Das zu über 99% in freier Natur vorkommende Uran-238-Isotop ist nicht in Leichtwasser-Reaktoren spaltbar, allerdings kann der so genannte „schnelle Brüter“ mit diesem Ausgangsmaterial große Energiemengen erzeugen. Auch Uran-238 kann ein freies Neutron aufnehmen, das jedoch im Gegensatz zur Kernspaltung in Leichtwasserreaktoren sehr schnell sein muss. Dazu wird eine bedeutend höhere Konzentration an spaltbarem Material benötigt und es muss auf Wasser als Moderator verzichtet werden, weil dieses auf Neutronen stark bremsend wirkt. Das so entstehende Uran-239 ist sehr instabil und zerfällt unter Umwandlung des Neutrons in ein Proton und unter Abgabe eines Elektrons in Neptunium. Dieses ebenfalls instabile Element mit der Ordnungszahl 93 im Periodensystem der Elemente wandelt sich wiederum in gleicher Weise in Plutonium (Ordnungszahl: 94). Bei den Zerfallsprozessen spricht man vom „Beta-Zerfall“. Ein Neutron wandelt sich in ein Proton um. Bei diesem Vorgang wird ein Elektron sowie ein Elektron-Antineutrino freigesetzt. Die Massenzahl des Atomkerns bleibt dabei also unverändert, jedoch erhöht sich die Kernladungszahl, da ein zusätzliches Proton entstanden ist.
Beim schnellen Brüter wird Natrium (1) als Kühlmittel verwendet, was schnelle Neutronenbewegungen gestattet und zudem die entstehende Wärme besser abführen kann als Wasser. Natrium wird allerdings infolge des Neutronenbeschusses radioaktiv, weshalb die Wärme über mehrere Zwischenwärmetauscher (2) auf sekundäre Natriumkreisläufe und dann erst über den Dampferzeuger (3) in den Wasserkreislauf (4) übertragen wird. Der Wasserdampf treibt schließlich die Turbinen an. Der Reaktor besteht erzeugt durch Kernspaltung (5) die Hitze für den späteren Turbinenantrieb und zudem durch den Brutvorgang (6) neues spaltbares Material. Die Leistung wird mithilfe von Steuerstäben (7) geregelt.
Beim schnellen Brüter finden also zwei wesentliche Prozesse im Reaktor statt: Die Wärmeenergie erzeugende Kernspaltung des Uran-238-Isotopes und das „Erbrüten“ von Plutonium, welches erneut zur Herstellung von Brennelementen eingesetzt werden kann. Allerdings ist Plutonium auch für die militärische Nutzung zum Bau von Nuklearwaffen sehr gefragt. Nicht zuletzt deswegen war die Technologie des schnellen Brüters – insbesondere in den Zeiten des „kalten Krieges“ von großem Misstrauen in der Bevölkerung begleitet.
Wasser kommt also auch nicht als unmittelbares Kühlmittel in Frage, was die Funktion des Moderators in sich vereint. Die für diesen Reaktortyp geeignete Alternative ist flüssiges Natrium, dessen Schmelzpunkt bei 98°C liegt. Das Natrium erreicht jedoch im Reaktor nicht seinen Siedepunkt, wodurch ein vergleichsweise geringer Druck im Kühlkreislauf des schnellen Brüters vorherrscht. Dieser liegt bei rund 10 bar.
Natrium reagiert extrem heftig mit Wasser. Zudem wird das Natrium,welches direkt zur Kühlung den Reaktorkern durchströmt selbst radioaktiv. Das den Reaktorkern umspülende flüssige Natrium direkt in den Dampferzeuger zu führen, wäre also ein extremes Sicherheitsrisiko. Käme es im Dampferzeuger zu einem Leck, würde eine Natrium-Explosion unweigerlich kontaminiertes Material freisetzen. Aus diesem Grunde wird im schnellen Brüter mit einem Sekundär-Kühlkreislauf gearbeitet. Auch in diesem wird flüssiges Natrium verwendet, was jedoch keine Berührung mit radioaktiven Substanzen mehr hat. Käme es im Sekundär-Kühlkreis im Dampferzeuger zu einer Explosion, so würde trotz des materiell großen Schadens keine radioaktive Kontaminierung der Umwelt entstehen.
Der schnelle Brüter ist unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten ein nahezu idealer Reaktortyp, denn er nutzt bis zu 60% des spaltbaren Materials. So gesehen ist dieser Reaktortyp auch umweltfreundlicher, weil erheblich weniger Uranerz benötigt wird, um vergleichbare Leistungen wie bei eine Leichtwasser-Reaktor zu erreichen. Zudem entsteht natürlich äquivalent dazu weniger radioaktiver Abfall.
Das Risiko aber, das die Nähe von großen Mengen hoch erhitztem Natrium und Wasser im Dampferzeuger mit sich bringt, nämlich eine – wenngleich auch „konventionelle“ – aber auch die politische Brisanz, die waffenfähiges Plutonium als „Nebenprodukt“ des schnellen Brüters mit sich bringen, führten zu einer breiten Ablehnung des schnellen Brüters in Deutschland. Vermutlich aus letzteren Gründen ist jedoch diese Reaktorart in Staaten wie China sehr populär.
(rs/01-2016)