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Aktion für vernünftige Energiepolitik Schweiz (AVES)

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BULLETIN   Nr. 52                                                                             November 2005

 

 

Atomantriebe:  Utopien und Realitäten

 

Während Atomenergie heute bei vielen Menschen masslos übertriebene Ängste bewirkt, wurden in den fünfziger Jahren des letzten Jahrhunderts ebenso übertriebene Erwartungen in die Atomenergie gesetzt. Es war eine weitverbreitete Meinung, dass in unmittelbarer Zukunft nicht nur Schiffe, sondern auch Lokomotiven, Flugzeuge, Raketen und sogar Autos mit „Atomantrieb“ versehen werden könnten.

Zukunftsprognosen haben oft die unangenehme Eigenschaft, dass sie sich als falsch erweisen. Viele technische Fortschritte entwickeln sich genau so wie vorausgesagt, aber manche kommen erst viel später und wieder andere bleiben vielleicht für immer Phantasie. Andererseits gibt es in der Wissenschaft und in der Technik immer wieder überraschende Entwicklungen, die von niemandem vorausgesehen wurden.

 

Atomkraftwerke
Kraftwerke, die mit Hilfe von „Atomenergie“ elektrischen Strom produzieren, wurden erstaunlich schnell Realität. Am 2. Dezember 1942 wurde im „Chicago-Pile 1“ zum erstenmal „Atomenergie“ freigesetzt (s. Bulletin Nr. 46). Nur 10 Jahre später lieferte bereits das erste richtige Kernkraftwerk in Obninsk bei Moskau 5 Megawatt elektrische Leistung. 1956 ging in Grossbritannien das Kraftwerk „Calder Hall“ als erstes  kommerzielles Kernkraftwerk in Betrieb. Es lieferte 50 Megawatt elektrische Leistung. Ein Jahr später wurde in den USA das Kernkraftwerk „Shippingport“ in Betrieb gesetzt, das 60 MW elektrische Leistung lieferte.  Das erste Kernkraftwerk in Deutschland nahm 1961 in Kahl am Main mit 15 MW elektrischer Leistung den Betrieb auf. In der Schweiz wurde 1969 das erste Kernkraftwerk, Beznau I (350 MW elektrische Leistung), in Betrieb genommen. 1971 folgten Beznau II (350 MW), 1972 Mühleberg (320 MW), 1979 Gösgen (920 MW) und 1984 Leibstadt (990 MW)[1]. Weltweit sind heute über 440 Kernkraftwerke in Betrieb.
 
Atomautos

1955, also vor genau 50 Jahren, erschien in der November-Ausgabe der Zeitschrift „hobby“ [2] ein Artikel von Ernst Behrendt mit dem Titel „So leben wir 1975“. Darin wurden unter anderem die Verkehrsmittel der Zukunft beschrieben:

Darüber, wie die Verkehrsmittel der Zukunft angetrieben werden, scheinen sich die Konstrukteure der Gegenwart einig zu sein. Der Benzin-Kolben-Motor, ist soweit man erkennen kann, fast verschwunden. Sicher gibt es noch irgendwo in einer verschlafenen Provinz ein paar Dieselmotoren, aber in der grossen Welt hat sich der Turbinenantrieb längst durchgesetzt. Da die Atomkraft bereits seit geraumer Zeit zur Elektrizitätserzeugung gebändigt ist, wird man sie wohl auch zum Antrieb von Autos benutzen können.

[...]

Zumindest über die äussere Form des Atomautos werden uns genaue Einzelheiten mitgeteilt. Bei einem besonders schnittigen Modell 1975 handelt es sich um einen eleganten Zweisitzer mit Heck-Atomantrieb; die Sitze befinden sich dicht hinter den Vorderrädern, und eine Kühlerhaube gibt es nicht mehr, so dass der Fahrer nahezu unbeschränkte Sicht hat.

Abbildung 1:   Zukunftsvision eines Atomautos für das Jahr 1975
(„hobby“, November 1955)

[...]

Das Wesentliche bei einem Atomauto ist jedoch nicht das Aussehen. Das Wesentliche ist der Antrieb. Alle Probleme, die einer Verwendung von Atomkraft für kleinere Fahrzeuge  heute noch im Wege stehen, hofft man bis 1975 zu überwinden. Erstens wird es möglich sein, eine kleine, kompakte Atomanlage zu bauen, die nicht, wie man annehmen möchte, im Wagen, sondern unter dem Wagen installiert werden kann. Zweitens wird es hoffentlich möglich sein, die Atomanlage so abzuschirmen, dass Menschen nicht gefährdet werden, dabei aber den Schutzmantel verhältnismässig leicht zu gestalten. Die Umwandlung von Kernenergie in elek­trische Energie findet möglicherweise direkt statt, und nicht über den energiewirtschaftlich kostspieligen und umständlichen Umweg Wärme – Wasser – Dampfturbinen – Strom. Vielmehr wird die aus Kernenergie erzeugte elektrische Energie direkt dazu benützt, die verschiedenen, an den einzelnen Achsen angebrachten elektrischen Motoren zu treiben.

Heute, sogar 50 statt nur 20 Jahre nach diesen Prognosen, gibt es noch immer keine „Atomautos“, und die Möglichkeit eines Atomantriebs für Strassenfahrzeuge wird – auch für die ferne Zukunft – nicht einmal mehr in Betracht gezogen.

Die „Probleme, die einer Verwendung von Atomkraft für kleinere Fahrzeuge heute noch im Wege stehen“ sind eben nicht einfach nur technische Probleme, sondern beruhen auf physikalischen Gesetzmässigkeiten. Nach heutigem Wissen sind sowohl Fissions[3]- als auch Fusions[4]-Reaktoren nicht unter bestimmten Mindestgrössen funktionsfähig. Diese Grössen liegen aber weit über dem, was sich in einem Strassenfahrzeug normaler Dimensionen realisieren lässt. Auch für die Abschirmung der Strahlung eines Kernreaktors gelten physikalische Gesetze, die von keinem neuen, noch unbekannten Material umgangen werden könnten. Es wird kein „Plastik“ geben, das eine gleiche Abschirmwirkung hat, wie eine zehn- oder gar hundertmal dickere und schwerere Blei- oder Betonabschirmung.

