Magnox-Reaktor

Schema eines Magnox-Reaktors

Brennstab eines Magnox-Reaktors aus der PIPPA-Designstudie, die zur Entwicklung von Calder Hall beitrug.

Als Magnox-Reaktor (Abkürzung für Magnesium nicht-oxidierend) bezeichnet man eine der ersten kommerziell genutzten Kernreaktorbaureihen der Welt. Sie wurden hauptsächlich in Großbritannien entwickelt, waren dort in Betrieb und sind es zum Teil noch heute.

Magnox-Reaktoren gehören zur Gruppe der gasgekühlten, Graphit-moderierten Kernreaktoren (englisch Gas Cooled Reactor (GCR)).

Aufbau

Das Reaktordesign beruht auf Erfahrungen mit Vorgängerreaktoren, wie z. B. den Windscale Piles oder Forschungsreaktoren in Harwell. Als Moderator wird Graphit, als Kühlmittel das Gas Kohlendioxid (CO₂) verwendet. Die Brennelemente waren mit Natururan in metallischer Form beladen. Den Namen hat der Reaktor vom Hüllrohrmaterial der Brennelemente erhalten: Magnox („magnesium non oxidizing“) ist eine Legierung, die hauptsächlich aus Magnesium sowie Aluminium, Beryllium und Calcium besteht.

Alle Brennelementhüllen besitzen zur Verbesserung des Wärmeüberganges Verrippungen verschiedenster Art. Es wurden sogar rohrförmige Brennelemente entwickelt, welche von innen und außen gekühlt werden (vergleiche Heißdampfreaktor). Die Brennelemente sind in der Regel nicht deutlich länger als 1 m, wobei der Uranstab (auch bezeichnet als englisch pins) bis zu 3 cm dick sein kann.

Der Moderator besteht aus Graphit in Form großer Blöcke, die durch angeformte Nuten und Keile mit relativ großem Spiel verbunden sind. Die Graphitblöcke werden von zylindrischen Kanälen durchzogen, in die die Brennelemente eingebracht werden. Die Brennelemente selbst liegen mit mehreren Führungsleisten, den sogenannten Fins, an der Kanalwand an und werden senkrecht aufeinander gestapelt. Dadurch entstehen sektorförmige Querschnitte, durch die das Kühlgas strömen kann. Weitere Kanäle nehmen die Absorberstäbe für die Reaktorregelung auf.

Der gesamte Reaktorkern ruht mit seinem Gewicht von mehreren hundert Tonnen auf einem geschweißten Stahlrost. Da die Brennelemente während des Reaktorbetriebs mit speziellen Lademaschinen entnommen werden können, kann der Abbrand des Urans gezielt beeinflusst werden, was z. B. bei der Gewinnung waffenfähigen Plutoniums interessant sein kann. Aufgrund des sehr voluminösen Reaktorkerns mussten große Druckbehälter auf den Baustellen geschweißt werden. Später wurden in Frankreich Druckgefäße aus Spannbeton entwickelt.

Kernkraftwerke

Aufgrund der geringen Leistungsdichten arbeiten Magnox-Reaktoren in Kernkraftwerken sehr unwirtschaftlich und sind aus heutiger Sicht veraltet. Die Nachteile wurden seinerzeit in Kauf genommen, da man als Koppelprodukt Plutonium herstellen wollte, sei es zur Schließung des Brennstoffkreislaufs, oder für Kernwaffen. Ähnlich wie auch beim sowjetischen RBMK wurde dies jedoch nie wie geplant umgesetzt, und auch Staaten mit Atomwaffen auf Plutoniumbasis setzen heute nicht mehr auf Dual-Use-Reaktoren, sondern produzieren das waffenfähige Plutonium in eigenen „Forschungsreaktoren“, welche teilweise als „zivil“ getarnt werden, oder offen militärischen Zwecken dienen.

Ehemalige Magnox-Wiederaufarbeitungsanlage 205 in Sellafield. Die 1964 errichtete Anlage war ursprünglich für 25 Jahre ausgelegt und fast 60 Jahre lang in Betrieb. Am 17. Juli 2022 wurde in 205 die letzte Charge Kernbrennstoff aus Magnox-Reaktoren wiederaufgearbeitet. 205 befindet sich nun in der letzten Phase ihres Lebenszyklus, einer mehrjährigen Wasch- und Dekontaminationsphase.

Magnox-Reaktoren im engeren Sinne wurden ausschließlich in Großbritannien gebaut. Sie sind überwiegend in den 1950er und 1960er Jahren ans Netz gegangen. Die Reaktoren in Berkeley, Bradwell, Calder Hall, Chapelcross, Dungeness, Sizewell A, Hunterston, Hinkley Point A, Oldbury, Wylfa und Trawsfynydd wurden alle stillgelegt. Magnox-Brennelemente wurden ab dem Jahr 1964 in der Wiederaufarbeitungsanlage B205 in Sellafield bis in das Jahr 2022 aufgearbeitet. Mit der Stilllegung von Wylfa-1 am 30. Dezember 2015 endete die Ära der Magnox-Reaktoren.

Andere Verwendungen

Das Magnox-Konstruktionsprinzip wurde weiterhin im Kernkraftwerk Latina in Italien und im Kernkraftwerk Tōkai in Japan realisiert, beide Anlagen befinden sich heute nicht mehr im Betrieb. Der Experimental Power Reactor in Nordkorea wurde ohne britische Unterstützung basierend auf den freigegebenen Bauplänen der Magnox-Reaktoren des Kernkraftwerks Calder Hall gebaut. Aufgrund der Tatsache, dass der Magnox-Reaktor schon beim Bau des nordkoreanischen „Nachbaus“ veraltet war, und kaum jemals Elektrizität mit selbigem produziert wurde, ist davon auszugehen, dass er hauptsächlich zum Zwecke der plausiblen Abstreitbarkeit gebaut wurde, und von vornherein vornehmlich oder ausschließlich dem nordkoreanischen Atombombenprojekt diente.

Die neun inzwischen stillgelegten UNGG-Reaktoren in Frankreich und Spanien weisen einen ähnlichen Aufbau wie die Magnox-Reaktoren auf, die Kernbrennstäbe sind dort jedoch mit einer Magnesium-Zirkonium-Legierung statt einer Magnesium-Aluminium-Legierung umhüllt.

Die Weiterentwicklung des GCR war der Advanced Gas Cooled Reactor (AGCR) am Standort Sellafield.

Literatur

• Kenneth Jay: Calder Hall. Methuen & Co, London 1956 (archive.org). 
• Joseph R. Dietrich, Walter H. Zinn: Solid Fuel Reactors (= Addison-Wesley Books in Nuclear Science and Metallurgy). Addison-Wesley, 1958 (englisch). 
• W. Marshall (Hrsg.): Volume 1: Reactor technology (= Nuclear power technology. 1 v. 3). Clarendon Press ; Oxford University Press, Oxford 1983. 
• Pavel V. Tsvetkov: Graphite‐Moderated Fission Reactor Technology. In: Steven B. Krivit, Jay H. Lehr, Thomas B. Kingery (Hrsg.): Nuclear Energy Encyclopedia. 1. Auflage. Wiley, 2011, ISBN 978-0-470-89439-2, S. 187–192, doi:10.1002/9781118043493.ch20 (englisch). 

Siehe auch

• CANDU
• Kerntechnik
• Liste der AGR

Weblinks

Commons: Magnox-Reaktor – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien