Ein Natururanreaktor ist ein Kernreaktor, der mit natürlichem, also nicht angereichertem Uran als Kernbrennstoff arbeitet.
Die ersten experimentellen Versuchsreaktoren aus den 1940er und 1950er Jahren, aber auch einige kommerzielle Leistungsreaktoren, vor allem in Großbritannien, Frankreich, Kanada und Indien, verwendeten Natururan. In Deutschland wurden der Forschungsreaktor 2, das Kernkraftwerk Niederaichbach und der Mehrzweckforschungsreaktor Karlsruhe mit Natururan betrieben. Heute wird natürliches Uran zur Energiegewinnung in 50 Reaktoren vom CANDU-Typ sowie in vier Magnox-Reaktoren eingesetzt.
In natürlichem Uran liegt der Anteil des leicht spaltbaren Uran-Isotops 235U bei etwa 0,7 %. In einem Reaktor mit Natururanbrennstoff lässt sich Kritikalität, also eine selbsterhaltende Kernspaltungs-Kettenreaktion, nicht mit jeder, sondern nur mit bestimmten Moderatorsubstanzen erreichen; mit dem wirtschaftlichsten Moderator und Kühlmittel, gewöhnlichem Wasser (Leichtwasser), gelingt es nicht, weil darin zu viele Neutronen durch Absorption verloren gehen. Alle Natururanreaktoren sind daher entweder Schwerwasserreaktoren oder graphitmoderierte Reaktoren. Als Brennstoff kommt entweder reines Uranmetall (U) oder Urandioxid (UO2) zum Einsatz.[1] Dazu wird das uranhaltige Rohmaterial, der Yellowcake, zum Metall reduziert und dieses zu Brennstäben weiterverarbeitet, welche dann zu Brennelementen zusammengefasst werden.
Die meisten heutigen Kernkraftwerke verwenden angereichertes Uran mit einem 235U-Anteil von 0,7 % bis 2 %, bei einigen Reaktortypen bis zu 20 %. Hochangereichertes Uran (20 % bis 93 % 235U) wird in wenigen Forschungsreaktoren und in Kernwaffen eingesetzt.[2] Zur Anreicherung wird der Yellowcake in das Gas Uranhexafluorid umgewandelt, das dann in Uran-Anreicherungsanlagen nach dem Gasdiffusionsverfahren oder mittels Gaszentrifugen verarbeitet wird.
Im Naturreaktor Oklo und weiteren Uranlagerstätten in Gabun fanden bereits vor etwa zwei Milliarden Jahren kritische Kernspaltungs-Kettenreaktionen mit Natururan statt. Damals lag der Anteil von 235U in natürlichem Uran bei etwa 3 %, so dass die Kritikalität auch bei Moderation mit normalem Wasser zustande kommen konnte.[3]
Die folgenden Kernkraftwerke wurden bzw. werden mit Natururan betrieben. Bei Kernkraftwerken mit mehreren Blöcken wird unter „Betriebsbeginn“ derjenige des ersten Blocks und unter „Betriebsende“ derjenige des letzten Blocks angegeben, unter „Leistung“ diejenige des leistungsstärksten Blocks.
Magnox-Reaktoren (engl. Magnesium Alloy Graphite Moderated Gas Cooled Uranium Oxide Reactor) sind graphit-moderierte Kernreaktoren, die mit Kohlenstoffdioxid (CO2) gekühlt werden. Die Brennelemente bestehen aus Natururan in metallischer Form, das mit einer Magnesium-Aluminium-Legierung umhüllt ist.[4]
Magnox-Reaktoren wurden in Großbritannien entwickelt und gehören zu den ersten kommerziell genutzten Kernreaktoren der Welt. Das Design wurde in 26 britischen Reaktoren sowie in zwei Kernkraftwerken in Italien und Japan verwirklicht. Heute sind noch vier Magnox-Reaktoren im Kernkraftwerk Wylfa und im Kernkraftwerk Oldbury in Betrieb.
