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Die Zukunft der Kernenergie – Teil 2

Der Originalbeitrag ist als „Schlumpfs Grafik 73“ im Online-Nebelspalter vom 29. Mai 2023 zu lesen.

Teil 1 meiner Serie über die Zukunft der Kernenergie (siehe hier) hat gezeigt, dass die unmittelbare Zukunft der Kerntechnologie bei den leistungsstarken grossen Leichtwasser-Reaktoren der Generation III/III+ liegt, die sich vor allem durch eine deutlich verbesserte Sicherheitsauslegung auszeichnen. Wahrscheinlich noch in diesem Jahrzehnt werden wir die ersten Small Modular Reactors (SMR) sehen, die vor allem mit grösserer Flexibilität bei der Anwendung und Kosteneinsparungen punkten können. Nach Schätzungen der OECD wird der Anteil der SMR an allen Kernkraftwerken der Welt bis zum Jahr 2060 aber erst bei 10 und 30 Prozent liegen: Die Zukunft der Kernenergie wird in den nächsten Jahrzehnten also weiterhin von Grosskraftwerken dominiert sein.

Was wichtig ist:

– Das Internationale Forum «GenIV» koordiniert die Forschung an den avancierten Konzepten der künftigen Generation IV.
– Mit den neuen Designs, die dort entwickelt werden, sollen neben der Stromerzeugung auch Anwendungen im Bereich der industriellen Prozesswärme oder der Wasserstoffproduktion möglich werden.
– Das Hauptziel der Reaktorentwicklung der Generation IV liegt aber beim nachhaltigen Schliessen des Brennstoffkreislaufs.

In diesem Beitrag stütze ich mich teilweise auf Informationen ab, die der emeritierte ETH-Professor Horst-Michael Prasser anlässlich eines Vortrags am 3. Mai 2023 beim Carnot-Cournot Netzwerk in Basel gegeben hat (siehe hier). Die folgende Tabelle aus diesem Vortrag zeigt detailliert, wie die Grosskraftwerke der Generation III mit einer Nettoleistung zwischen 1100 und 1700 Megawatt die aktuelle Szene beherrschen:

Von den acht verschiedenen Typen aus Frankreich, China, Russland, den USA, Südkorea und Japan sind bereits 27 in Betrieb. 39 weitere sind im Bau und 102 sind geplant. Dabei sind die meisten Reaktoren auch für den Export vorgesehen: Die Südkoreaner zum Beispiel planen beim APR-1400 sogar eine verbesserte europäische Version.

Die Schweiz forscht bei der Generation IV mit

Wie sieht aber die Forschung bei den Kernkraftwerken der künftigen Generation IV aus? Diese wird seit 2001 in einem internationalen Forum «GenIV International Forum» koordiniert (siehe hier). Dieses Forum, an dem auch die Schweiz beteiligt ist, hat aus einer Vielzahl von Reaktorkonzepten sechs Grundtypen definiert, an denen nun weiter geforscht wird: Hochtemperaturreaktor, Bleigekühlter Schneller Reaktor, Superkritischer Leichtwasserreaktor, Gasgekühlter Schneller Reaktor, Natriumgekühlter Schneller Reaktor und Salzschmelze-Reaktor.

Aus diesen verschiedenen Namen allein lässt sich erahnen, wie komplex dieser Forschungs- und Entwicklungsbereich ist. Ich kann hier nicht auf Unterschiede dieser verschiedenen Typen eingehen. Deshalb konzentriere ich mich auf die Beschreibung der Grundziele der Generation IV.

Erstens geht es darum, mindestens gleich viel oder bessere Sicherheit wie bei den Reaktoren der Generation III zu erreichen. Zweitens sollen durch eine verbesserte Bauweise und Ökonomie höhere Temperaturen und Wirkungsgrade erzielt werden, die einen flexiblen Einsatz und zusätzliche Anwendungen im Bereich der industriellen Prozesswärme und Wasserstoffproduktion ermöglichen. Und drittens – das ist die ultimative Zielrichtung der Generation IV – soll der nukleare Brennstoffkreislauf geschlossen werden.

