Wie Schwerwasserreaktoren funktionieren – und warum sie wichtig sind

Eine schwerere Art von Wasser

In den meisten Kernkraftwerken leistet normales Wasser doppelte Arbeit: Es kühlt den Reaktorkern und verlangsamt – oder „moderiert“ – die Neutronen, die die Kettenreaktion aufrechterhalten. Aber eine kleinere, strategisch bedeutsame Klasse von Reaktoren setzt auf etwas anderes: Schwerwasser, ein Molekül, in dem beide Wasserstoffatome durch Deuterium ersetzt sind, ein schwereres Wasserstoffisotop, das ein zusätzliches Neutron trägt. Chemisch als D₂O geschrieben, sieht Schwerwasser dem normalen Wasser sehr ähnlich und verhält sich auch so, ist aber etwa 10 Prozent dichter – und für Nuklearingenieure weitaus nützlicher.

Warum Deuterium alles verändert

Die Physik lässt sich auf eine einzige Eigenschaft reduzieren: Neutronenabsorption. Wenn Uranatome sich spalten, setzen sie schnelle Neutronen frei, die verlangsamt werden müssen, bevor sie weitere Spaltungen auslösen können. Normales („leichtes“) Wasser ist ein guter Moderator, absorbiert aber auch einen erheblichen Teil dieser Neutronen und verschwendet sie. Deuterium verlangsamt Neutronen genauso effektiv, absorbiert aber weitaus weniger. Diese überlegene „Neutronenökonomie“ bedeutet, dass Schwerwasserreaktoren eine Kettenreaktion mit Natururan aufrechterhalten können – dem Erz, wie es aus dem Boden kommt, mit nur 0,7 Prozent spaltbarem Uran-235 – anstelle des angereicherten Brennstoffs, den Leichtwasserreaktoren benötigen.

Dieser Kompromiss ist das bestimmende Merkmal der Technologie. Schwerwasser ist teuer und schwierig herzustellen und wird typischerweise durch energieintensive Destillation oder Elektrolyse von normalem Wasser getrennt. Diese Kosten werden jedoch dadurch ausgeglichen, dass keine Urananreicherungs-Infrastruktur benötigt wird, die selbst technisch anspruchsvoll und streng kontrolliert ist.

CANDU: Das Arbeitspferd-Design

Der erfolgreichste Schwerwasserreaktor ist Kanadas CANDU (Canada Deuterium Uranium), der in den 1950er Jahren entwickelt wurde und heute in sieben Ländern betrieben wird, darunter Argentinien, Südkorea, Rumänien, China und Indien. CANDU-Reaktoren verwenden druckbeaufschlagtes Schwerwasser sowohl als Moderator als auch als Kühlmittel und leiten es durch Hunderte von horizontalen Druckröhren, die jeweils ein Bündel Natururanbrennstoff enthalten.

Ein besonderer Vorteil ist die Online-Betankung: CANDU-Betreiber können verbrauchte Brennelementbündel gegen frische austauschen, ohne den Reaktor abschalten zu müssen, was die Verfügbarkeit erhöht. Das Design akzeptiert auch eine Vielzahl von Brennstofftypen, darunter recyceltes Uran aus anderen Reaktoren und thoriumbasierte Brennstoffe – ein Bereich aktiver Forschung in Indien, das die weltweit größte Flotte einheimischer Schwerwasserreaktoren betreibt.

Der Proliferationsschatten

Die gleiche Neutroneneffizienz, die Schwerwasserreaktoren brennstoffflexibel macht, birgt auch ein Waffenrisiko. Wenn Natururan Neutronen im Reaktor absorbiert, wandelt sich ein Teil davon in Plutonium-239 um – ein spaltbares Material, das für Atomwaffen geeignet ist. Wenn Brennstoff frühzeitig entnommen und wiederaufbereitet wird, kann waffenfähiges Plutonium extrahiert werden. Indien demonstrierte dies auf drastische Weise im Jahr 1974, als es eine Atomvorrichtung mit Plutonium zündete, das in einem von Kanada gelieferten Forschungsreaktor hergestellt wurde, der mit von den Vereinigten Staaten geliefertem Schwerwasser moderiert wurde.

Diese Geschichte ist der Grund, warum die Internationale Atomenergie-Organisation (IAEA) strenge Sicherheitsvorkehrungen für Schwerwassertransfers und Produktionstechnologie anwendet. Der Schwerwasserkomplex Arak im Iran beispielsweise wurde zu einem Brennpunkt des Atomabkommens von 2015, gerade weil sein geplanter 40-Megawatt-Forschungsreaktor genug Plutonium für etwa eine Waffe pro Jahr hätte produzieren können. Im Rahmen der Vereinbarung erklärte sich der Iran bereit, den Reaktorkern neu zu konstruieren und den ursprünglichen mit Beton zu füllen.

Eine Ursprungsgeschichte aus dem Zweiten Weltkrieg

Die strategische Bedeutung von Schwerwasser wurde lange vor dem ersten Leistungsreaktor erkannt. Während des Zweiten Weltkriegs verfolgte Nazi-Deutschland Schwerwasser als Moderator für sein eigenes Atomprogramm und bezog es aus dem Norsk Hydro-Werk in Vemork im besetzten Norwegen – damals dem weltweit einzigen industriellen Hersteller. Im Februar 1943 infiltrierten neun norwegische Kommandos das Werk in der Operation Gunnerside und zerstörten die Schwerwasserproduktionsanlagen und über 100 Gallonen des angesammelten Produkts. Eine Folgesabotage im Jahr 1944 versenkte eine Fähre, die Deutschlands restliche Bestände transportierte. Historiker schreiben den Überfällen zu, die deutschen Bombenbemühungen erheblich verzögert zu haben.

Auch heute noch relevant

Schwerwasserreaktoren machen einen kleinen Teil der globalen Nuklearflotte aus – etwa 50 der weltweit rund 440 in Betrieb befindlichen Leistungsreaktoren. Dennoch sind sie strategisch wichtig. Ihre Fähigkeit, mit Natururan zu laufen, ist für Länder ohne Anreicherungskapazitäten attraktiv. Ihre flexiblen Brennstoffkreisläufe unterstützen die Forschung an Brennstoffen der nächsten Generation. Und ihre Verbindung zur Plutoniumproduktion hält sie im Zentrum der Nichtverbreitungsdiplomatie, vom Iran bis nach Südasien.

Zu verstehen, wie Schwerwasserreaktoren funktionieren, ist unerlässlich, um zu begreifen, warum bestimmte Nuklearanlagen so viel internationale Aufmerksamkeit auf sich ziehen – und warum ein Molekül, das nur 10 Prozent schwerer ist als normales Wasser, das Gleichgewicht der globalen Sicherheit verschieben kann.