Kernenergieantrieb
Unter Kernenergieantrieb versteht man den Antrieb von Fahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen oder Raumfahrzeugen mittels Kernenergie. Da Kernreaktoren wegen ihrer starken Neutronenstrahlung eine umfangreiche Abschirmung erfordern, sind Kernenergieantriebe nicht so kompakt herzustellen, dass sie in herkömmlichen Pkw oder Lkw Verwendung finden können. Sie bleiben daher größeren Fahrzeugen vorbehalten. ⓘ
Wegen ihrer potenziellen massiven radioaktiven Umweltbelastung bei Unfällen verschiedenem Ausmaßes und anderen Störfällen gelten Kernenergieantriebe, nicht nur wegen des anfallenden stark radioaktiven Abfalls, als umstritten. In den letzten Jahren wurden deshalb diesbezügliche Forschungen größtenteils eingestellt oder stark eingeschränkt. ⓘ
Dieser Artikel beschreibt deshalb den – zum Teil inzwischen stark veralteten – Stand der Forschung, bzw. andere theoretische Überlegungen. ⓘ
Radioisotopengeneratoren, die die Zerfallswärme von bestimmten Atomkernen (Halbwertszeit) nutzen, und über Thermoelemente daraus meist elektrischen Strom erzeugen, haben eine gewisse Verbreitung vor allem in der Raumfahrt gefunden. ⓘ
Der Begriff Kernkraftantrieb umfasst eine Vielzahl von Antriebsmethoden, die eine Form der Kernreaktion als primäre Energiequelle nutzen. Die Idee, Kernmaterial für den Antrieb zu nutzen, geht auf den Beginn des 20. Jahrhunderts zurück. Jahrhunderts zurück. 1903 wurde die Hypothese aufgestellt, dass radioaktives Material, Radium, ein geeigneter Treibstoff für Motoren sein könnte, um Autos, Flugzeuge und Boote anzutreiben. H. G. Wells griff diese Idee 1914 in seinem fiktiven Werk The World Set Free auf. ⓘ
Überwasserschiffe, U-Boote und Torpedos
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Für atomgetriebene U-Boote werden meist Druckwasserreaktoren mit Leistungen von etwa 100 Megawatt verwendet. Sie erzeugen Dampf, der zu Dampfturbinen geleitet wird, die entweder die Propeller oder Generatoren sowie Hilfseinrichtungen antreiben. Aufgrund der hohen Drehzahl von Dampfturbinen kann der Propeller jedoch nicht direkt angetrieben werden, meist ist ein Getriebe erforderlich. ⓘ
Der Kernenergieantrieb wird hauptsächlich für militärische Schiffe und U-Boote verwendet. Das erste kernenergiegetriebene Schiff der Welt war 1954 das Atom-U-Boot USS Nautilus (SSN-571). Auch einige zivile Schiffe haben Kernenergieantrieb, das erste zivile Schiff mit Kernenergieantrieb war 1959 der sowjetische Atomeisbrecher Lenin. Die Sowjetunion und ihr Nachfolgestaat Russland unterhielt bzw. unterhält eine ganze Atomeisbrecherflotte, die bei der Freihaltung des nördlichen Seeweges unverzichtbar sind. Im Jahre 2021 sind die russischen Atomeisbrecher Jamal, 50 Let Pobedy und Arktika (Schiff, 2020) in Betrieb. Weitere zivile Schiffe mit Nuklearantrieb sind bzw. waren das deutsche Forschungsschiff Otto Hahn, die amerikanische Savannah, die japanische Mutsu und der sowjetische Frachter Sevmorput. ⓘ
Zivile Nutzung der Schifffahrt
- Siehe: Nuklearer Schiffsantrieb
- Liste der zivilen Atomschiffe ⓘ
Militärische maritime Nutzung
- Nukleare Schifffahrt
- Liste der Marinereaktoren der Vereinigten Staaten
- Sowjetische Marinereaktoren
- Kerntechnisches U-Boot ⓘ
Torpedo
