BN-Reaktor

BN-Reaktor
	[[Datei:\|frameless\|300px\|Aufbau eines BN-600]]{{#if: Aufbau eines BN-600\|; Aufbau eines BN-600 }}
Basisdaten }}
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Der BN ({{#invoke:Vorlage:lang|full|CODE=ru|SCRIPTING=Cyrl|SERVICE=russisch}}, transkribiert Reaktor na Bystrych Nejtronach, zu Deutsch etwa Reaktor für schnelle Neutronen oder sinngemäß Schneller Brüter)<ref>IAEA Fast Reactors general information (englisch)</ref> ist ein natriumgekühlter Brutreaktor verschiedener Leistungsversionen der russischen Firma OKBM. Zurzeit (Stand 2019) sind zwei BN-Reaktoren weltweit in Betrieb.

Die BN-Reaktoren sollen ein Brutverhältnis bis zu 1,3 erreichen können, also 30 % mehr Plutonium aus Uran-238 erzeugen können, als sie in der gleichen Zeit an spaltbarem Material verbrauchen. Der Überschuss könnte in Leichtwasserreaktoren verwendet werden. So könnte das Natururan bis zu 60 mal effizienter als in herkömmlichen Reaktoren ausgenutzt werden. Seit 2012 wird der BN-600 jedoch zur Verbrennung des Plutoniums aus den russischen Kernwaffen als burner reactor verwendet, d. h. mit einem Brutverhältnis unter 1.<ref name="worldnuclear" />

Übersicht der verschiedenen Typen

Typ	Leistung		Brennelemente	Kühlkreisläufe	Betriebsdaten
Typ	Thermisch [MW_th]	Elektrisch [MW_e]	Brennelemente	Kühlkreisläufe	Betrieb	Status
BN-350	750	135			1972–1999	Stillgelegt
BN-600	1470	600	369		1980–0000	In Betrieb
BN-800	2100	864		4	2014–0000	In Betrieb; geplante Betriebsdauer: 60 Jahre
BN-1200	2900	1220		4	Nach 2030	In Planung; geplante Betriebsdauer: 60 Jahre

Quelle: <ref><templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />{{#if:20070927224043

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  }} (englisch)</ref>

BN-350

Der erste BN-Reaktor mit der Typbezeichnung BN-350 wurde 1973 im Kernkraftwerk Aqtau (damals UdSSR) in Betrieb genommen. Der Reaktor war 27 Jahre in Betrieb und wurde neben dem experimentellen Zweck zur Erzeugung von Wärme für die Wasserentsalzung verwendet.<ref name="worldnuclear">{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:|{{#if:PRIS - Reactor Details|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=PRIS - Reactor Details}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/ReactorDetails.aspx?current=484%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=PRIS - Reactor Details}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/ReactorDetails.aspx?current=484}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=PRIS - Reactor Details}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:{{#if: 2021-12-02 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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BN-600

Datei:Reactor block 3 of Beloyarsk Nuclear Power Plant.jpg

BN-600 im Kernkraftwerk Belojarsk

Datei:BN-600 nuclear reactor.jpg

Modell des BN-600-Reaktors, ausgestellt im Kernkraftwerk Belojarsk

Datei:Nuclear fuel of a BN-600 reactor.jpg

Brennelement eines BN-600

Der BN-600 ist die Weiterentwicklung des BN-350. Der Reaktor wurde im Kernkraftwerk Belojarsk-3 verbaut und ist seit 1980 in kommerziellem Betrieb (Stand 2021)<ref name="worldnuclear" />. Die Leistung beträgt 600 MW brutto und 560 MW netto. Der Reaktor ist anders als der BN-350 in Pool-Bauweise gebaut worden und gehört somit zu den fortgeschritteneren Brutreaktoren.<ref>{{#switch:

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    }}[http://www.iaea.or.at/inisnkm/nkm/aws/fnss/fulltext/28014313.pdf }}</ref> Der Reaktor in Belojarsk besitzt kein Containment, unter anderem, weil das flüssige Metall anders als das Kühlwasser eines DWR oder SWR nicht unter Druck steht.