Als Nachfolgemodell für den Magnox-Reaktor wurde in Großbritannien in den 1960er Jahren der Advanced Gas-cooled Reactor entwickelt, der jedoch auf etwa 3 % angereichertes Urandioxid als Kernbrennstoff verwendet.
| Name | Land | Leistung | Betriebs- beginn | Betriebs- ende | Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|---|
| Calder Hall 1–4 | Großbritannien | 50 MW | Aug 1956 | Mär 2003 | erstes kommerziell zur Stromerzeugung genutztes Kernkraftwerk, wurde auch zur Erzeugung von Plutonium eingesetzt |
| Chapelcross 1–4 | Großbritannien | 50 MW | Feb 1959 | Jun 2004 | wurde parallel zu Calder Hall gebaut und genutzt |
| Berkeley 1–2 | Großbritannien | 138 MW | Jun 1962 | Mär 1989 | erstes Kernkraftwerk in Großbritannien, das ausschließlich für kommerzielle Zwecke gebaut wurde |
| Bradwell 1–2 | Großbritannien | 123 MW | Jul 1962 | Mär 2002 | |
| Latina | Italien | 153 MW | Mai 1963 | Dez 1987 | wurde im Zug des Atomausstiegs Italiens stillgelegt |
| Hunterston A1–A2 | Großbritannien | 150 MW | Feb 1964 | Mär 1990 | |
| Trawsfynydd 1–2 | Großbritannien | 159 MW | Jan 1965 | Feb 1991 | |
| Hinkley Point A1–A2 | Großbritannien | 235 MW | Feb 1965 | Mai 2000 | |
| Dungeness A1–A2 | Großbritannien | 225 MW | Sep 1965 | Dez 2006 | |
| Tōkai | Japan | 159 MW | Nov 1965 | Mär 1998 | |
| Sizewell A1–A2 | Großbritannien | 210 MW | Jan 1966 | Dez 2006 | |
| Oldbury A1–A2 | Großbritannien | 217 MW | Nov 1967 | ||
| Wylfa 1–2 | Großbritannien | 490 MW | Jan 1971 |
Die UNGG-Reaktoren (französisch Uranium Naturel Graphite Gaz), die in den 1950er und 1960er Jahren in Frankreich entwickelt wurden, waren vom Design her ähnlich aufgebaut wie die Magnox-Reaktoren und wurden mit Graphit moderiert sowie mit Kohlenstoffdioxid gekühlt. Die Brennelemente in UNGG-Reaktoren bestanden ebenfalls aus Natururan, sie wurden hier allerdings mit einer Magnesium-Zirkonium-Legierung umhüllt. UNGG-Reaktoren wurden in acht französischen Kernreaktoren und in dem spanischen Kernkraftwerk Vandellòs eingesetzt, keiner der Reaktoren ist mittlerweile mehr in Betrieb.[5]
Das UNGG-Design wurde in Frankreich durch Druckwasserreaktoren abgelöst, die alle mit angereichertem Uran betrieben werden.
| Name | Land | Leistung | Betriebs- beginn | Betriebs- ende | Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|---|
| Marcoule G1–G3 | Frankreich | 40 MW | Sep 1956 | Jun 1984 | |
| Chinon A1–A3 | Frankreich | 360 MW | Jun 1963 | Jun 1990 | |
| Saint-Laurent A1–A2 | Frankreich | 515 MW | Mär 1969 | Mai 1992 | Störfall (INES 4) |
| Bugey 1 | Frankreich | 540 MW | Apr 1972 | Mai 1994 | |
| Vandellòs 1 | Spanien | 480 MW | Mai 1972 | Jul 1990 | wurde nach einem Feuer im Oktober 1989 permanent abgeschaltet |
→ Siehe auch: Liste der CANDU-Reaktoren
Der CANDU-Reaktor wurde in Kanada entwickelt. CANDU-Reaktoren nutzen schweres Wasser als Moderator und auch (in einem getrennten Kreislauf mit Überdruck) als Kühlmittel. Als Kernbrennstoff kann Natururan oder leicht angereichertes Uran verwendet werden. [6]
Der Reaktortyp wird in vielen Ländern eingesetzt, vor allem in Kanada, aber auch in Argentinien, China, Pakistan, Rumänien und Südkorea. 34 der insgesamt 36 CANDU-Reaktoren sind heute noch in Betrieb.
