Beim Dual-Fluid-Reaktor handelt es sich um ein Reaktordesign, das bestimmte Designaspekte von Salzschmelzereaktoren und bleigekühlten Reaktoren miteinander verbindet. Anders als bei herkömmlichen Leichtwasserreaktoren liegt der Brennstoff beim Dual-Fluid-Reaktor nicht in fester, sondern in flüssiger Form vor. Nachdem ursprünglich eine Salzschmelze als Flüssigbrennstoff vorgesehen war, soll der Reaktor nach aktuellem Stand des Konzepts mit einer Metallschmelze als Brennstoff betrieben werden, die spaltbares Material wie Uran oder Thorium enthalten soll.  

Wie funktioniert der Dual-Fluid-Reaktor?

Ein Dual-Fluid-Reaktor besteht im Wesentlichen aus drei Kreisläufen, dem Primär-, Sekundär- und Tertiärkreislauf. In den drei Kreisläufen fließt jeweils eine Flüssigkeit (bzw. ein Gas) mit unterschiedlicher Temperatur. Die Kreisläufe sind über sogenannte Wärmetauscher aneinander gekoppelt, in welchen die Wärme von einem Kreislauf auf den nächsten übertragen wird.

Die Kernspaltung findet ausschließlich im Primärkreislauf statt, in dem sich der Flüssigbrennstoff befindet. Mit der Zeit würden sich immer mehr Spaltprodukte im Primärkreis ansammeln und die Kernspaltung hemmen. Gleichzeitig würde sich der Brennstoffanteil stetig verringern. Um dies zu verhindern müssen die Spaltprodukte fortlaufend oder sehr regelmäßig aus dem Brennstoffkreislauf entfernt werden. Außerdem muss dem Kreislauf neuer Brennstoff hinzugefügt werden. Für diese beiden Aufgaben ist eine integrierte Wiederaufbereitungsanlage vorgesehen. Diese soll während des laufenden Betriebs des Reaktors einen Teil des flüssigen Inhalts des Primärkreises entfernen. In der Wiederaufbereitungsanlage sollen dann mithilfe chemischer Verfahren die Spaltprodukte vom Brennstoff getrennt werden.

Eine ebenfalls konzipierte, kleinere Version des Reaktors sieht einen Betrieb ohne fortlaufende Wiederaufarbeitung vor, bei welchem der Brennstoff nach einem vordefinierten Zeitraum vollständig ausgewechselt würde.

Was sind die Vor- und Nachteile von Dual-Fluid-Reaktoren?

Leichtwasserreaktoren, wie Sie bislang in Deutschland eingesetzt wurden, erhitzen Wasser auf je nach Reaktortyp 290 - 320 °C. Der Dual-Fluid-Reaktor soll bei deutlich höheren Temperaturen arbeiten. Vorgesehen ist eine Kernbrennstoff-Temperatur im Primärkreis von bis zu 1000 °C. Durch diese Temperaturanhebung würde sich der Wirkungsgrad der Stromerzeugung verbessern, also das Verhältnis von erzeugtem Strom und Wärmemenge. Damit wäre zur Erzeugung einer bestimmten Menge Strom weniger Brennstoff nötig, außerdem würde je erzeugter Menge Strom somit weniger hochradioaktiver Abfall anfallen.

Der Dual-Fluid-Reaktor soll über ein wesentliches konstruktionsbedingtes Sicherheitsmerkmal verfügen, das ihn von bestehenden Atomkraftwerken unterscheidet. Im Falle einer Störung des Dual-Fluid-Reaktors würde der Brennstoff passiv (das heißt ohne Eingriff von außen und ohne die Unterstützung von Maschinen) in dafür vorgesehene Tanks abfließen. Die Tanks sollen so ausgelegt sein, dass es in ihnen zu keiner Kettenreaktion kommen kann.

Da der Dual-Fluid-Reaktor mit deutlich höheren Temperaturen arbeitet als bisherige Reaktoren, ergeben sich daraus auch zusätzliche Anforderungen an die verwendeten Werkstoffe. Es müssen Materialien gefunden werden, die sowohl den hohen Temperaturen als auch den starken Neutronenflüssen dauerhaft standhalten können. Die Anforderungen an die Druckfestigkeit sind dagegen verringert, da Primär- und Sekundärkreis (wie bei anderen metallgekühlten Reaktoren) ohne Überdruck ausgeführt werden können.

Ein weiterer Nachteil besteht in der Notwendigkeit einer Wiederaufarbeitungsanlage, um dem Kreislauf neuen Brennstoff zuzuführen. Bei der Wiederaufarbeitung des Brennstoffs entstehen radioaktive Abfälle, die zwischengelagert und schlussendlich endgelagert werden müssen.

Entwicklungsstand von Dual-Fluid-Reaktoren

Derzeit befasst sich ein deutsch-kanadisches Unternehmen mit der Entwicklung. Bisher existiert der Dual-Fluid-Reaktor nur als ein frühes Konzept, ein Dual-Fluid-Reaktor-Kraftwerk oder Prototypen gibt es noch nicht. Einzelne Aspekte wurden im Rahmen von Voruntersuchungen betrachtet, beispielsweise Teile der Reaktorphysik oder die Chemie der Wiederaufbereitungsanlage.

Für andere Aspekte, beispielsweise zur Reaktorsicherheit und zu Schutzsystemen, liegen noch keine Informationen zu vertieften Untersuchungen öffentlich vor. Auch erscheint die Realisierbarkeit einer Metallschmelze als Brennstoff aufgrund der extrem hohen Schmelzpunkte der Actinoide und fehlender Erfahrungswerte als offene Fragestellung.

Verglichen mit anderen alternativen Reaktorkonzepten befindet sich der Dual-Fluid-Reaktor in einem sehr frühen Entwicklungsstudium. Seitens der Entwickler wurde in 2025 ein Zeitplan für die Entwicklung vorgelegt, laut dem bis Ende der 2020er Jahre ein Prototyp in Betrieb sein soll und ab Anfang/Mitte der 2030er Jahre von der Aufnahme einer Serienproduktion ausgegangen wird. Aufgrund der begrenzten Datenlage zum Konzept ist eine abschließende Bewertung dieser Prognose nicht möglich.