Höhere Temperaturen durch den Einsatz neuer Kühlmittel

Bei Punkt zwei spielt die Wahl der Kühlmittel – wegen der Zerfallswärme aus nuklearen Spaltprozessen muss immer gekühlt werden – eine wichtige Rolle. Bisher hat man fast ausschliesslich Wasser verwendet. Die nächste Tabelle aus dem Vortrag von Horst-Michael Prasser weist auf Vor- und Nachteile der alternativen Kühlmittel Helium, Natrium und Blei, mit denen Reaktoren mit schnellen Neutronen gebaut werden können, die verschiedene neue Anwendungsmöglichkeiten bieten:

Grüne Kasten in der Tabelle bedeuten «gut und einfach in der Anwendung», rot heisst «schlecht und kompliziert in der Anwendung». Bei allen drei neuen Kühlmittel sind die Aussichten, höhere Temperaturen zu erreichen, gut. Sie besitzen zudem eine sichere Abschalttemperatur. Bei den Kriterien Korrosion und chemische Reaktivität verhalten sie sich aber unterschiedlich: Beim natriumgekühlten Reaktor ist die chemische Reaktivität schwierig zu meistern, beim bleigekühlten Reaktor ergeben sich Probleme bei der Korrosion. Der mit Helium gasgekühlte Typus schneidet zwar bei diesen Kriterien gut ab, weist jedoch den Nachteil eines hohen Betriebsdrucks auf.

Radioaktive Tiefenlagerung ist ineffizient und nicht nachhaltig

Dieser kurze Vergleich zeigt, warum diese verschiedenen Technologien miteinander im Wettstreit sind. Und es ist noch keineswegs klar, welche sich durchsetzen wird. Nicht zuletzt dürften die Kosten eine wichtige Rolle spielen: Gegenüber dem heutigen Leichtwasser-Reaktor ist bei den Kühlmitteln der Reaktoren der Generation IV mit höheren Kosten zu rechnen. Wie aber soll der primäre Zweck der Generation IV-Forschung, die Schliessung des Brennstoffkreislaufs, erreicht werden? Auf dem nächsten Bild aus dem Vortrag von Horst-Michael Prasser sind die Abfallströme der heute geplanten Tiefenlagerung dargestellt:

Ein Leichtwasser-Reaktor (LWR) wird mit angereichertem Uran «gefüttert» (spaltbar davon ist nur Uran-235). Dabei entstehen vier Sorten von Abfällen, die ungetrennt ins Tiefenlager gebracht werden: Zum weitaus grössten Teil ist das Uran-238, das überall in der Natur vorkommt. Die restlichen fünf Prozent bestehen aus Plutonium, den minoren Aktiniden und stabilen Spaltprodukten. Die geforderte Einschlusszeit im Tiefenlager von bis zu einer Million Jahre wird dabei vor allem vom äusserst langlebigen Plutonium bestimmt.

Generation IV reduziert den langlebigen strahlenden Abfall auf ein Minimum

Wie die nächste Abbildung zeigt, soll es mit den Reaktoren der Generation IV möglich werden, diesen offenen Brennstoffkreislauf zu schliessen:

Damit der Grossteil der bisherigen Abfälle wiederverwendet werden kann, braucht es neben Reaktoren der Generation IV aber auch Wiederaufarbeitungsanlagen (WAA), die das U-238, das Plutonium und die minoren Aktiniden so verarbeiten, dass diese wieder als Brennstoff eingesetzt werden können. Dafür ist ein neuer Typus von Wiederaufarbeitung erforderlich, den es heute noch nicht gibt. Vor allem aber besteht in der Schweiz zurzeit ein generelles Verbot der nuklearen Wiederaufarbeitung.