Der Advanced CANDU Reactor ist eine Weiterentwicklung des CANDU-Designs, der leicht angereichertes Uran verwendet.
| Name | Land | Leistung | Betriebs- beginn | Betriebs- ende | Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|---|
| Rolphton | Kanada | 22 MW | Jun 1962 | Aug 1987 | Prototyp für CANDU-Reaktoren |
| Douglas Point | Kanada | 206 MW | Jan 1967 | Mai 1984 | erstes kommerziell betriebenes Kernkraftwerk Kanadas |
| Pickering 1–8 | Kanada | 516 MW | Apr 1971 | ||
| Gentilly 1–2 | Kanada | 635 MW | Apr 1971 | Block 1 war ein Prototyp für den Siedeschwerwasserreaktor | |
| Rajasthan 1 | Indien | 90 MW | Nov 1972 | ||
| Karatschi | Pakistan | 125 MW | Dez 1972 | ||
| Bruce 1–8 | Kanada | 822 MW | Sep 1976 | ||
| Wolseong 1–4 | Südkorea | 685 MW | Dez 1982 | ||
| Point Lepreau | Kanada | 635 MW | Feb 1983 | ||
| Embalse | Argentinien | 600 MW | Apr 1983 | ||
| Darlington 1–4 | Kanada | 878 MW | Jan 1990 | ||
| Cernavodă 1–2 | Rumänien | 650 MW | Jul 1996 | einziges Kernkraftwerk in Rumänien | |
| Qinshan 3–1,3–2 | China | 650 MW | Nov 2002 |
Die meisten Kernreaktoren in Indien sind Schwerwasser-Druckreaktoren (engl. Pressurized Heavy-Water Reactor), die mit Natururan betrieben werden und auf dem CANDU-Design basieren. Alle 16 Reaktoren sind noch in Betrieb.[7]
Ebenfalls mit Natururan betrieben wurden in Deutschland das Kernkraftwerk Niederaichbach, ein schwerwasser-moderierter Druckröhrenreaktor mit CO2-Gaskühlung, und der Mehrzweckforschungsreaktor Karlsruhe, ein mit schwerem Wasser moderierter und gekühlter Druckkesselreaktor. Beide Anlagen sind mittlerweile stillgelegt.[8] Der Mehrzweckforschungsreaktor diente als Prototyp für das argentinische Kernkraftwerk Atucha 1, das heute noch in Betrieb ist und mittlerweile aus Effizienzgründen leicht (zu 0,85 %) angereichertes Uran verwendet.
Der Reaktor R3 im Kernkraftwerk Ågesta in Schweden war ebenfalls ein Druckkesselreaktor, der als Teil der sogenannten „schwedischen Linie“ entwickelt wurde, die eine internationale Unabhängigkeit durch Verwendung einheimischer, nicht angereicherter Uranbrennelemente zum Ziel hatte (die späteren schwedischen Kernkraftwerke waren jedoch Leichtwasserreaktoren, die mit angereichertem Uran betrieben wurden). Der Reaktor A1 im tschechoslowakischen Kernkraftwerk Bohunice war ein gasgekühlter Prototyp-Druckröhrenreaktor, der gemeinsam mit Russland entwickelt und ebenfalls mit Natururan betrieben wurde. Diese beiden Reaktoren sind ebenfalls mittlerweile stillgelegt.
