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(Technische Daten siehe Anlage V)
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Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung elektrischer Energie bietet der Hochtemperaturreaktor. In diesem werden, wie der Name schon sagt, relativ hohe Temperaturen erzeugt. Während im Leichtwasserreaktor die Kühlmitteltemperaturen 330 °C und im Schnellen Brüter 550 °C betragen, liegen im Hochtemperaturreaktor die Kühlmitteltemperaturen bei 750 °C und darüber. Hier kann nicht nur Dampf zum Antrieb von Turbinen dienen, sondern auch Prozeßwärme (z. B. zur Kohlevergasung) erzeugt werden.
Die Brennelemente in dem bei Hamm/Uentrop errichteten Hochtemperaturreaktor THTR-300 sind Graphitkugeln mit einem Durchmesser von 6 cm. Sie enthalten als Spaltstoff etwa 1 g Uran-235 und als Brutstoff ca. 10 g Thorium-232 in Form beschichteter Teilchen von 0,5 bis 0,7 mm Durchmesser. Etwa 35000 solcher umhüllten Teilchen sind in einer Kugel untergebracht.
Das Uran-235 läßt sich durch langsame Neutronen spalten. Aus dem Thorium-232 wird Uran-233 erbrütet, das ebenfalls durch langsame Neutronen spaltbar ist. Während des Betriebes erzeugt sich der Thorium-Hochtemperaturreaktor also einen Teil des Spaltstoffes selbst. Bei diesem Reaktortyp wird Graphit als Moderator verwendet. Da Spalt- und Brutstoff und Moderator miteinander gemischt sind, spricht man hier von einem homogenen Reaktor. Rund 675 000 kugelförmige Betriebselemente sind in dem bei Schmehausen errichteten Reaktor untergebracht. Diese Erstbeladung besteht aus ca. 360 000 Brennelementkugeln, ca. 280 000 Graphitkugeln (zusätzlicher Moderator) und ca. 35 000 borhaltigen Kugeln (Absorber). Die Brennelementkugeln befinden sich in einem Behälter aus Graphitkugeln mit einem Durchmesser von 5,6 m und einer Höhe von 6 m. Er stützt den Kugelhaufen ab und dient gleichzeitig als Neutronenreflektor. Um die bei den Kernprozessen auftretende Gammastrahlung abzuschirmen, ist der Graphitbehälter von einem eisernen Schild umgeben.
Die im Reaktor erzeugte Wärme wird durch das Edelgas Helium nach außen abgeführt. Es strömt von oben mit einer Temperatur von 250 °C in den Reaktor und verläßt ihn unten mit einer Temperatur von 750 °C.In den Dampferzeugern gibt das Helium seine Wärme an einen Wasser-Dampf-Kreislauf ab. Zur Regelung und Abschaltung des Reaktors können 42 Regelstäbe in den Kugelhaufen eingefahren werden.
Die Hauptkomponenten (Kugelhaufen, Neutronenreflektor, Schild aus Eisen, Dampferzeuger, Kühlmittelgebläse sowie Einrichtungen zur Reaktorregelung und Reaktorabschaltung) sind in einem berstsicheren Spannbetonbehälter mit einer Wandstärke von 4,5 bis 5 m untergebracht. Er hält dem Innendruck von etwa 40 bar stand und dient gleichzeitig zur Abschirmung der Neutronen- und Gammastrahlung.
Im Reaktordruckbehälter ist auch die Beschickungsanlage untergebracht. Sie ermöglicht eine fortlaufende Entnahme und Zugabe der kugelförmigen Brennelemente. Bei Vollast werden an einem Tag 3700 Kugeln umgesetzt und etwa 620 abgebrannte Brennelemente durch neue ersetzt. Die 620 abgebrannten Brennelemente bleiben im Mittel ungefähr drei Jahre im Reaktor und durchlaufen ihn in dieser Zeit rund 6 mal.
Mit dem in den Wärmetauschern erzeugten Dampf wird eine Turbine angetrieben, die mit einem Generator gekoppelt ist. Zur Verflüssigung des Dampfes wird bei dem Thorium-Hochtemperaturreaktor in Schmehausen ein sog. Naturzug-Trockenkühlturm verwendet. Die durch den Turm emporsteigende Luft führt die Wärme ab. Der Turm gibt also keinen Wasserdampf, sondern lediglich erwärmte Luft ab.
Seit 1967 ist in Jülich das Versuchskraftwerk AVR (Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor) mit einer Leistung von 15 MWel in Betrieb. Es enthält 80 000 Brennelementkugeln und erreichte eine Gasaustrittstemperatur von 950 °C. In Schmehausen bei Hamm ist der Thorium-Hochtemperaturreaktor THTR-300 mit einer Leistung von 300 MWel 1985 fertiggestellt worden (technische Daten siehe Anlage).
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