Mit 42 Jahren Betriebszeit und einer Verfügbarkeit über 74 % ist der BN-600, zusammen mit dem französischen Reaktor Phenix, einer der erfolgreichsten schnellen Brutreaktoren, die ans Stromnetz angeschlossen wurden.

Ein sich technisch am BN-600 orientierender Reaktor von 85 MW_th Leistung (CEFR China Experimental Fast Reaktor) ging 2011 in China in Betrieb.<ref>A new breed for China, auf neimagazine.com, abgerufen am 23. März 2025</ref>

BN-800

Der BN-800 ist eine Weiterentwicklung des BN-600. Er wird ebenfalls in Pool-Bauweise errichtet. In Belojarsk wurde 2006 mit dem Bau eines BN-800 begonnen, der im Juni 2014 den kommerziellen Betrieb bei reduzierter Leistung aufnahm. Am 7. Dezember 2007 wurden die ersten beiden Natriumtanks installiert und befüllt. Die Tanks haben eine Länge von 15 m, einen Durchmesser von 4 m und wiegen 54 t. Der BN-800 ist seinem Vorgänger ähnlich, jedoch in größerer Ausführung und nach strengeren Sicherheitsstandards konstruiert.<ref><templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />{{#if:20060703205758

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       }}
  }} (englisch)</ref> Kritikalität wurde am 27. Juni 2014 erreicht.<ref name="Erf"></ref> Im Dezember 2015 wurde er mit der Mindestleistung von 235 MW an das Stromnetz angeschlossen<ref>Russia connects BN-800 fast reactor to grid, World Nuclear News, 11. Dezember 2015</ref> und im August 2016 wurde die erste 15-tägige Testphase bei Nennleistung erfolgreich abgeschlossen<ref>Groundbreaking Fast Neutron Reactor reaches full power, Cape Business News, 12. September 2016</ref><ref>Rusia ensaya un prototipo del reactor nuclear del futuro, Sputnik Mundo, 2. September 2016</ref>. Der kommerzielle Betrieb startete am 1. November 2016.<ref>Russia's BN-800 unit enters commercial operation, auf world-nuclear-news.org, abgerufen am 23. März 2025</ref>

Der Bau von zwei BN-800 Reaktoren in China wurde 2009 vereinbart. Bis 2019 wurde mit dem Bau jedoch nicht begonnen. Nach Presseinformationen wurde der Vertrag aufgelöst.<ref>Rethinking China’s Fast Reactor, auf carnegieendowment.org, abgerufen am 23. März 2025</ref>

BN-1200

Der BN-1200 ist als Nachfolger des BN-800 geplant. Eine Entscheidung über den Bau sollte 2019 fallen.<ref>Russia’s BN-1200 fast reactor envisaged for 2019, auf neimagazine.com, abgerufen am 23. März 2025</ref> Der BN-1200-Bau wurde Mitte 2019 jedoch um 4 bis 8 Jahre verschoben.<ref>Rosatom postpones fast reactor project, report says, auf world-nuclear-news.org</ref> Neben der höheren Leistung von 1200 MW soll der BN-1200 die noch höheren Sicherheitsstandards der Generation IV erfüllen. Brutverhältnisse bis zu 1,45 sind geplant.<ref name="worldnuclear" />

Sicherheit

Vorteile

der niedrige Druck des flüssigen Metalls (Atmosphärendruck oder leicht höher, im Vergleich zu den etwa 150 bar eines Druckwasserreaktors und etwa 75 bar eines Siedewasserreaktors).
beim BN-800 kann die Restleistung aus der Nachzerfallswärme bei ausgeschaltetem Reaktor vollständig passiv aufgenommen werden, d. h. ohne den Einsatz von Pumpen wie bei Leichtwasserreaktoren der 2. und 3. Generation.
Iod, das gefährlichste radioaktive Element bei kerntechnischen Unfällen, kann vom Natrium zu einer nicht flüchtigen Verbindung gebunden werden.

Nachteile

Natrium reagiert mit Luftfeuchte oder Wasser heftig zu Natronlauge und Wasserstoff. Der gebildete Wasserstoff kann explosionsartig reagieren. Natrium reagiert auch intensiv mit Luftsauerstoff. Es müssen daher geeignete Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden. Im BN-600 kam es zu mehreren Natriumaustritten zwischen 30 und 1000 kg, was zu Bränden und Reaktionen mit Wasser führte. Diese Ereignisse konnten beherrscht werden und führten zur Lösung der Problematik. Der letzte Natriumbrand war 1994.<ref name="Erf">BN-600 and BN-800 operating experience (PDF), auf gen-4.org</ref>
Der Schmelzpunkt von Natrium liegt bei Normaldruck bei 98 °C. Die Anlage muss daher auch bei Stillstand des Reaktors ständig auf Temperatur gehalten werden, was allerdings elektrothermisch leicht möglich ist. Der Reaktorbehälter selbst wird jedoch durch die Zerfallswärme der Brennelemente ausreichend geheizt.<ref>Sodium-NaK Engineering Handbook Volume 1–6 1972</ref>
Die Kritikalitätssicherheit ist nur schwierig zu gewährleisten, wenn Transurane (Actinoide wie die Plutoniumisotope ²⁴⁰Pu, ²⁴¹Pu und darüber) aus Atommüll verbrannt werden sollen.<ref name= "MA">{{#switch:

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Als Alternative zu BN-Reaktoren werden in Russland bleigekühlte schnelle Reaktoren, wie BREST gebaut. Diese sollen nach einer EURATOM-Studie Sicherheitsvorteile im Vergleich zu BN-Reaktoren haben.<ref>Comparison of sodium and lead-cooled fast reactors regarding severe safety and economical issues (PDF; 0,4 MB), auf ecolo.org</ref>

Transmutation von Atommüll

Die BN-Baureihe soll einen Beitrag zur Schließung des Brennstoffkreislaufs liefern, da Transuranabfall im schnellen Neutronenspektrum spaltbar ist. Für eine komplette Beladung des BN-800 braucht man rund 15 t Material, davon etwa 20,5 % Plutonium, der Rest ist größtenteils Uran-238. Dieses Material könnte auch aus aufbereiteten alten Brennstäben von Atomkraftwerken stammen. Bei 10 % Abbrand hätte sich die eingesetzte Menge nach dem Zyklus um 1,5 t verringert und in relativ kurzlebige Spaltprodukte verwandelt. Wenn der Brutprozess von ²³⁸U nach ²³⁹Pu optimal funktioniert (>=1) dann wird zeitgleich aus dem ²³⁸U der Betriebsstoff für die nächste Ladung gebrütet. In Summe werden also rund 1,5 Tonnen ²³⁸U verbraucht oder transmutiert.