Der russische Nachrichtensender Channel One Television sendete am 12. November 2015 ein Bild und Einzelheiten zu einem atomgetriebenen Torpedo namens Status-6. Der Torpedo hatte eine Reichweite von bis zu 10.000 km, eine Reisegeschwindigkeit von 100 Knoten und eine Einsatztiefe von bis zu 1000 Metern unter der Wasseroberfläche. Der Torpedo trug einen 100-Megatonnen-Atomsprengkopf. ⓘ
Einer der Vorschläge, die im Sommer 1958 auf der ersten Sitzung der wissenschaftlichen Beratergruppe, aus der JASON hervorging, gemacht wurden, lautete "ein Torpedo mit Nuklearantrieb, der fast unbegrenzt auf den Meeren umherfahren kann". ⓘ
Kernenergieantrieb von Fluggeräten
Die Vereinigten Staaten und die Sowjetunion forschten während des Kalten Krieges an Flugzeugen mit Nuklearantrieb, da sie es einem Land vermutlich ermöglichen würden, Atombomber über extrem lange Zeiträume in der Luft zu halten - eine nützliche Taktik zur nuklearen Abschreckung. Keines der beiden Länder hat je ein einsatzfähiges Atomflugzeug entwickelt. Ein Konstruktionsproblem, das nie angemessen gelöst wurde, war die Notwendigkeit einer starken Abschirmung, um die Besatzung vor der Strahlenkrankheit zu schützen. Seit dem Aufkommen der Interkontinentalraketen in den 1960er Jahren wurde der taktische Vorteil solcher Flugzeuge stark geschmälert und entsprechende Projekte wurden eingestellt. Da die Technologie von Natur aus gefährlich war, wurde sie in nicht-militärischen Kontexten nicht in Betracht gezogen. Auch nuklear angetriebene Raketen wurden im gleichen Zeitraum erforscht und verworfen. ⓘ
Flugzeuge ⓘ
- Convair X-6
- Myasishchev M-50 - Scherz der Aviation Week
- Aircraft Nuclear Propulsion - General Electric's Projekt zum Bau eines atomgetriebenen Bombers
- Tupolew Tu-95LAL ⓘ
Raketen ⓘ
- Projekt Pluto - Entwicklung des SLAM-Flugkörpers, der ein nuklearbetriebenes Staustrahltriebwerk für den Antrieb verwendet
- Burevestnik, ein atomgetriebener Marschflugkörper, der 2018 von Wladimir Putin angekündigt wurde. ⓘ
Flugzeuge
Vereinigte Staaten
Bei einem kernenergiegetriebenen Flugzeug sollte mit Hilfe eines kleinen leichten Reaktors ein Verdichter angetrieben werden, dessen komprimierte Luft dann aus einer Düse ausgestoßen werden sollte, wobei wie bei einem normalen Düsenflugzeug ein Vortrieb entstehen würde. In den USA erfolgten ab Mitte der 1950er-Jahre diverse Studien und Versuche. Im Rahmen des Aircraft Nuclear Propulsion-Programms (ANP) wurden luftgekühlte Reaktoren des General Electric X39 entwickelt, die auf konventionellen Triebwerken des Typs General Electric J47 basierten, welche für den Antrieb mittels der Wärmeeinspeisung über einen Kernreaktor modifiziert wurden. Es entstanden die drei Prototypen HTRE-1, HTRE-2 und HTRE-3 (HTRE = Heat Transfer Reactor Experiment) Die beiden letztgenannten Anlagen sind stationär auf dem Gelände des Kernforschungszentrums Idaho Falls installiert und stehen für die Öffentlichkeit zur Besichtigung zur Verfügung (Lage). Ein weiterer Kernreaktor des Unternehmens Pratt & Whitney mit der Bezeichnung PWAR-1 (Pratt & Whitney Aircraft Reactor-1) wurde ab 1957 auf dem Gelände des Kernforschungszentrums Oak Ridge getestet. ⓘ
Ab 1951 testete die United States Air Force einen weiteren Kernreaktor (Aircraft Shield Test Reactor – ASTR) in einer umgebauten Convair B-36. Das Flugzeug selbst wurde jedoch noch konventionell angetrieben, es absolvierte im Rahmen des Programms insgesamt 47 Flüge über dem Luftraum der Bundesstaaten Texas und New Mexico. ⓘ
