Thorium: Ist das wirklich die „Revolution der Atomkraft“?
Durch die Klimakrise steht die Menschheit vor dem Kraftakt, Gesellschaften zu dekarbonisieren und aus dem fossilen Zeitalter zu führen. Der Schlüssel dazu ist aus Sicht von Wissenschaftler:innen weltweit der Ausbau Erneuerbarer Energien. Allein in Österreich soll der Bruttoenergieverbrauch laut dem nationalen Energie- und Klimaplan bis zum Jahr 2030 knapp 46 Prozent aus Erneuerbaren abgedeckt werden.
Dabei kommt in der öffentlichen Diskussion oft die Frage auf, woher der Rest der Energie kommen soll. Nicht zuletzt hat das die Stimmen lauter werden lassen, die für eine Renaissance der Atomkraft als günstige alternative Energiequelle werben. Als Hoffnungsträger der Branche gilt das Element Thorium, von dem Befürworter:innen sagen, es mache Reaktoren handlich, sicher und effizient. Auch das Problem der Endlagerung ließe sich damit mildern, so das Versprechen. Doch was genau steckt hinter der Technologie – und kann sie wirklich halten, was sie verspricht?
Thorium: Verbreiteter als Uran
Generell ist Thorium als Rohstoff ein Element, das natürlich in der Erdkruste vorkommt. Es ist nur schwach radioaktiv, viel schwächer als das in vielen Kernkraftwerken eingesetzte Uran. Das nach dem germanischen Gott Thor benannte Metall kommt laut der World Nuclear Association in der Erdkruste wesentlich häufiger vor als das normalerweise in Kraftwerken verwendete Uran. Große Thorium-Reserven besitzen etwa Indien, Brasilien, Australien und die USA. Auch China sitzt auf einem großen Thorium-Vorrat, da es als Abfallprodukt beim Abbau seltener Erden entsteht – ein Bereich, in dem das Land sehr aktiv ist.
Warum sich aber trotzdem bisher Uran vor Thorium als Brennstoff durchgesetzt hat, liegt an der Entstehungsgeschichte der Atomenergie, so Physiker Matthias Englert im Gespräch mit Tech & Nature: „Der Ursprung all dieser Technologien ist aus dem Militärischen heraus entstanden. Als erste Reaktoren (Anm.: für die Stromgenerierung) aufkamen, hatte man sich schon für die Anreicherung von Uran-235 entschieden. Thorium war deshalb lange überhaupt nicht relevant.“
China als Vorreiter
Englert forscht am Öko-Institut in Darmstadt zu nuklearen Risiken und neuen Reaktorkonzepten und beschäftigt sich in diesem Kontext auch mit dem Einsatz von Thorium in der Kernkraft. Das Element feiert derzeit ein Comeback, vor allem durch die Energiepläne Chinas. Diese gaben kürzlich die geplante Erbauung des weltweit ersten Thorium-Reaktors bekannt, wir berichteten. Am Rande der Wüste Gobi, im chinesischen Ort Wuwei in der Provinz Gansu, wird ein Zwei-Megawatt-Reaktor dieser Art den Testbetrieb zu nehmen. Bei dem Thorium Reaktor in China handelt es sich um einen sogenannten Salzschmelzreaktor, der Thorium als Brennstoff und flüssiges, fluoridbasiertes Salz verwendet. Das Salz dient als Kühlmittel, um Hitze vom Reaktorkern wegzuleiten.
Pro: Effizient, sicher, co2-neutral
Insbesondere in diesen Salzschmelzreaktoren liegt nun auch die Hoffnung der Atomkraft. Ein großer Punkt, der „neue“ Reaktortypen von den bestehenden Kraftwerken unterscheidet, ist die Sicherheit. Salzschmelzreaktoren gelten laut der Fachzeitschrift Nature als relativ sicher, da der Brennstoff bereits in Flüssigkeit aufgelöst ist und sie bei geringerem Druck in Betrieb sind, als konventionelle Nuklearreaktoren. Kernschmelzen sind somit nicht möglich und auch das Risiko von Explosionen ist reduziert und damit die Gefahr von Katastrophen wie in Tschernobyl oder Fukushima. Außerdem fällt so die Notwendigkeit von Wasser zur Kühlung weg. Wasser, was durch die fortschreitende Klimakrise immer mehr zur begrenzten Ressource wird.