Der Einsatz von „Atommotoren“ wurde sehr viel realistischer beurteilt in dem 1956 erstmals erschienen Buch „Gigant Atom“ [5]:

Das Prinzip des Atommotors ist vorläufig das gleiche wie das der Kraftwerke: Die durch Kernspaltung erzeugte Wärme wird auf dem Umweg über Turbinen in Antriebsenergie umgewandelt.

So leicht auch das Prinzip erklärt ist, seine praktische Nutzbarmachung stösst auf sehr viele Schwierigkeiten. Eines der Probleme besteht darin, dass man vorerst solche Motoren nicht so klein bauen kann, wie es für manche Aufgabe wünschenswert wäre. Jeder Kernreaktor muss eine bestimmte Mindestgrösse haben, wenn eine sich selbst unterhaltende Kettenreaktion mit genügender Wärmeentwicklung zustande kommen soll. Die Grösse der Atommotoren erfordert daher Verkehrsmittel von enormem Umfang. Folglich lässt sich nach den bisherigen Erfahrungen und nach dem augenblicklichen Stand der Technik der Atommotor für kleine Verkehrsmittel (zum Beispiel Autos, Eisenbahnen normalen Formats, kleine Schiffe usw.) nicht verwenden. Aber es darf dabei nicht vergessen werden, dass wir hier erst am Anfang einer Entwicklung stehen, die uns täglich neue Überraschungen und Lösungen bringen kann.

Es gibt aber noch einen anderen Grund, der bisher nur Atommotoren grosser Dimensionen gestattet. Genauso wie bei den Reaktoren in den Laboratorien und Kraftwerken, braucht man natürlich auch für die Reaktoren der Atommotoren einen entsprechend umfangreichen und schweren Strahlungsschutz. Man rechnet zur Zeit mit einem Gewicht  der Abschirmung von 100 Tonnen je Kubikmeter Reaktorinhalt.

Selbst wenn diese Probleme lösbar wären, ist aber aus heutiger Sicht ein Strassenfahrzeug mit einem Kernreaktor völlig undenkbar. Durch keinerlei technische Sicherheitseinrichtungen liesse sich die Furcht überwinden, dass es bei einem Verkehrsunfall zu einer katastrophalen Freisetzung von Radioaktivität kommen könnte.

Falls nicht doch eines Tages eine ganz neue Methode entdeckt wird, mit welcher Kernenergie – zum Beispiel durch Fusion – in einem kleinen kompakten Gerät genutzt werden kann, ohne dabei starke Strahlung und radioaktive Abfälle zu produzieren, wird das Atomauto wohl für immer eine Utopie bleiben.

 

Atomlokomotiven

Im oben zitierten Abschnitt aus dem Buch „Gigant Atom“ wird erklärt, dass sich „Atommotoren“ wegen ihrer Grösse nicht für kleine Verkehrsmittel verwenden lassen. Als Beispiel werden unter anderen Eisenbahnen normalen Formats genannt. Der Atomantrieb wird dagegen für neue Grossraumbahnen in Betracht gezogen:

Zu Lande wird das Schwergewicht in nächster Zukunft bei der Weiterentwicklung der Eisenbahn liegen. Sowohl aus wirtschaftlichen als auch aus technischen Gründen kann es sich kaum darum handeln, für die bereits bestehenden Linien und vorhandenen Dimensionen des rollenden Materials den Atomantrieb einzuführen, sondern darum, neue, grössere Bahnen zu entwickeln, die auf eigenen Linien verkehren.

[...]

Der Grossraumverkehr mit Atomlokomotiven wird sich daher auf transkontinentalen Fern­linien abspielen, für die in den bereits vorliegenden Projekten eine Spurweite von 4,5 Metern als wahrscheinlich am günstigsten errechnet wurde – also rund das Dreifache unserer Normalspur.

1957 erschien in der Juni-Ausgabe der Zeitschrift „hobby“ ein Artikel von Gerhard Walter unter dem Titel „Superzüge rasen durch die Taiga“, in dem ein solches Projekt beschrieben wurde.

Abbildung 2:   Superzug mit Atomlokomotive, Spurweite 4.5 m
(„hobby“, Juni 1957)

Diese Superzüge sollten mit einer (für damalige Verhältnisse sensationellen) Geschwindigkeit von 200 km/h fahren und Güterwagen mit einer Nutzlast von 1600 Tonnen befördern. Die Personenwagen sollten Einrichtungen haben,

„...wie sie heute nur auf Schiffen möglich ist: also zahlreiche in einem mehrstöckigen Aufbau untergebrachte Einzelabteile, geräumige Aufenthaltsräume, Kinos, Bäder usw.“

Vermutlich hauptsächlich aus wirtschaftlichen Gründen ist es bis heute nie zum Bau einer derartigen Bahn gekommen.

In den westlichen Ländern ist heute eine Atomlokomotive aus den gleichen Gründen undenkbar, aus denen Atomautos inakzeptabel erscheinen. Jedoch bereits im Juliheft 1954 stellte „hobby“ ein amerikanisches Projekt einer Atomlokomotive für Normalspur vor. Die X-12 mit einem Gewicht von 360 Tonnen und einer Länge von 49 Meter sollte eine Leistung von 7000 PS (5.15 MW) erbringen. Die Probleme der Abschirmung und der Sicherheit wurden folgendermassen erläutert:

Wie aber lässt sich die starke Radioaktivität des Aggregats dieser Zugmaschine so gut abschirmen, dass das Zugspersonal und die Passagiere – und auch die Reisenden, die auf den Bahnsteigen warten – nicht gefährdet werden?