Nachhaltige Brennstoffversorgung

Wenn wir also dereinst den Traum eines nachhaltigen nuklearen Brennstoffkreislaufs erreichen wollen, müssen wir bei uns für die Abschaffung des Verbots der nuklearen Wiederaufarbeitung kämpfen. Wenn uns dies gelingt und Reaktoren der IV. Generation erfolgreich sind, könnten wir in einer idealen nuklearen Energiewelt leben, in welcher der Brennstoff praktisch unendlich zur Verfügung steht (auch Thorium oder Uran aus dem Meerwasser könnten verwendet werden), und wo die maximale Einschlusszeit für den verbleibenden Abfall in einem Tiefenlager um Grössenordnungen kleiner wäre.

Fazit: In Zukunft werden wir den Bau von sicheren grossen Kernkraftwerken der Generation III erleben, hauptsächlich in Schwellenländern. Ab 2030 werden die ersten kleinen modularen Reaktoren SMR auf den Markt drängen. Mit den parallel dazu entwickelten Reaktoren der Generation IV, die vielleicht ab 2035 zur Verfügung stehen, wird es möglich sein, das nukleare Abfallproblem praktisch aus der Welt zu schaffen.

Und wie gross könnte der Anteil der nuklearen Stromerzeugung sein? Eine grosse Mehrheit der Energiesystem-Studien sieht diesen Anteil um das Jahr 2050 bei 10 bis 20 Prozent der weltweiten Stromerzeugung.

3 Kommentare zu “Die Zukunft der Kernenergie – Teil 2

  1. Johannis Nöggerath

    Das grösste Problem von Sonnen- & Windstrom – ist die fehlende technische Winterspeicherung der im Sommer anfallenden Elektrizitätsmengen aufgrund prinzipiell fehlender grosstechnischer Anlagen dazu. Erneuerbaren-Professor Andreas Züttel (EPFL) zeigt bei einem Ersatz der KKW (23TWh) durch PhotoVoltaik für 25% der Jahreszeit (also im Winter), dass eine Speichernotwendigkeit von 75GWh Batteriespeicherung plus 4x dieSpeicherkapazität des Pumpspeicherwerks Grand Dixence notwendig wäre.
    Doch dabei vergisst man gerne, dass die allergrösste Speicherkapazität heute das Zentrale nukleare Zwischenlager in Würenlingen ( ZZL) darstellt, wo die abgebrannten Brennelemente von 5 Jahrzehnten CH-KKW-Betrieb liegen. Die hier vorhandenenen Uran-238-Mengen könnten rechnerisch nach Einsatz in Reaktoren der Generation 4 die gesamte Schweiz über viele Jahrzehnte komplett mit Strom versorgen.

  2. Torsten Gürges

    Der Artikel fasst kurz und knapp Vieles gut zusammen! Danke dafür. Noch ein Argument: Fossile Brennstoffe werden irgendwann zur Neige gehen. Das wird, z.B. bei Kohle, zwar noch deutlich über 100 – 200 Jahre dauern, ist aber historisch betrachtet ein kurzer Zeitraum. Selbst wenn man die Ängste vor der „CO2 – Katstrophe“ nicht teilt, muss man sich also mittelfristig Gedanken machen: „Was kommt danach?“
    Falls man Bedenken oder sogar Angst vor CO2 hat, muss man das aber ebenfalls, denn z.B. Indien und China werden auf absehbare Zeit weiter fossile Brennstoffe verwenden (evtl. mit CCS, was aber nichts an deren Verbrauch ändert). Wenn also in Zukunft nicht die Kernfusion (oder noch ganz andere, momentan nicht angedachte Technologien) übernehmen, bleibt neben den Erneuerbaren, gegen die in richtiger Dosierung und an den richtigen Standorten nichts einzuwenden ist, WENN die Bilanz (ökologisch und ökonomisch!) stimmt, nur die Kernenergie. Und das sollten (und werden!) weiterentwickelte Reaktorkonzepte der Gen. IV und darüber sein.

  3. Arturo Romer

    Eine sehr gute und sachliche Information. Der Autor unterstreicht richtig, dass die künftigen Reaktoren der Generation IV (z.B. Thorium-Reaktoren mit Protonen-Beschleunigern) neben hoher energetischer Effizienz und Sicherheit auch eine perfekte Lösung im Rahmen der Abfallentsorgung garantieren werden.

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