Einige Transurane des Atommülls verschlechtern die Kritikalitätssicherheit allerdings so drastisch, dass nur relativ geringe Mengen davon im Kern vorhanden sein dürfen.<ref>Sicherheitstechnische Analyse und Risikobewertung von Konzepten zu Partitionierungs- und Transmutationsanlagen für hochradioaktive Abfäll (PDF), auf base.bund.de</ref> Laut BASE könnten gegenwärtig maximal 36 kg/Jahr von den im Müll besonders problematischen minoren Actinoiden im BN-800 durch Transmutation umgewandelt werden. Das entspricht der Menge, die zwei Leichtwasserreaktoren etwa gleicher Leistung pro Jahr erzeugen. Um hier sinnvoll Transuranabfall (also minore Actinoide) zu spalten, wäre es dementsprechend nötig, 30 % der existierenden Kraftwerke durch schnelle Reaktoren zu ersetzen.<ref>V. I. Matveev, V. A. Yeliseev, Ye. V. Poplavskaya: The Use of Sodium-Cooled Fast Reactors for Effectively Reprocessing Plutonium and Minor Actinides*, auf nap.nationalacademies.org</ref> Es gibt deshalb ein von 2019 bis 2034 laufendes Forschungsprojekt, durch welches untersucht wird, ob eine größere Menge verarbeitet werden kann.<ref name="kasp">Russian approach to high level waste and spent fuel management (PDF, Folien 17 und 23), auf ifnec.org</ref> Analysen von 2005 zeigten auf, dass es im Prinzip möglich wäre, bis zu 90 kg/Jahr an minoren Actinoiden umzuwandeln, wenn der Kern des Reaktors nur noch Uran-235 enthielte und das sonst vorhandene Uran-238 durch einen Platzhalter (Zirkoniumcarbid, Aluminiumnitrid oder Magnesiumoxid) ersetzt würde. In diesem Falle ändert sich die Anreicherung des Uran-235 nicht, da es mit dem Platzhalter durchmischt wird. Ein so ausgerüsteter BN-800 könnte von fünf Kernkraftwerken der 1-GW-Klasse die jährlich anfallenden minoren Aktinoide in kurzlebige Spaltprodukte umwandeln.<ref>V. I. Matveev, V. A. Yeliseev, Ye. V. Poplavskaya: The Use of Sodium-Cooled Fast Reactors for Effectively Reprocessing Plutonium and Minor Actinides*, S. 65, auf nap.nationalacademies.org</ref>

Bei der ersten Beladung 2014 wurde der BN-800 genutzt, um vertragsgemäß Waffenplutonium zu vernichten. Seit 2021 läuft der BN-800 mit MOX-Brennstäben, die aus radioaktiven verbrauchten Brennstäben gewonnen wurden.<ref>BN-800 fast reactor has first full refuelling with MOX fuel, auf world-nuclear-news.org</ref>

Andere Komponenten des hochaktiven Atommülls wie langlebige Spaltprodukte werden auch im BN-800 erzeugt, können im Neutronenspektrum des BN-800 jedoch nicht transmutiert werden (s. hier), sodass der BN-800 diesbezüglich ein Atommüllerzeuger bleibt. Es ist allerdings anzumerken, dass langlebige Spaltprodukte (im Wesentlichen Technetium-99 und Cäsium-135) im Vergleich zu Plutonium-239, Uran-235 und -238 oder minoren Aktinoiden eine um mehrere Größenordnungen geringere Radiotoxizität<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:|{{#if:Long-lived Fission Products|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Long-lived Fission Products}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://radioactivity.eu.com/articles/nuclearenergy/long_lived_fission_products%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Long-lived Fission Products}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://radioactivity.eu.com/articles/nuclearenergy/long_lived_fission_products}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Long-lived Fission Products}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:radioactivity.eu.com{{#if: 2025-03-23 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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Ein den BN-Reaktoren ähnliches Transmutationsprojekt, das von Frankreich mit japanischer Beteiligung entwickelte Generation-IV-Natriumreaktorkonzept ASTRID, wurde im Sommer 2019 von der CEA vorerst aufgegeben und auf die zweite Hälfte des jetzigen Jahrhunderts zurückgestellt. Ein neuer Projektplan für Generation-IV-Reaktoren wurde für Ende 2019 angekündigt.<ref>France cancels ASTRID fast reactor project, neimagazine.com, 2. September 2019</ref><ref>France drops plans to build sodium-cooled nuclear reactor, Reuters, 30. August 2019</ref>

Siehe auch

Weblinks

Operating experience from the BN600 sodium fast reactor, IAEA (englisch)

Einzelnachweise