Daran scheiterten bisher alle Projekte, die sich mit der Konstruktion von Atomlokomotiven befasst hatten. Schon im Jahr 1950 veröffentlichte eine Arbeitsgemeinschaft der Universität Princeton einen Studienbericht, in dem es hiess, die Abschirmung dieser tödlichen Strahlen würde mindestens 100 t an Material erfordern, was nach ihrer Ansicht bei den räumlichen Begrenzungen einer Lokomotive praktisch undurchführbar war.

Und nun ist es beim Entwurf der X-12 gelungen, 200 Tonnen Abschirmmaterial, also genau das Doppelte, in den engen Bauch der Lok zu zaubern! Das ist nur möglich, weil man recht ausgefallene Ausrüstungselemente wie z.B. den sogenannten ‚Dachshund’-Generator mit 2,5 m langen Rotoren vorsieht, die sich in Kammern von nur 60 cm Breite unterbringen lassen.

Dadurch kann der Reaktor in einem massiven Abschirmblock ruhen, der 1,20 m stark ist und im ganzen 3 x 4,5 x 4,5 m misst. Er wird aus verschiedenen Metallschichten bestehen, die die Gammastrahlen in Schach halten, sowie aus einem neutronenhemmenden wasserstoffhaltigen Material – Wasser, Paraffin oder Kunststoff.

Und welche Sicherheitsvorkehrungen lassen sich treffen, damit bei einem Zugsunglück nicht die radioaktiven Materialien ausfliessen oder blossgelegt werden? Zunächst werden die übereinanderliegenden Materialschichten der starken Abschirmvorrichtung dafür sorgen, dass bei einem Zusammenstoss die Trümmer der Lokomotive nicht von der radioaktiven Flüssigkeit bespritzt werden; sollten selbst einige Schichten der Abschirmung Schaden erleiden, so würden bestimmt andere intakt bleiben. Sodann würde ein Aufprall den Reaktor automatisch abschalten. Die Steuerstäbe sind in einem Winkel von 60° montiert, und jede Befestigungsstelle ist mit einem Abscherbolzen oder einem schwachen Glied ausgestattet. Bei einem Aufprall, der über ein Fünftel der normalen Schwerkraft hinausgeht, brechen die Bolzen, und die Schwerkraft besorgt den Rest. Aus der zurückgezogenen Lage fallen die Steuerstäbe in das Zentrum des Reaktors zurück und stoppen die Kettenreaktion.

 

Atomflugzeuge

Ebenfalls vor 50 Jahren erschien in der Juni-Ausgabe der Zeitschrift „hobby“ ein Artikel von Kenneth W. Gatland mit dem Titel „Atom-Flugzeug keine Utopie mehr“. In diesem Artikel wurden die technischen Schwierigkeiten, die bei der Verwirklichung eines mit Atomenergie angetriebenen Flugzeuges zu überwinden wären, durchaus realistisch beschrieben.

Abbildung 3:   Titelbild von „hobby“, Juni 1955

Gewaltige Schwierigkeiten sind noch zu überwinden – das steht ausser Zweifel. Doch die Grundlagenforschung ist heute so weit fortgeschritten, dass mit den Planungsarbeiten für ein atomgetriebenes Flugzeug begonnen werden kann.

[...]

Angesichts der Tatsache, dass das Projekt von militärischen Stellen gefördert wird, die Langstreckenflugzeuge mit hoher Geschwindigkeit benötigen, werden die Motoren wahrscheinlich als Turbo-Luftstrahltriebwerke ausgebildet. Es erscheint jedoch nicht ausgeschlossen, dass die ersten Atomflugzeuge oder wenigstens die ersten Versuchsmodelle mit Propeller-Turbo-Luftstrahltriebwerken ausgerüstet werden, die leichter zu konstruieren und möglicherweise von Dampfturbinen angetrieben sind, die ihrerseits durch Brennerwärme gespeist werden.

Gewiss ist jedenfalls, dass das Atomflugzeug sehr schwer sein wird, vielleicht schwerer als die vollbeladene ‚Brabazon’, also etwa 135 Tonnen.

Bereits 1946 wurde in den USA von der US Air Force das NEPA-Projekt[6] gestartet, das ab 1951 zusammen mit der AEC[7] als ANP-Programm[8] weitergeführt wurde.

Es wurden zwei Entwicklungslinien verfolgt. General Electric arbeitete ab 1951 am Konzept eines direkten, offenen Systems. Dabei wurde die Luft nach dem Kompressor des Strahltriebwerks direkt durch den Reaktorkern geleitet, dort erhitzt und dann wieder vor der Turbine ins Strahltriebwerk zurückgeführt. Ab 1953 arbeitete Pratt & Whitney an einem indirekten, geschlossenen System. Dabei wurde die vom Reaktor produzierte Wärme durch einen separaten Flüssigmetall-Kreislauf abgeführt und über einen Wärme­austauscher an die Luft des Strahltriebwerks abgegeben.

Beide Systeme hatten ihre Vor- und Nachteile. Der mit geschmolzenem Metall gekühlte Reaktor konnte dank des besseren Wärmeübergangs wesentlich kompakter gebaut werden, als der luftgekühlte Reaktor. Damit wurden auch die benötigten Abschirmungen kleiner und dementsprechend leichter. Diese Gewichtseinsparung wurde aber weitgehend durch das Gewicht des komplexen und schweren Flüssigmetall-Kreislaufs aufgehoben. Das offene System hatte den Nachteil, dass bedeutend mehr Radioaktivität in die Atmosphäre abgegeben wurde, weil die Luft der Triebwerke direkt durch den Reaktorkern strömte. Weil das offene System einfacher zu entwickeln war und zudem einen zeitlichen Vorsprung hatte, führte es schliesslich zu erfolgreichen Standversuchen, während das indirekte System nie so weit gelangte.

Für die Standversuche wurde das General-Electric-Strahltriebwerk J47 modifiziert und mit X-39 bezeichnet. Auf einem Testgelände in Idaho wurden ab 1955 die „Heat Transfer Reactor Experiments“ (HTRE) Nr. 1 bis 3 durchgeführt, wobei verschiedene Reaktorkerne getestet wurden. Dabei wurden vom Reaktor jeweils zwei X-39-Triebwerke mit Wärme versorgt. Bei HTRE‑3 wurde genügend Schub produziert, um theoretisch einen Flug mit 740 km/h über 48'000 km zu ermöglichen.