Auch für die Energiegewinnung hat Thorium einige Vorteile. Uran-233, das aus Thorium gewonnen wurde, ist ein effizienterer Brennstoff als Uran-235 oder Plutonium. Salzschmelzreaktoren, die Thorium verwenden, lassen den Betrieb bei sehr hohen Temperaturen zu. Dadurch kann Elektrizität effizienter gewonnen werden, sagt etwa der Nuklearingenieur Charles Forsberg vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge in der Zeitschrift Nature.
Und nicht zuletzt wird die Atomkraft immer wieder für die CO2-neutrale Energiegewinnung als unverzichtbar angeführt. Bei der Stromgewinnung entstehen vermeintlich keine CO2-Emissionen. Auch Abfallprodukte – die das große Problem der Endlagerung von Atommüll mit sich bringen – entstehen im Reaktor durch die Nutzung von Thorium weniger. Zudem gilt der Abfall außerdem als weniger waffenfähig als der von gewöhnlichen Kraftwerken. Diese Aussage ist aber unter Forschenden umstritten.
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Contra: Fehlende Infrastruktur und lange Entwicklungszeit
Für die Nuklearbranche sind diese Versprechen zu schön, um wahr zu sein. Doch ganz so einfach ist es nicht und das aus mehreren Gründen. Sollten sich neben China auch andere Länder dafür entscheiden, Thorium-Reaktoren zu entwickeln, stehe alle mehr oder weniger vor dem gleichen Problem: Wo kommt der Brennstoff überhaupt her? „Thorium kann im Prinzip in jedem Reaktorkonzept als Brennstoff eingesetzt werden,“ sagt Englert. „Das einzige Problem ist aber, dass Thorium kein spaltbares Material enthält. Erst muss das Uran-233 aus dem Thorium herausgebrütet werden.“
Erst dieses Uran-233 ist dann spaltbar und kann für die Energiegewinnung verwendet werden. Dafür brauche man irgendeine Art von Starthilfe, typischerweise dienen dazu Plutonium oder angereichertes Uran. Theoretisch kein Problem, doch in der Praxis fehlt derzeit weltweit die Infrastruktur, um Thorium-Brennstoffe aufzubereiten, wie etwa das deutsche Öko-Institut schreibt.
Nicht zuletzt diese fehlende Infrastruktur sorgt dafür, dass es eine lange Zeit braucht, bis Salzschmelzreaktoren und andere Reaktormodelle, in den Betrieb gehen können. Lyndon Edwards, Nuklearingenieur bei der Australischen Organisation für Nuklearwissenschaft, betont in der Zeitschrift Nature, dass es Jahrzehnte dauert, die Technologie zu realisieren. Wie auch die World Nuclear Association schreibt, muss ein Thorium-Brennstoff eine hohes Ausmaß an Tests, Analysen, Lizenzierung und Berechtigungen durchlaufen, bevor er in Betrieb genommen werden kann. Das sei sehr teuer und werde ohne ein klares Geschäftsmodell und Unterstützung der Regierung nicht passieren.
Ungelöste Probleme
Selbst in China könnte es noch eine Weile dauern, bis der Salzschmelzreaktor voll einsatzbereit ist. Laut Nature könnten etwa Pumpen ausfallen, Rohre zerfallen oder Blockaden auftreten. Im Salzschmelzreaktor müssen die Materialien daher sehr belastbar sein, da das Salz gerade bei hohen Temperaturen sehr aggressiv ist – ein Problem, das bisher noch nicht ganz gelöst ist. Wie der Stern schreibt, ist noch unklar, welche Lösung die Forschenden in China gefunden haben, damit das Salz nicht die Anlage zerfrisst. Herausforderungen wie diese zeigen, dass die Erfahrung der Wissenschaft mit den Reaktortypen bisher noch überschaubar bleibt.
Wird in Reaktoren Natrium als Kühlmittel verwendet, wie es etwa Bill Gates in seinen geplanten Mini-Reaktoren tun will, kann es dadurch schnell zu Problemen kommen. Denn Natrium reagiert explosiv mit Wasser und Luft. Bisher hatte jeder der existierenden Versuchsanlagen mit Natriumlecks und in der Folge mit Bränden zu kämpfen, die schwer unter Kontrolle zu bringen sind.