Im März 1961 wurde das Versuchsprogramm aus Sicherheitsgründen auf Anordnung von Präsident John F. Kennedy eingestellt. ⓘ
Sowjetunion
In der damaligen Sowjetunion wurden 1961 einige Flüge einer Tu-95LaL mit einem Reaktor an Bord durchgeführt. Mit der An-22PLO folgte 1972 ein weiteres Projekt. Mit beiden Flugzeugen erfolgten nur Probeflüge zur Überprüfung der Strahlenschutzeinrichtungen und dem Verhalten der Reaktoren an Bord. Einen Energieübertrag für den Antrieb gab es nicht. Beide Projekte wurden eingestellt. ⓘ
Ähnliche Ideen gab es vor allem in den 1960er Jahren auch für Luftschiffe, ein Atomluftschiff wurde jedoch nie gebaut. ⓘ
Andere Flugkörper
In dem US-Projekt Pluto wurde zwischen 1956 und 1964 mit hohem Aufwand ein nukleargetriebener Marschflugkörper mit praktisch unbegrenzter Reichweite entwickelt. Ein reaktorbeheizter Ramjet sollte den Flugkörper mit Mach 3 im Tiefflug in Feindesland tragen, wo er bis zu 24 Ziele mit H-Bomben angreifen würde. Das Projekt wurde nach erfolgreichen Triebwerktests und der Lösung etlicher technischer Probleme nach der Kubakrise 1964 beendet – mit der Begründung, dass das Projekt zu provokativ („too provocative“) sei. ⓘ
Raumfahrzeuge
Viele Arten von Nuklearantrieben wurden vorgeschlagen, und einige von ihnen (z. B. NERVA) wurden für Raumfahrzeuganwendungen getestet. ⓘ
Nuklearer Impulsantrieb
- Projekt Orion, erste Konstruktionsstudie für einen Nuklearimpulsantrieb (d. h. eine Atomexplosion)
- Projekt Daedalus, Studie der British Interplanetary Society aus den 1970er Jahren über eine Fusionsrakete
- Projekt Longshot, Entwurf eines Nuklearimpulsantriebs der US Naval Academy und der NASA
- AIMStar, ein vorgeschlagener Antimaterie-katalysierter Kernimpulsantrieb, der Wolken von Antiprotonen verwendet, um Spaltung und Fusion in den Treibstoffpellets zu initiieren
- ICAN-II, ein vorgeschlagenes interplanetarisches Raumschiff mit Besatzung, das den Antimaterie-katalysierten Kernimpulsantrieb als Hauptantriebsform verwendet
- External Pulsed Plasma Propulsion (EPPP), ein Antriebskonzept der NASA, bei dem der Schub durch Plasmawellen erzeugt wird, die durch eine Reihe kleiner, überkritischer Spaltungs-/Fusionsimpulse hinter einem Objekt im Weltraum entstehen. ⓘ
Thermische Nuklearrakete
- Bimodale thermische Kernraketen führen Kernspaltungsreaktionen durch, wie sie auch in Kernkraftwerken und U-Booten eingesetzt werden. Die Energie wird zum Erhitzen des Flüssigwasserstofftreibstoffs verwendet. Befürworter nuklear betriebener Raumfahrzeuge weisen darauf hin, dass zum Zeitpunkt des Starts fast keine Strahlung aus den Kernreaktoren freigesetzt wird. Kerngetriebene Raketen werden nicht zum Abheben von der Erde verwendet. Thermische Kernraketen können im Vergleich zu chemischen Antriebssystemen große Leistungsvorteile bieten. Nukleare Energiequellen könnten auch genutzt werden, um das Raumfahrzeug mit elektrischer Energie für den Betrieb und die wissenschaftlichen Instrumente zu versorgen.
- NERVA - Nuclear Energy for Rocket Vehicle Applications der NASA, ein amerikanisches Programm für nuklearthermische Raketen
- Project Rover - ein amerikanisches Projekt zur Entwicklung einer thermischen Kernrakete. Das Programm lief am Los Alamos Scientific Laboratory von 1955 bis 1972.
