Kleine modulare Reaktoren boomen

Der Originalbeitrag ist als „Schlumpfs Grafik 49“ im Online-Nebelspalter vom 27. Juni 2022 zu lesen.

Stellen Sie sich vor, zuverlässig steuerbarer elektrischer Strom könnte sicher, kostengünstig, flexibel einsetzbar und klimaneutral produziert werden. Ein solches Traumziel wird hoffentlich mit den «Small Modular Reactors» (SMR) in wenigen Jahren Realität werden. 

Reaktoren mit kleinerer Leistung sind billiger

Welches sind die spezifischen Eigenschaften solcher kleinen modularen Kernreaktoren? Wie ihr Name sagt, haben sie eine deutlich kleinere Leistung, als die heute im Bau stehenden Anlagen. Die Internationale Atomenergie-Organisation (IAEO) fasst Reaktoren unter 300 Megawatt Leistung in der Kategorie der SMR zusammen. Zum Vergleich: Das Kernkraftwerk Leibstadt weist eine elektrische Leistung von 1220 Megawatt aus, und die aktuell gebauten EPR-Anlagen in Finnland, Frankreich und England eine solche von 1650 Megawatt.

Die massiven Kostenüberschreitungen bei diesen EPR haben in der Kernenergie-Branche zu einem Umdenken geführt, dass man nun vermehrt auch auf kleinere Leistungseinheiten setzen will. Mit den dadurch stark verringerten Baukosten hofft man für Investoren attraktiver zu sein, zumal solche Anlagen im Baukastenprinzip fast beliebig ausgebaut werden können. Auch die weitgehend vollständige Fertigung in einer Fabrik – ohne aufwändiges Zusammenbauen vor Ort – sollte zur Kostenminderung beitragen.

Weltweit über 70 Prototypen von SMR in Planung

Ein weiterer Vorteil dieser Kleinanlagen liegt bei der Sicherheit. Praktisch alle Projekttypen weisen ein sehr hohes Mass an sogenannter passiver, das heisst physikalisch inhärenter Sicherheit auf. Darunter versteht man, dass bei Störfällen kein aktives Eingreifen der Betriebsmannschaft nötig ist, und die Sicherheit des Reaktors ohne externe Energie- und Wasserzufuhr gewährleistet bleibt. Weil Vieles in diesen Konzepten auf passive Sicherheit ausgelegt ist, kann auch die Wartung auf ein Minimum beschränkt werden. Und sogar das Nachladen mit Brennstoff ist bei einigen Modellen erst nach Jahren oder sogar Jahrzehnten nötig.

Weil mit diesen neuen Reaktorkonzepten sehr hohe Betriebstemperaturen erreicht werden können, eignen sich viele SMR neben der Stromerzeugung auch für die Auskopplung von Wärme für Heizungen oder industrielle Prozesse. Zudem ermöglicht ihre kompakte Form eine unterirdische Bauweise: Die Anlagen können nahe bei den Konsumenten erstellt werden, was Infrastrukturen für die Stromverteilung auf ein Minimum reduziert. In ihrer jüngsten Zusammenstellung listet die IAEO denn auch über 70 laufende Projekte in achtzehn Ländern mit unterschiedlichsten Konzepten auf (siehe hier). Diejenigen daraus, die am weitesten fortgeschritten sind, zeigt die folgende Grafik des Nuklearforums Schweiz (siehe hier).

Drei Anlagen sind schon in Betrieb, vier im Bau

Wie man sieht, gibt es erst drei sehr kleine Reaktoren, die in Betrieb sind (über den Betriebszustand gibt die Legende links Auskunft): Die zwei KLT-40S im schwimmenden russischen Kernkraftwerk «Akademik Lomonosow», sowie zwei gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren: der chinesische Minireaktor HTR-10 und der japanische Testreaktor HTTR-30. Diese Anlage, die nach der Fukushima-Katastrophe für mehrere Jahre stillgelegt worden war, ist seit Ende Juli 2021 wieder in Betrieb und hat im Januar 2022 einen wichtigen Test bestanden.