Trotzdem CO2-Emissionen durch Abbau
Auch wenn Atomkraft gerne als CO2-„freie“ Energiequelle bezeichnet wird, entspricht das weder bei Uran noch bei Thorium der Realität. Denn betrachtet man den gesamten Lebenszyklus beider Brennstoffe, entstehen bei deren Abbau, Transport und Einlagerung durchaus CO2-Emissionen. Der Weltklimarat IPCC nennt für Uran etwa Werte zwischen 3,7 und 110 g CO2/kWh und nennt einen Median von 12g pro CO2/kWh.
Laut Reinhard Uhrig von der Umweltorganisation Global 2000 ist dieser Wert aber zu niedrig angesetzt, wie mehrere Studien zeigen würden. Diese lägen eher im Bereich von 88 bis 146 g CO2/kWh. Mangels technischer Umsetzung von Reaktorkonzepten – der Reaktor in China wäre der weltweit erste – ist die CO2-Belastung von Thorium bisher schwer zu bewerten. „Die Emissionen von Erzabbau bis Betrieb werden jedoch in ähnlicher Größenordnung liegen wie die von Uran“, so Uhrig. „Selbst wenn man bei besten Annahmen von geringeren Problemen mit der Atommüll-Endlagerung ausgeht – im Vergleich zu modernen Erneuerbaren wie Wind und Solar kann auch Thorium hier nicht mithalten“, sagt der Kernkraftexperte zu Tech & Nature.
Endlagerung besteht weiterhin
Ein weiteres Problem, das Thorium-Reaktoren eben nicht lösen, ist die Endlagerung. So kommt der deutsche Physiker Christoph Pistner vom deutschen Ökoinstitut, der zu neuen Reaktorkonzepten geforscht hat, zu dem Schluss, dass auch Thorium keine Lösung für die Endlagerung anbietet. Zwar strahlt Thorium durchaus kürzer, „nur“ knapp 300 Jahre, was den Brennstoff in punkto Zeit zu einem geringeren Risiko im Endlager macht.
Doch die in Thorium-Reaktorkonzepten entstehenden Abfälle sind aus einem anderen Grund gefährlich: Sie geben hochenergetische Gammastrahlung ab. Das bedeutet, dass es nötig ist, den Atommüll im Endlager zu kühlen, was erneut geologische und ingenieurstechnische Fragen für die Endlagerung aufwirft. Es existieren zwar Forschungen und Ansätze, den Atommüll als Energiequelle weiterzuverwenden, bisher ist dies jedoch noch nicht in großem Maßstab möglich.
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Fazit
Zusammenfassend lässt sich sagen: Es wird noch eine lange Zeit dauern, bis Thorium-Reaktoren breitflächig eingesetzt werden können. Es fehlen die nötige Infrastruktur, die nötige Erfahrung und oft die nötigen Investitionen. „In vielen Darstellungen ist es häufig so, dass die Befürworter:innen die positiven Punkte aus verschiedenen Konzepten herausnehmen. Oft geht dabei das Gesamtbild verloren“, sagt Englert im Gespräch. Die World Nuclear Association zumindest schreibt, Thorium-Brennstoffe seien eine wichtige und potenziell umsetzbare Technologie, die in künftig einen Beitrag zur Nuklearenergie leisten könnte.
Das Öko-Institut erkennt hingegen keine klaren Vorteile von Thorium in Bezug auf Sicherheit, Abfall und Wirtschaftlichkeit. Derzeit sieht es trotzdem danach aus, dass Länder wie China und Indien weitere große Schritte mit Thorium gehen. Indien hat sich etwa zum Ziel gesetzt, Thorium großflächig für die Energieproduktion zu verwenden. Doch auch hier wird es vor allem eines brauchen: Zeit, Geld und Geduld.
Und die Kosten sind der Punkt, an welchem die Erneuerbaren Energien immer mehr punkten können. So sind laut einem Bericht der Internationalen Agentur für Erneuerbare Energien (Irena) die Kosten für Erneuerbare im Jahr 2020 wieder stark gesunken sind. Damit ist an dieser Stelle das Argument auf der Seite der Erneuerbaren wie Solar- und Windkraft. Doch bisher ist der Bedarf an Energie trotzdem nicht allein durch diese gedeckt. Somit wird am Ende die Geschwindigkeit im Ausbau und der Forschung zu Speichermöglichkeiten über die Zukunft von Thorium in den Ländern entscheiden.