1959 erschien im März-Heft der Zeitschrift „hobby“ ein Artikel mit dem Titel „Atomrakete – Schlüssel zum Weltraum“. Eines der darin enthaltenen Bilder zeigt jedoch nicht, wie die Bildlegende behauptet, eine „Atomrakete“, sondern offensichtlich zwei Turbinenstrahltriebwerke, die durch einen Reaktor betrieben werden (Abbildung 4). Die Abbildung zeigt zweifellos eines der HTRE. Im dritten und vierten Satz der Bildlegende wird – wieder durchaus richtig – festgestellt: „Die angesaugte Luft wird statt in einer Verbrennungskammer im Reaktor erhitzt. Die Abgase werden über eine Turbine geleitet.“

Die X-39 waren in Wirklichkeit Hybrid-Triebwerke. Die Brennkammern waren nicht entfernt worden, so dass das Triebwerk auch wie ein normales Strahltriebwerk laufen konnte. Das Triebwerk wurde auf diese Weise gestartet, und während der Reaktor auf die richtige Betriebstemperatur hochfuhr, wurde die Brennstoffzufuhr allmählich gedrosselt und schliesslich ganz abgeschaltet.

Diese beiden Betriebsarten wären auch beim geplanten Flugzeug zum Einsatz gekommen. Für Start und Landung wären die Triebwerke mit normalem Brennstoff betrieben worden und erst in grosser Höhe wäre für den „Reiseflug“ auf den Reaktorbetrieb umgeschaltet worden. Auch im Zielanflug oder wenn der Bomber angegriffen worden wäre, hätte das Umschalten der Triebwerke auf chemischen Brennstoff eine höhere Geschwindigkeit und eine erhöhte Manövrierbarkeit erlaubt, da die Triebwerke im Reaktorbetrieb relativ träge auf geforderte Leistungsänderungen reagiert hätten.

Abbildung 4:   Keine „Atomrakete“, sondern zwei Strahltriebwerke J47,
die von einem Reaktor betrieben werden

Wegen des grossen Gewichts des Atomreaktors und der erforderlichen Abschirmungen musste das Atomflugzeug zwangsläufig sehr gross sein. Es war daher beabsichtigt, zwei B-36H für den Betrieb mit dem Reaktor umzubauen. Diese modifizierten Flugzeuge hätten die Bezeichnung X-6 erhalten. Eine dritte B-36H mit der neuen Bezeichnung NB-36H wurde zu einem fliegenden Testlabor umgebaut. Die NB-36H führte einen Reaktor an Bord mit, der jedoch nicht für den Antrieb diente, sondern zum Testen von Abschirmungen und zur Untersuchung der Strahlenwirkung auf verschiedene empfindliche Materialien (Gummi der Reifen, Isolationsmaterialien, Elektronikbauteile) verwendet wurde.

Die Convair B-36H war damals der grösste Bomber der Welt. Sie hatte eine Flügelspannweite von 70.1 m, eine Länge von 49.4 m und eine Abflugmasse von 186 Tonnen. Sie wurde von sechs 28-Zylinder-Kolbenmotoren (Pratt & Whitney R-4360-53 Wasp Major mit je 2795 kW) mit Druckpropellern und vier Strahltriebwerken (General Electric J47‑GE‑19 mit je 23.2 kN Schub) angetrieben. In 11'000 m Höhe war ihre Höchstgeschwindigkeit 660 km/h, ihre Reichweite betrug 10'940 km und die Kampfmittelzuladung war über 32 Tonnen. Sie hatte 15 Mann Besatzung. Ihre Tragflächen waren so dick, dass die sechs Propellertriebwerke während des Fluges zugänglich waren und gewartet werden konnten.

Für die Testflüge der NB-36H wurde der Reaktor im hinteren Bombenschacht eingebaut. Der Reaktor hatte eine Leistung von 1000 kW und eine Masse von 15.9 Tonnen.

Um Gewicht zu sparen, wurde die Abschirmung aufgeteilt. Der Reaktor erhielt eine minimale Abschirmung, und die Pilotenkanzel wurde rundherum mit 12 Tonnen Blei und Gummi abgeschirmt. Zusätzlich wurde zwischen Pilotenkanzel und Reaktor eine 4 Tonnen schwere Bleiplatte eingebaut.

Abbildung 5:   Convair B-36H
(Foto:  US Air Force)

Mit der NB-36H wurden zwischen 1955 und 1957 insgesamt 47 Testflüge durchgeführt. Alle Flüge fanden über dünnbesiedeltem Gebiet statt und wurden jeweils von einem Transportflugzeug C-97 begleitet, das einen Zug bewaffneter Marinesoldaten an Bord hatte. Im Falle eines Absturzes der NB-36H wären diese Soldaten mit dem Fallschirm abgesprungen, um die Unfallstelle abzuriegeln.

Obschon das Projekt beachtliche Fortschritte machte, wurde es nie vollendet. Die X‑6 wurde nicht gebaut, und 1961 wurde das ganze Programm beendet. Der Misserfolg des Projekts ist auf mehrere Umstände zurückzuführen. Das Projekt litt von Anfang an unter einer mangelhaften Organisations- und Führungsstruktur, unter Kompetenzstreitigkeiten (z.B. zwischen USAF und AEC) und politischen Entscheidungen, die immer wieder andere Prioritäten setzten[9]. Ferner bewirkten die Fortschritte in der Entwicklung der ballistischen Interkontinentalraketen und die aussergewöhnlich guten Leistungen des neuen Bombers Boeing B-52 Stratofortress, dass der Bau eines Atomflugzeuges mit seinen hohen Kosten und Risiken immer weniger attraktiv erschien.