- Projekt Timberwind 1987-1991 ⓘ
Staustrahltriebwerk
- Bussard-Staustrahltriebwerk, ein nach Robert W. Bussard benanntes Konzept für ein interstellares Fusions-Staustrahltriebwerk. ⓘ
Direkt nuklear
- Spaltfragment-Rakete
- Spaltsegel
- Fusionsrakete
- Gaskernreaktor-Rakete
- Nukleare Salzwasserrakete
- Radioisotopen-Rakete
- Photonische Kernrakete ⓘ
Nuklearelektrisch
- Nuklearelektrische Rakete
- Projekt Prometheus, NASA-Entwicklung eines nuklearen Antriebs für die Langstrecken-Raumfahrt, begonnen im Jahr 2003 ⓘ
Entwicklung der Russischen Föderalen Raumfahrtagentur
Anatolij Perminov, Leiter der Russischen Föderalen Raumfahrtagentur, kündigte an, dass sie ein nuklear angetriebenes Raumschiff für die Weltraumfahrt entwickeln wird. Der Vorentwurf wurde 2013 fertiggestellt, und für die Entwicklung (Montage im Weltraum) sind weitere 9 Jahre vorgesehen. Der Preis wird auf 17 Milliarden Rubel (600 Millionen Dollar) festgesetzt. Der Nuklearantrieb würde die Megawattklasse erreichen, sofern die nötigen Mittel zur Verfügung stehen, so der Roskosmos-Chef. ⓘ
Dieses System würde aus einem Weltraum-Kernkraftwerk und einer Matrix von Ionentriebwerken bestehen. "...Das 1500 °C heiße Inertgas aus dem Reaktor treibt Turbinen an. Die Turbine treibt den Generator und den Kompressor an, der das Arbeitsmittel in einem geschlossenen Kreislauf umwälzt. Die Arbeitsflüssigkeit wird im Kühler gekühlt. Der Generator erzeugt Strom für das gleiche Ionen-(Plasma-)Triebwerk..." ⓘ
Ihm zufolge wird der Antrieb in der Lage sein, menschliche Missionen zum Mars zu unterstützen, wobei die Kosmonauten 30 Tage lang auf dem Roten Planeten bleiben können. Die Reise zum Mars mit nuklearem Antrieb und gleichmäßiger Beschleunigung würde sechs Wochen dauern, statt acht Monate bei Verwendung eines chemischen Antriebs - unter der Annahme, dass die Schubkraft 300 Mal höher ist als bei einem chemischen Antrieb. ⓘ
Terrestrische Fahrzeuge
Autos
Die Idee, Autos zu bauen, die radioaktives Material, Radium, als Treibstoff verwenden, geht mindestens auf das Jahr 1903 zurück. Eine Analyse des Konzepts im Jahr 1937 ergab, dass der Fahrer eines solchen Fahrzeugs eine 50 Tonnen schwere Bleibarriere benötigen würde, um sich vor der Strahlung zu schützen. ⓘ
1941 vertrat Dr. R. M. Langer, ein Physiker des Caltech, in der Januarausgabe von Popular Mechanics die Idee eines mit Uran-235 betriebenen Autos. Ihm folgte William Bushnell Stout, Konstrukteur des Stout Scarab und ehemaliger Präsident der Society of Engineers, am 7. August 1945 in der New York Times. Das Problem der Abschirmung des Reaktors machte die Idee weiterhin unpraktisch. Im Dezember 1945 gab ein John Wilson aus London bekannt, dass er ein Atomauto gebaut hatte. Dies stieß auf großes Interesse. Der Minister für Brennstoffe und Energie sowie ein großes Presseaufgebot waren gekommen, um das Auto zu besichtigen. Das Auto tauchte nicht auf und Wilson behauptete, es sei sabotiert worden. In einem späteren Gerichtsverfahren wurde festgestellt, dass es sich um einen Betrug handelte und dass es kein nuklear angetriebenes Auto gab. ⓘ
Trotz des Abschirmungsproblems wurde in den späten 1940er und frühen 1950er Jahren weiter über die Möglichkeit atomgetriebener Autos diskutiert. Die Entwicklung von U-Booten und Schiffen mit Nuklearantrieb und die Versuche, ein Flugzeug mit Nuklearantrieb zu entwickeln, hielten die Idee am Leben. Russische Zeitungen berichteten Mitte der 1950er Jahre über die Entwicklung eines nuklear angetriebenen Autos durch Professor V. P. Romadin, aber auch hier erwies sich die Abschirmung als Problem. Es wurde behauptet, dass die russischen Labors das Abschirmungsproblem mit einer neuen Legierung, die die Strahlen absorbiert, überwunden hätten. ⓘ