Vier Reaktoren befinden sich derzeit im Bau. Drei davon mit Leistungen zwischen 100 und 300 Megawatt liegen ebenfalls in Russland und China. Dazu kommt der 30 Megawatt-Reaktor CAREM, mit dem sich Argentinien zum ersten Mal beim Reaktorbau versucht. Die geplante Fertigstellung all dieser Anlagen liegt zwischen 2023 und 2026.

Kein europäisches Projekt im Zertifizierungsprozess

Eine wichtige Hürde bei der Realisierung eines solchen Reaktors liegt in der typenspezifischen Zertifizierung des Projekts. Damit ist gewährleistet, dass die Anlage auch in anderen Ländern gebaut werden kann. Diesen Schritt haben das SMART-Projekt in Südkorea und neuerdings auch der NuScale-Reaktor in den USA gemacht (ist in der Grafik noch nicht nachgeführt). Wenn wir dazu die beiden Typen in den USA und Russland rechnen, die noch im Zertifizierungsprozess stehen, fällt aus der Optik der Europäer auf, dass wir bei dieser Technologieentwicklung im Hintertreffen sind.

Dieses betrübliche Bild hat damit zu tun, dass in Europa seit den 1970er Jahren eine starke Anti-Nuklear-Bewegung aktiv ist, die in vielen Ländern zur Ausgrenzung der Kerntechnologie geführt hat. Trotzdem gibt es auch in Europa Länder, die sich für SMR interessieren. Allen voran Grossbritannien, das mit Rolls-Royce eine Firma unterstützt, die ihren Prototypen nach 2030 zum Einsatz bringen will. Interesse am Kauf von SMR haben zudem Polen, Estland, Rumänien, Bulgarien und Tschechien.

NuScale aus Oregon ist der Spitzenreiter im Westen

Im westlichen Einflussbereich sieht der Grossteil der Szenenkenner das an der Oregon State University entwickelte NuScale Power Module an der Spitze im Rennen um die erste kommerziell erfolgreiche Realisierung eines SMR (siehe hier). Schauen wir uns diesen Prototypen genauer an. Die nächste Grafik zeigt die Integralbauweise dieses Reaktors, der auf der bekannten Leichtwasser-Reaktortechnik aufbaut.

SMR auch als flexible Ergänzung zu Wind und Sonne

Links ist ein Einzelmodul mit doppeltem Containment mit 77 MW elektrischer Leistung abgebildet. Rechts sieht man ein wassergeflutetes unterirdisches Sicherheitsgebäude, das bis zu sechs dieser Module aufnehmen kann. Nach neuesten Angaben sollen sogar bis zu zwölf Modulen eingebaut werden können. Jedes einzelne dieser Module kann individuell gesteuert und für verschiedene Anwendungen zum Einsatz gebracht werden. Damit wird dieser Reaktor zu einem sehr flexibel einsetzbaren Energie-Erzeuger, der auch im Zusammenspiel mit den neuen Erneuerbaren bestens funktioniert. Selbstverständlich sind alle kritischen Komponenten auf vollständig passive Sicherheit ausgerichtet.

NuScale plant ab 2027 an den Markt zu gehen. Interessierte Abnehmer gibt es bisher aus Jordanien, Kanada, Rumänien und Tschechien. Für die Weiterentwicklung der Kerntechnologie wird dieser erste Markteintritt eines SMR entscheidend sein: Gelingt er, wäre damit eine Art von Traumziel erreicht, das wohl auch für alternative Nachfolgeprojekte türöffnend wirken könnte.

Transmutex aus Genf will den Brennstoffkreislauf schliessen

Und zum Schluss noch eine positive Nachricht aus der Schweiz: Im 2019 in Genf gegründeten Start-up Transmutex (siehe hier) wird an einem neuen Reaktor auf Thorium-Basis in Kombination mit einem Teilchenbeschleuniger gearbeitet, der imstand sein soll, radioaktive Abfälle aus Brennstoffen wieder zu verwenden. Die Firma glaubt, in zehn Jahren einen funktionierenden Prototypen zu haben. Dazu kann man nur viel Glück wünschen.