 

Atomraketen

 

Nuklearthermische Raketen

Der Schub eines Raketentriebwerks ist umso grösser, je mehr Masse pro Zeiteinheit ausgestossen wird und je grösser die Geschwindigkeit der ausgestossenen Masse ist. Bei den meisten Raketen ist die ausgestossene Masse gasförmig. Das Gas wird durch eine Verbrennung in einer Brennkammer auf hohe Temperatur und hohen Druck gebracht. Das heisse Gas verlässt die Brennkammer durch eine Düse und wird dabei auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt. Die erreichte Geschwindigkeit ist umso grösser, je höher die Temperatur und je kleiner die Molekülmasse des Gases ist.

Statt dass das Gas wie bei den üblichen Raketen durch eine Verbrennung erhitzt wird, kann es natürlich auch durch eine andere Energiequelle, z.B. durch einen Kernreaktor, aufgeheizt werden.

Bereits 1953 wurde am Los Alamos Scientific Laboratory (LASL)[10] mit theoretischen Studien über Raketen mit nuklearen Energiequellen begonnen, wobei verschiedene Entwürfe untersucht wurden. Bei der einfachsten Konstruktion, genannt „solid core“, wird der Kern eines normalen Kernreaktors vom Arbeitsmedium durchflossen, das dadurch auf eine hohe Temperatur aufgeheizt wird. Das Medium wird sodann durch Expansion in einer Düse auf eine möglichst hohe Austrittsgeschwindigkeit beschleunigt. Da die höchsten Strahlgeschwindigkeiten bei Gasen mit kleinster Molekülmasse erreicht werden, ist Wasserstoff das bestgeeignete Arbeitsmedium.

Dieses besonders einfache „solid core“-Prinzip hat den Nachteil, dass die Temperatur des Gasstrahls durch die Schmelztemperaturen der Reaktormaterialien begrenzt ist. Mit verschiedenen Modifikationen könnten höhere Temperaturen erreicht werden. Beim anspruchsvollsten Konzept ist der Reaktorbrennstoff selber ebenfalls gasförmig. Dabei können zwar sehr hohe Temperaturen erreicht werden, aber der Weg zur Verwirklichung dieses Prinzips ist besonders steil und weit.

1956 starteten die AEC und die US Air Force am LASL die Entwicklung einer Nuklear-Rakete unter dem Codenamen „Projekt Rover“ mit der praktischen Erprobung des „solid core“-Konzepts.

Die Versuche wurden in „Area 25“ im Südwesten des Atomwaffentestgeländes in Nevada durchgeführt. Das Nuklear-Raketen-Testgelände erhielt die Bezeichnung „Nuclear Rocket Development Station“ (NRDS). Das NRDS bestand aus drei Prüfständen A, C und ETS-1 („Engine Test Stand-1“) und zwei Werkgebäuden, R-MAD und E-MAD („Reactor-“, bzw. „Engine-“ „Maintenance, Assembly and Disassembly“). Diese Anlagen lagen mehrere Meilen voneinander entfernt und waren durch eine Strasse und ein Eisenbahngeleise[11] miteinander verbunden.

Bei einer flugfähigen Rakete müssen alle Hilfsaggregate, insbesondere die Treibstoffpumpen, aus bordeigenen Energiequellen versorgt werden. Bei den ersten Versuchen des Rover-Projekts wurde diese Komplikation vermieden, indem bewusst darauf verzichtet wurde, ein prinzipiell flugfähiges Triebwerk zu bauen. Es ging zunächst nur darum, verschiedene Reaktorkonstruktionen mit einem Wasserstoffstrahl zu testen. Da bei diesen ersten Versuchen die Triebwerke also zum vornherein nicht flugfähig waren, wurden sie nach einem flugunfähigen neuseeländischen Laufvogel mit „Kiwi“ bezeichnet. Der Einfachheit halber wurden die Triebwerke so montiert, dass der Gasstrahl nach oben statt nach unten gerichtet war.

Abbildung 6:   Test eines „Kiwi“-Reaktors
(Foto:  Los Alamos National Laboratory)

Bei den Versuchen der Serie „Kiwi A“ zwischen 1958 und 1960 wurde eine Leistung von 100 MW und ein Schub von 22 kN [12] erreicht. Der Reaktorkern bestand aus Uranoxid-Platten. Um höhere Betriebstemperaturen zu ermöglichen, wurden zwischen 1961 und 1964 für die Reaktoren der Versuche „Kiwi B“ kleine in Graphit eingebettete Uranoxidkugeln verwendet, die mit Niobcarbid beschichtet waren. Dabei wurde eine Leistung von 1000 MW und ein Schub von 220 kN erreicht. Bei den letzten Versuchen der „Kiwi“-Serie wurde als Reaktorbrennstoff Urancarbid verwendet.

Mit einer kleineren Version von „Kiwi“, „Peewee“, wurden mit Zirkoncarbid beschichtete Brennstoffpillen getestet. Damit wurde eine Gastemperatur von 2550 K und eine Strahlgeschwindigkeit von 8200 m/s erreicht.

Zwischen 1965 und 1968 wurden die Reaktoren „Phoebus 1“ und „Phoebus 2“ getestet. Das stärkste Triebwerk, „Phoebus 2A“, hatte einen maximalen Schub von 930 kN und lieferte im Juni 1968 während 12 Minuten eine Leistung von 4000 MW.

1960 begann die NASA zusammen mit der AEC mit dem NERVA-Programm (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). Dabei ging es um die Entwicklung eines flugfähigen Triebwerks. Dementsprechend mussten die Treibmittelpumpen durch das Triebwerk selber angetrieben werden. Im September 1964 starteten die Versuche mit dem Triebwerk „NRX“ [13]. Das letzte dieser Serie, das „EX“ [14], war das erste, das in „richtiger Position“, d.h. mit Triebwerkstrahl nach unten gerichtet, getestet wurde. Dieses Triebwerk erreichte eine Leistung von 1100 MW und einen Schub von 334 kN. Im März 1968 wurde dieses Triebwerk während eines Testlaufs 28 mal gestoppt und wieder gestartet.

Bei diesen Versuchen traten Probleme auf, die zum Teil nicht vollständig gelöst werden konnten. Durch Vibrationen des Gasstrahls kam es bei den ersten Tests zu Brüchen der Reaktorbrennstoffbündel. Dieses Problem konnte gelöst werden, aber die Lösung eines weiteren Problems schien noch in weiter Ferne zu liegen: Während die Graphitbrennstoff­elemente der hohen Temperatur zwar standhielten, wurden sie jedoch durch die chemische Reaktion mit dem Wasserstoff stark erodiert.

Mit dem Auslaufen des Apollo-Programms wurde das Rover/NERVA-Programm 1972 schliesslich gestoppt.

Seit etwa 2002 wird im Hinblick auf bemannte Marsflüge eine Weiterführung des Nuklear-Raketen-Programms wieder in Betracht gezogen. Da Nuklear-Raketen rund doppelt so hohe  Strahlgeschwindigkeiten wie chemische Raketen liefern, könnten bedeutend höhere Geschwindigkeiten erreicht und damit die Flugdauer einer Marsmission stark verkürzt werden. Dadurch würden medizinische Probleme, wie z.B. die lange Schwerelosigkeit, wesentlich reduziert.

Eine Nuklear-Rakete würde natürlich nicht von der Erde aus starten. Sie müsste in einer Satellitenbahn in grosser Höhe zusammengebaut und von dort aus gestartet werden, so dass keinerlei radioaktive Partikel in die Erdatmosphäre gelangen könnten.

Gepulste Nuklearantriebe

Ein etwas abenteuerliches Konzept eines Atomantriebes für Raumfahrzeuge war das geheime Projekt „Orion“, das zwischen 1958 und 1965 studiert wurde und das auf einem Vorschlag von S. Ulam[15] und C. Everett (1955) beruhte. Statt durch einen kontinuierlichen Gasstrahl sollte das Fahrzeug durch die Druckwellen von kleinen Atombomben angetrieben werden, die hinter dem Fahrzeug hätten gezündet werden sollen. Die Druckwellen würden auf eine Prallplatte treffen, die durch Schockabsorber mit dem Fahrzeug verbunden wäre. Der erste Entwurf war ein Fahrzeug mit einer Masse von 10’000 Tonnen und einer Prallplatte von über 40 Meter Durchmesser. Beim Start würde jede Sekunde eine Bombe von 0,1 kt TNT gezündet. Während das Fahrzeug beschleunigte, würden die Explosionen stärker und die zeitlichen Abstände grösser, bis schliesslich alle 10 Sekunden eine 20-kt-Bombe gezündet würde. Um auch im Vakuum eine hinreichend starke Druckwelle zu erzeugen, wären die Bomben mit einer Schicht von Kunststoffschaum versehen worden, um beim Verdampfen des Kunststoffs Gas zu produzieren.

Der erste Entwurf basierte auf der Meinung, es wäre demnächst möglich, kleine Wasserstoffbomben direkt zu zünden, ohne die Verwendung einer Kernspaltungsbombe. Eine reine Wasserstoffbombe würde nur relativ wenig Radioaktivität freisetzen. Da jedoch bis heute eine Fissionsbombe zur Zündung einer Fusionsbombe erforderlich ist, käme es, egal ob Fusions- oder Fissionsbomben verwendet würden, zur Freisetzung einer grossen Menge von radioaktiven Spaltprodukten.

Da somit ein Start von der Erdoberfläche zu einer inakzeptablen radioaktiven Kontamination führen würde, wurde bei einem späteren Entwurf für ein bedeutend kleineres Fahrzeug mit einer Prallplatte von nur 10 Meter Durchmesser ein Start aus einer Erdumlaufbahn vorgesehen.

Die Vorteile des „Orion“-Antriebs wären ein hoher Schub und eine hohe Strahlgeschwindigkeit. Die erreichbare Strahlgeschwindigkeit wäre über 20 km/s für ein kleines „Orion“-Fahrzeug und bis zu 60 km/s für ein grosses 40’000-Tonnen-Fahrzeug.

Diesen grossen Vorteilen stehen natürlich auch Nachteile gegenüber. Auch ein Start ausserhalb der Atmosphäre ist hinsichtlich Strahlung nicht problemlos. Die bei der Explosion einer Atombombe entstehende Gammastrahlung kann noch in Entfernungen von einigen tausend Kilometern elektronische Schaltungen beschädigen. Als das „Orion“-Projekt studiert wurde, gab es im erdnahen Raum kaum etwas, das hätte beschädigt werden können. Heute würde ein „Orion“-Start aus einer niedrigen Erdumlaufbahn unzählige Kommunikations-Satelliten zerstören. Es ist auch fraglich, ob die Prallplatte, die Schockabsorber und schliesslich das Raumschiff tausende von Kernexplosionen problemlos überstehen würden. Mit kleinen Modellen (genannt „Put-Puts“ oder „Hot Rods“) und kleinen konventionellen Explosionen wurde demonstriert, dass ein Pulsantrieb im Prinzip möglich ist. Im November 1959 flog ein Modell mit Hilfe von 6 Explosionen 100 Meter weit. Trotzdem wäre vermutlich noch viel Entwicklungs­arbeit zu leisten. Da ein Start von der Erdoberfläche nicht in Frage kommt, lassen sich zudem die Hauptvorteile des „Orion“-Antriebs gar nicht richtig ausnützen. Für planetare Missionen von der Umlaufbahn um die Erde zur Umlaufbahn um den Zielplaneten könnten sich andere Triebwerke als vorteilhafter erweisen.

Im übrigen ist es ein etwas unsympathischer Gedanke, statt durch einen kontinuierlichen Schub durch einzelne Explosionen angetrieben zu werden.

Zwischen 1973 und 1979 studierte eine Gruppe von Wissenschaftern und Ingenieuren der British Interplanetary Society das Projekt „Daedalus“. Dabei sollten kleine „Pillen“ von Fusionsbrennstoff in einer Reaktionskammer mit Hilfe von Laser- oder Elektronenstrahlen gezündet werden. Ein geeignetes Magnetfeld sollte für das bei der Mikroexplosion entstehende heisse Gas als Düse wirken. Da die Explosionen viel schwächer wären als beim „Orion“-Projekt und dafür Pulsraten bis zu 250 pro Sekunde vorgesehen waren, wären die Schockabsorber bedeutend leichter zu konstruieren. Die Idee, aus den Explosionen gleichzeitig die Energie für den Betrieb des Schiffes und des Triebwerks zu gewinnen, erwies sich als nicht realisierbar. Eine von der NASA in den 90er-Jahren studierte Variante des „Daedalus“-Projekts, das Projekt „Longshot“, verwendete für die Energieversorgung des Schiffes und des Triebwerks einen konventionellen 300-kW-Fissionsreaktor.

Eine Variante des „Daedalus“-Konzepts, das „Medusa“-Projekt, das ebenfalls in den 90er-Jahren entwickelt wurde, sah vor, dass die Mikroexplosionen nicht hinter dem Schiff in einer Reaktionskammer, sondern vor dem Schiff gezündet werden sollten. Die Druckwellen sollten auf ein riesiges vor dem Schiff aufgespanntes „Segel“ wirken. Dieses würde das Schiff an langen Kabeln hinter sich herziehen. Mit einem „Medusa“-Antrieb sollten Strahlgeschwindigkeiten bis gegen 1000 km/s möglich sein.

Da aber das Zündproblem bei der Fusion mit Trägheitseinschluss[16] immer noch nicht gelöst ist, lassen sich alle diese Projekte („Daedalus, „Medusa“ und „Longshot“) vorläufig nicht verwirklichen.

 

Atomschiffe

Während der Atomantrieb für Autos, Lokomotiven, Flugzeuge und Raketen bis heute weit­gehend eine Utopie blieb, wurde er bei Schiffen erstaunlich schnell Realität.

Unterseeboote

Bis 1955 waren Unterseeboote in Wirklichkeit Schiffe, die hauptsächlich auf der Meeresoberfläche fuhren und die notfalls während begrenzter Zeit tauchen konnten. Während der Fahrt an der Oberfläche wurde das U-Boot durch (meist zwei) Dieselmotoren angetrieben, die wahlweise auch je einen elektrischen Generator treiben konnten, mit dem riesige Akkumulatoren-Batterien geladen wurden. Diese lieferten den Strom für die Elektromotoren, mit denen das Boot bei Tauchfahrt angetrieben wurde.

Abgesehen vom Luftvorrat war die Tauchzeit begrenzt durch die Dauer, während der die Akkumulatoren-Batterien das Boot mit Energie versorgen konnten. Einerseits konnte diese Zeit durch langsame Fahrt auf 14 bis 48 Stunden (je nach Boots-Typ) ausgedehnt werden, und andererseits wurde diese Zeit durch hohen Energieverbrauch infolge von Ausweichmanövern mit hoher Geschwindigkeit bei der Verfolgung durch einen (oder mehrere!) wasserbombenwerfenden Zerstörer stark verkürzt.

Daher war der Kernreaktor als eine luftunabhängige Energiequelle genau das, was sich jeder U-Boot-Fahrer schon immer sehnlichst gewünscht hatte. Das wurde von dem brillianten und energischen (und auch gefürchteten) Kapitän (später Vizeadmiral) H.G. Rickover schon 1947 klar erkannt. Dank seiner Initiative wurde im September 1947 eine Studie eines nuklear angetriebenen Unterseebootes gestartet. Im August 1950 wurde mit der Konstruktion eines Prototyps des für das U-Boot vorgesehenen Reaktors begonnen, und im Juni 1952 erfolgte die Kiellegung des ersten atomgetriebenen U-Bootes, der „Nautilus“, die 1955 in Dienst gestellt wurde.

Abbildung 7:   USS Nautilus auf einer Testfahrt, 20.1.1955
(Foto:  U.S. National Archives and Records Administration)

Die „Nautilus“ fuhr 1958 unter der ganzen arktischen Eiskappe durch und erreichte unter dem Eis den Nordpol. 1960 fuhr das von zwei Atomreaktoren angetriebene U-Boot „Triton“ rund um die Erde ohne aufzutauchen.

Flugzeugträger

Der erste Flugzeugträger mit Nuklearantrieb, die „USS Enterprise“ (CVN-65 [17]), wurde nach nur drei Jahren Bauzeit 1961 in Dienst gestellt. Die „Enterprise“ ist heute noch im Dienst, und es ist vorgesehen, dass sie erst 2013 ausser Dienst gesetzt und durch die geplante CVN-78 ersetzt wird. Sie hat vier Schrauben und 8 (in Worten: acht !) Reaktoren. Sie hat eine Wasserverdrängung von über 80’000 Tonnen und ist mit einer Länge von 342 Metern der längste Flugzeugträger der US-Flotte.

Alle neueren im Dienst der US-Flotte stehenden nukleargetriebenen Träger („Nimitz“, „Dwight D. Eisenhower“, „Carl Vinson“, „Thedore Roosevelt“, „Abraham Lincoln“, „George Washington“, „John C. Stennis“, „Harry S. Truman“, und „Ronald Reagan“) verfügen über „nur“ zwei Kernreaktoren und haben eine Länge von 333 Metern. Die sechs neuesten Träger haben eine Wasserverdrängung von rund 90’000 Tonnen.

Kreuzer

Der erste nukleargetriebene Kreuzer, der Lenkwaffenkreuzer „USS Long Beach“, wurde 1961 in Dienst gestellt. Im August 2004 betrieb die amerikanische Navy insgesamt 80 nuk­leargetriebene Kriegsschiffe (U-Boote, Träger und Kreuzer).

Abbildung 8:   USS Enterprise, USS Long Beach und USS Bainbridge,
die ersten drei nukleargetriebenen Überwasserschiffe der US Navy
(Foto:  US Navy)

Eisbrecher

Die „Lenin“ war der erste Eisbrecher mit Atomantrieb. Russland verfügt über insgesamt 8 nukleargetriebene Eisbrecher.

Handelsschiffe

Die amerikanische „NS Savannah“, das erste Handelsschiff mit Atomantrieb, wurde 1962 in Betrieb genommen. Das 182 m lange 22’000-Tonnen-Schiff konnte 60 Passagiere und 14’000 Tonnen Fracht transportieren.

Die deutsche „Otto Hahn“ wurde 1968 in Betrieb gesetzt. Das 17’000-Tonnen-Schiff sollte dazu dienen, Erfahrungen mit dem Nuklearantrieb zu sammeln.

Einerseits aus wirtschaftlichen Gründen und andererseits wegen der zunehmenden Opposition gegen die Nutzung der Kernenergie wurde 1972 die „Savannah“ stillgelegt und 1982 die „Otto Hahn“ auf Dieselbetrieb umgebaut.

Der japanische Frachter „Mutsu“ wurde 1970 in Betrieb genommen. Das 8000-Tonnen-Schiff wurde wegen technischer und politischer Probleme zu einem Misserfolg.

In Russland wurde 1988 der eisbrechende Frachter „Sevmorput“ in Dienst gestellt.

Mit der zunehmenden Verknappung und Verteuerung des Erdöls könnten nukleargetriebene Handels- und Passagierschiffe in nicht allzu ferner Zukunft wirtschaftlich attraktiv werden.

Abbildung 9:   Das nukleargetriebene Handelsschiff „Savannah“
 (Foto:  U.S. National Archives and Records Administration)

Quellen

Karl Böhm, Rolf Dörge, „Gigant Atom“, Verlag neues Leben, Berlin 1960.

William R. Anderson, Clay Blair, „Die abenteuerliche Fahrt der Nautilus”, Verlag Kurt Deutsch, München 1959.

Edward L. Beach, „Unter Wasser um den Erdball“, Günther Verlag, Stuttgart 1964.

William R. Corliss, „Nuclear Propulsion for Space“, U.S. AEC, Division of Technical Information.

Ulrich Gabler, „Unterseebootbau“, Bernard & Graefe Verlag, Bonn 1997.

Zahlreiche Internet-Quellen, u.a.:

http://www.absoluteastronomy.com/encyclopedia/n/nu/nuclear_pulse_propulsion.htm
http://www.aerospaceweb.org/aircraft/bomber/b36
http://www.algebra.com/algebra/about/history/Nuclear-thermal-rocket.wikipedia
http://www.alternatehistory.com/gateway/essays/OrionProblems.html
http://www.answers.com/topic/nuclear-thermal-rocket
http://www.astrodigital.org/space/nuclear.html
http://www.atomicengines.com/ANP_intro.html
http://www.atomicengines.com/ANP_tech.html
http://www.chris-winter.com/CATS_Quest/Nuc_Rkt.html
http://www.islandone.org/Propulsion/ProjectOrion.html
http://www.lanl.gov/news/dateline/Dateline0198.pdf
http://www.megazone.org/ANP
http://www.nuclear.com/history/Nuclear_airplanes.html
http://www.radiationworks.com/nuclearships.htm
http://www.uic.com.au/nip32.htm
http://www.ussnautilus.org/history.html
http://www.vectorsite.net/tarokt2.html
http://www.webcom.com/~amraam/rcar.html
http://de.wikipedia.org/wiki/Otto_Hahn_(Schiff)
http://de.wikipedia.org/wiki/USS_Enterprise_(CVN-65)

http://de.wikipedia.org/wiki/USS_Nautilus_(SSN-571)
http://home.att.net/~jbaugher2/b36_14.html

A.R.



[1] Bei allen schweizerischen KKWs konnte die Leistung erhöht werden. Die heutigen Leistungen sind:
  Beznau I und II 365 MW, Mühleberg 350 MW, Gösgen  970 MW, Leibstadt 1165 MW.

[2] „hobby. Das Magazin der Technik“, EHAPA-Verlag, Stuttgart.

[3] Fissionsreaktor: Reaktor, in dem die Kernenergie durch Kernspaltung freigesetzt wird. Die im ersten Abschnitt erwähnten Kernkraftwerke der Welt arbeiten alle mit Fissionsreaktoren.

[4] Fusionsreaktor: Reaktor, in dem die Kernenergie durch Verschmelzung von leichten Atomkernen freigesetzt wird (s. Bulletin Nr. 26).

[5] Karl Böhm, Rolf Dörge: „Gigant Atom“, Verlag neues Leben, 5. Auflage, Berlin 1960.

[6] NEPA: Nuclear Energy for the Propulsion of Aircraft (Kernenergie für den Antrieb von Flugzeugen)

[7] AEC: Atomic Energy Commission (Atom-Energie-Kommission)

[8] ANP: Aircraft Nuclear Propulsion (Flugzeug-Nuklear-Antrieb)

[9] Zum Vergleich: Das bedeutend schwierigere und komplexere Manhattan-Projekt (die Entwicklung der Atombombe) wurde in nur vier Jahren zum Erfolg geführt, dank einer klaren Führungsstruktur und der unglaublichen Tatkraft, Entschlossenheit und Weitsicht des administrativen Leiters, General Leslie R. Groves.

[10] Am LASL (später in LANL, „Los Alamos National Laboratory“ umbenannt) wurde zwischen 1941 und 1945 die Atombombe entwickelt.

[11] „Jackass and Western Railroad“, gelegentlich auch als „kürzeste und langsamste Eisenbahnlinie der Welt“ bezeichnet.

[12] 1 kN = 1000 N. N = Newton. 1 kg hat (auf der Erde) ein Gewicht von 9.81 Newton.

[13] NRX: vermutlich „NR“ für „Nuclear Rocket“ und „X“ für „experimental“.

[14] EX: vermutlich für „Engine experimental“.

[15] Von Ulam stammte die entscheidende Idee für die Zündung der Wasserstoffbombe.

[16]  Siehe Bulletin Nr. 26.

[17] CVN: Carrier Vessel Nuclear