: Ein schneller Reaktor, der alle Aktinide zu nutzen vermag und so billig und kompakt ist, dass er sogar Braunkohle in punkto Stromkosten abzuhängen vermag. Soetwas nennt man nicht “Fiktion”, sondern Projekt, Entwurf, Design, o.ä. Zuletzt: Kernenergie mit milliardenschweren Subventionen in Zusammenhang zu bringen—gleich nachdem man Wind- und Solarkraft erwähnt hat, ist etwas… naja. 25 Milliarden € pro Jahr für die Energiewende, geschätzte Gesamtkosten 1000 Milliarden €—doch einen Tick teurer als die von den Grünen erfundene “Eiskugel pro Stromkunde”. Sie sagen, Sie haben nichts gegen Kernenergieforschung—das ist die richtige Einstellung. Denn wenn die Menschheit das Kohlenstoffzeitalter irgendwann hinter sich lassen soll, braucht sie eben neue Energiequellen, und zwar solche mit höherer Leistungsdichte als chemische Brennstoffe (und nicht etwa viel niedrigerer wie Wind u.ä.). Die Leistungsdichte ist nämlich nicht nur eine ästhetische oder naturschützerische Frage, sondern beeinflusst über den Erntefaktor die Gesamtstärke eines Wirtschaftssystems: http://festkoerper-kernphysik.de/erntefaktor

Till Krüger / 21.08.2017

Schnelle Reaktoren, vor Jahrzehnten als sogenannte Schnelle Brüter bezeichnet, sollten die alten Kernreaktoren ablösen und in die vom Autor beschworene postfossile Zukunft führen. Der Zeitraum, in dem ausgereifte Reaktoren in Betrieb und ans Netz gehen sollten, betrug angeblich etwa 25 bis 30 Jahre. Dies schon in den frühen Siebzigern. Seit dieser Zeit sind etliche Test-Reaktoren ohne weitere Planungen längst wieder stillgelegt, das Vorzeige-Projekt Super Phenix nach 11 Jahren Betrieb, einer etwa 7-prozentigen Ausnutzung seiner Kapazität und mehreren Unfällen 1997 abgeschaltet. Weltweit gibt es kaum noch geplante Projekte ob der Komplexität und der abnehmenden Akzeptanz bei Bürgern und Politikern. Dieser Zug ist längst abgefahren.

Heiner Martinsried / 21.08.2017

“Das Minimum, das die Neutronen-Multiplikationskurve (Anzahl der Spaltneutronen über Energie) von Plutonium im epithermischen Bereich aufweist, macht es zu einem mittelmäßigen Brennstoff für thermische Reaktoren, doch im schnellen Energiebereich ist es kaum zu überbieten. Es ist optimal zur katalytischen „Verbrennung“ des Nuklids Uran 238 …” Erwarten Autor und Redaktion ernsthaft, dass außer Experten irgendjemand solche Ausführungen angemessen versteht? Dieselbe Frage stellt sich z.B. hinsichtlich der Erläuterung der Sprengtechniken. Warum, Herr Herrmann, schreiben Sie nicht für die Leserschaft, an die Sie sich wenden? Entweder Sie erklären das verwendete Expertenwissen so, dass es kluge, gebildete und lernwillige Leser verstehen. Oder, wenn es so detailliert nicht benötigt wird, lassen Sie es eben weg. Für mich ist es völlig unverständlich, dass man diesen interessanten Debattenbeitrag in dieser Form bringt. (Und dass er von jemandem mit erklärten schriftstellerischen und PR-Tätigkeiten so für einen allgemeine Leserschaft geschrieben wurde.)

HaJo Wolf / 21.08.2017

Ist nicht in den USA gerade ein Experimentalreaktor in der Forschung, der Energie aus “abgebrannten” Brennstäben gewinnt? Sorry für möglicherweise falsche Wortwahl, aber ich hoffe, der Leser weiß, was ich meine ;-) - Statt sich um “Endlager” zu kümmern, sollte man erforschen, was man “danach” mit dem Material sinnvoll machen kann - ich bin sicher, es gibt Möglichkeiten!

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