1958, auf dem Höhepunkt der amerikanischen Automobilkultur der 1950er Jahre, gab es mindestens vier theoretische Konzeptautos mit Nuklearantrieb: den amerikanischen Ford Nucleon und den Studebaker Packard Astral sowie den von Robert Opron entworfenen französischen Simca Fulgur und den Arbel Symétric. Abgesehen von diesen Konzeptmodellen wurde jedoch kein einziges gebaut, und es wurden auch keine automobilen Kernkraftwerke hergestellt. Der Chrysler-Ingenieur C. R. Lewis hatte die Idee 1957 verworfen, weil er schätzte, dass für ein 1.400 kg schweres Auto ein 36.000 kg schwerer Motor erforderlich wäre. Er vertrat die Ansicht, dass für die Nutzung der Kernenergie eine effiziente Energiespeicherung erforderlich sei. Trotzdem entwarfen die Stylisten von Chrysler im Jahr 1958 einige mögliche Designs. ⓘ
1959 wurde berichtet, dass die Goodyear Tire and Rubber Company eine neue Gummimischung entwickelt hatte, die leicht war und die Strahlung absorbierte, so dass keine schwere Abschirmung mehr nötig war. Ein Reporter vertrat damals die Ansicht, dass dies Autos und Flugzeuge mit Nuklearantrieb möglich machen könnte. ⓘ
Ford stellte 1962 für die Weltausstellung in Seattle ein weiteres potenziell atomgetriebenes Modell her, den Ford Seattle-ite XXI. Auch dieses Modell ist nie über das ursprüngliche Konzept hinausgekommen. ⓘ
Anlässlich des hundertjährigen Jubiläums der Übernahme von Cadillac durch General Motors entwarf Loren Kulesus 2009 ein Konzept für ein mit Thorium betriebenes Auto. ⓘ
Andere
Der Chrysler TV-8 war ein experimenteller Konzeptpanzer, der in den 1950er Jahren von Chrysler entwickelt wurde. Der Panzer sollte ein mittlerer Panzer mit Nuklearantrieb sein, der für den Land- und Amphibienkrieg eingesetzt werden konnte. Der Entwurf wurde nie in Serie produziert. Der Mars-Rover Curiosity wird von einem radioisotopischen thermoelektrischen Generator (RTG) angetrieben, wie die erfolgreichen Mars-Lander Viking 1 und Viking 2 im Jahr 1976. ⓘ
Kernenergieantrieb von Lokomotiven
In den Vereinigten Staaten wurden Studien für nuklearbetriebene Lokomotiven durchgeführt, unter anderem die X-12. Sie sollten Kernreaktoren mit kompletten Kühlkreisläufen an Bord haben, die Strom für die Fahrmotoren erzeugen. Wegen zu komplizierter Ausführung wurden diese Pläne verworfen. Auch in Deutschland wurde von Krauss-Maffei Mitte der 1950er der Bau einer etwa 35 m langen Atomlok in Erwägung gezogen, das Design war eng mit der bekannten Diesellok V 200 verwandt. ⓘ
Prinzipiell werden Lokomotiven an den Achsen größtenteils elektrisch angetrieben. Der Atomreaktor hätte einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie angetrieben, der wiederum die Fahrmotoren an den Achsen angetrieben hätte. Die Energieerzeugung an Bord – ähnlich wie bei einer dieselelektrischen Lokomotive – verursacht jedoch hohes Gewicht. Zudem kann eine solche Motor-Generator-Kombination nicht so gleichmäßig beansprucht werden wie eine externe Energieerzeugung. Die Abkehr vom Prinzip der Erzeugung elektrischer Energie an Bord hatte jedoch vor allem Kostengründe. ⓘ
Kernenergieantrieb von Raumfahrzeugen
Antrieb mit Reaktor
Bei einem mit Kernreaktoren angetriebenen Raumfahrzeug wird Wasserstoff mit Hilfe eines Kernreaktors auf 3000 Grad Celsius erhitzt und dann ausgestoßen. Dabei wird wie bei einem normalen Raketentriebwerk ein Rückstoß erzeugt. Da hierbei Wasserstoff und kein Verbrennungsprodukt ausgestoßen wird, ist der spezifische Impuls sehr hoch. ⓘ
In den USA wurden solche Geräte im Rahmen der Projekte NERVA und Timberwind untersucht. Der US-amerikanische Satellit Snapshot nutzte 1965 erstmals einen Kernreaktor, um damit ein Ionentriebwerk zu betreiben. 2021 gab die DARPA die Entwicklung eines Kernreaktorantriebs in Auftrag, der ab 2025 in Raumfahrzeugen zum Einsatz kommen soll. ⓘ
Antrieb mit Atombomben
Wenn im Vakuum in ausreichendem Sicherheitsabstand zu einem Parabolspiegel eine kleine Atombombe gezündet wird, kann man mit Hilfe des entstehenden Strahlungsdrucks ein Raumfahrzeug vorantreiben. Da im Weltraum keine Druckwellen entstehen, braucht der Reflektor nicht allzu massiv zu sein. Mit einem derartigen Raumfahrzeug könnte man prinzipiell das Sonnensystem durchqueren. In den USA gab es Ende der 1950er Jahre entsprechende Studien im Rahmen des Orion-Projekts. ⓘ