| Name | Land | Leistung | Betriebs- beginn | Betriebs- ende | Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|---|
| Ågesta | Schweden | 10 MW | Mai 1964 | Jun 1974 | erstes schwedisches Kernkraftwerk |
| MZFR Karlsruhe | Deutschland | 52 MW | Sep 1965 | Mai 1984 | wurde auch als Forschungsreaktor genutzt |
| Bohunice A1 | Tschechoslowakei | 93 MW | Dez 1972 | Mai 1979 | erstes tschechoslowakisches Kernkraftwerk |
| Niederaichbach | Deutschland | 100 MW | Jan 1973 | Jul 1974 | war nur 18 Monate in Betrieb |
| Atucha 1 | Argentinien | 100 MW | Mär 1974 | verwendet heute leicht (zu 0,85 %) angereichertes Uran | |
| Rajasthan 2–6 | Indien | 202 MW | Nov 1980 | ||
| Madras 1–2 | Indien | 202 MW | Jul 1983 | ||
| Narora 1–2 | Indien | 202 MW | Jul 1989 | ||
| Kakrapar 1–2 | Indien | 202 MW | Nov 1992 | ||
| Kaiga 1–4 | Indien | 202 MW | Dez 1999 | ||
| Tarapur 3–4 | Indien | 490 MW | Mär 2000 |
Beispiele für Versuchs- und Forschungsreaktoren, die mit Natururan betrieben wurden bzw. werden, sind:
| Name | Land | Leistung | Betriebs- beginn | Betriebs- ende | Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|---|
| Chicago Pile 1 | USA | 0,5 W | Feb 1942 | Mär 1943 | erster Kernreaktor, in dem eine kontrollierte kritische nukleare Kettenreaktion stattfand[9] |
| Chicago Pile 2 | USA | 2 W | Mär 1943 | 1954 | Der Chicago Pile 1 wurde in den Red Gate Woods (erstes Argonne National Laboratory) als Chicago Pile 2 wieder aufgebaut.[10] |
| F-1 | Russland | 24 W | Dez 1946 | wurde sowohl mit Natururan als auch mit zu 2 % angereichertem Uran betrieben[11] | |
| GLEEP | Großbritannien | 50 W | Aug 1947 | Sep 1990 | erster Kernreaktor in Westeuropa[12] |
| BR-1 | Belgien | 4 MW | Mai 1956 | [13] | |
| Marius | Frankreich | 400 W | 1960 | Apr 1983 | [14] |
| BEPO | Großbritannien | 6,5 MW | 1962 | 1968 | [15] |
| Cesar | Frankreich | 10 W | Dez 1964 | Aug 1977 | [14] |
| Name | Land | Leistung | Betriebs- beginn | Betriebs- ende | Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|---|
| Chicago Pile 3 | USA | 300 W | Mai 1944 | 1954 | erster Schwerwasserreaktor |
| Haigerloch | Deutschland | – | (Mär 1945) | (Apr 1945) | erreichte keine Kritikalität[16] |
| ZEEP | Kanada | 10 W | Sep 1945 | Okt 1970 | erster funktionsfähiger Kernreaktor außerhalb der Vereinigten Staaten[17] |
| NRX | Kanada | 25 MW | Jul 1947 | Mär 1993 | einige Jahre lang der leistungsstärkste Kernreaktor der Welt[18] |
| Zoé | Frankreich | 0,1 MW | Dez 1948 | 1974 | [19] |
| EL-2 | Frankreich | 2 MW | 1952 | 1965 | [19] |
| R1 | Schweden | 0,6 MW | Jul 1954 | 1970 | [20] |
| Aquilon | Frankreich | 18 MW | 1956 | ? | [19] |
| NRU | Kanada | 200 MW | Nov 1957 | wurde 1964 auf hoch angereichertes und 1991 auf schwach angereichertes Uran umgestellt[21] | |
| RB | Serbien | 0 W | Apr 1958 | wurde später auf hochangereichertes Uran umgestellt | |
| CIRUS | Indien | 40 MW | Jul 1960 | [7] | |
| ZED-2 | Kanada | 200 W | Sep 1960 | [22] | |
| Diorit | Schweiz | 30 MW | Okt 1960 | 1977 | [23] |
| FR 2 | Deutschland | 12 MW | Mär 1961 | Dez 1981 | erster Kernreaktor in Deutschland, der nach eigenem Konzept gebaut wurde; wurde 1966 auf schwach angereichertes Uran umgestellt[24] |
| JRR-3 | Japan | 10 MW | 1962 | 1983 | [25] |
| ESSOR | Europäische Union | 43 MW | Mär 1967 | Jun 1983 | Standort war Ispra, Italien |
| TRR | Taiwan | 40 MW | Jan 1973 | 1988 | [26] |
| Dhruva | Indien | 100 MW | Aug 1985 | [7] |
Alle heutigen Atommächte (USA, Russland, Großbritannien, Frankreich und die Volksrepublik China, ferner Indien, Pakistan, Israel und Nordkorea) verwendeten zunächst Natururanreaktoren zur Produktion von waffenfähigem Plutonium. Die Infrastruktur zur Herstellung von Kernwaffen wurde dabei in teils großangelegten Atomprogrammen geschaffen (siehe z.B. Manhattan-Projekt, Force de frappe, Sowjetisches Atombombenprojekt, Chinas erste Forschungsstation für Atomwaffen und Nordkoreanisches Kernwaffenprogramm). Die ersten dieser Reaktoren aus den 1940er und 1950er Jahren sind mittlerweile stillgelegt.
In den folgenden militärischen kerntechnischen Anlagen wurden Natururanreaktoren zur Herstellung von Plutonium eingesetzt.
| Name | Land | Anzahl Reaktoren | Gesamt- leistung | Betriebs- beginn | Betriebs- ende | Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Hanford Site | USA | 3 | 750 MW | Jun 1943 | Jun 1965 | Das produzierte Plutonium wurde für die Atombombe Fat Man verwendet, die am 9. August 1945 über der japanischen Stadt Nagasaki abgeworfen wurde.[27] |
| Majak | Russland | 7 | 63 MW | Jun 1948 | 1990 | Am 29. September 1957 ereignete sich dort einer der drei bisher schwersten Nuklearunfälle der Geschichte. |
| Sellafield | Großbritannien | 2 | 360 MW | Okt 1950 | Okt 1957 | Die Reaktoren Pile Nr. 1 und Pile Nr. 2 wurden nach dem Windscale-Brand im Oktober 1957 stillgelegt. |
| Tomsk | Russland | 5 | 45 MW | 1955 | Jun 2008 | Einer der drei Reaktoren (ADE-5) diente auch zur Strom- und Fernwärmeversorgung. |
| Marcoule | Frankreich | 3 | 80 MW | Sep 1956 | Jun 1984 | Die drei Reaktoren G1 bis G3 (s.o.) dienten auch der Stromversorgung.[28] |
| Schelesnogorsk | Russland | 3 | 27 MW | Aug 1958 | Apr 2010 | Einer der drei Reaktoren (ADE-2) diente auch zur Strom- und Fernwärmeversorgung. |
| Bhabha | Indien | 2 | 140 MW | Jul 1960 | Die beiden Reaktoren CIRUS und Dhruva (s.o.) sind offiziell als Forschungsreaktoren deklariert. | |
| Dimona | Israel | 1 | 24 MW | 1964 | Wurde mit französischer Hilfe baugleich zum Reaktor G1 errichtet. Die israelische Regierung hat bislang weder bestätigt noch dementiert, dass es sich dabei um eine militärische Anlage zur Herstellung von Plutonium handelt.[29] | |
| Jiuquan | China | 1 | 250 MW | Okt 1966 | Der Reaktor wurde mit sowjetischer Hilfe errichtet.[30] | |
| Nyŏngbyŏn | Nordkorea | 1 | 25 MW | Aug 1985 | Feb 2007 | Der Experimental Power Reactor wurde ohne britische Unterstützung basierend auf den freigegebenen Bauplänen der Magnox-Reaktoren des Kernkraftwerks Calder Hall gebaut, er wurde auch zur Stromerzeugung (etwa 5 MWe) eingesetzt.[31] |
| Khushab | Pakistan | 1 | 50 MW | Apr 1998 | Der Reaktor wurde unabhängig entwickelt, Saudi-Arabien finanzierte das Vorhaben mit (siehe Atomprogramm Saudi-Arabiens).[32] |
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