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Rettet Terrapower oder NuScale die Renaissance der Kernenergie?

Erschienen 2019-12-30 im RP-Energie-Blog (als E-Mail-Newsletter erhältlich!)

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Autor: , RP-Energie-Lexikon, RP Photonics Consulting GmbH

Inhalt: Die Hoffnung auf eine Renaissance der Kernenergie wird für manche Beobachter durch Projekte wie die von Terrapower und Nuscale wiederbelebt. Hier werden die Charakteristika, Chancen und Probleme dieser Projekte diskutiert.

Rüdiger Paschotta

Einige hoffen ja seit längerer Zeit auf eine Renaissance der Kernenergie – entweder, weil sie schon immer für die Kernenergie waren oder weil sie das als für den Klimaschutz als unverzichtbar ansehen. Ob man das nun so sieht oder nicht, muss man aber anerkennen, dass dies überhaupt nicht klappt. Anstatt mit dem steigenden weltweiten Energiebedarf Schritt zu halten, nimmt die zunehmend überalterte Flotte von Kernreaktoren (weltweiter Durchschnitt des Alters: gut 30 Jahre) allmählich wieder ab. Zwar gibt es in einigen Ländern neue Bauprojekte, aber diese kommen in den meisten Fällen sehr schlecht voran – mit teils enorm langen Verzögerungen und vor allem regelmäßig mit extremen Überschreitungen der geplanten Kosten. Paradebeispiel hierfür sind Olkiluoto III in Finnland und Hinkley Point C in England, beide mit dem EPR = European Pressurised Reactor der Areva, sowie das Projekt von Vogtle Electric in Georgia, in diesem Fall mit dem Westinghouse AP1000. Jeder einzelne Fall verursacht Verluste in Milliardenhöhe – nicht gerade geeignet als ein Anreiz zur Nachahmung. Viele Projekte werden auch aufgegeben oder zurückgestellt. In China läuft es ein wenig besser, aber auch dort ist das Wachstum bei den erneuerbaren Energien und leider auch bei der Kohle weit stärker. Details finden Sie im "World Nuclear Industry Status Report 2019". Wohlgemerkt resultieren die genannten Probleme nur zu einem kleinen Teil aus Protesten der Bevölkerung, die sich um ihre Sicherheit sorgt; das größte Problem sind die ausufernden Kosten.

Neue Hoffnungen für eine Wiederbelebung der Kernenergie sind entstanden durch diverse Projekte zur Entwicklung neuer Reaktorkonzepte (wobei manches davon eigentlich vor Jahrzehnten aufgegebene Konzepte sind). Besonders viel Aufmerksamkeit hat die von Bill Gates gegründete Firma Terrapower erzielt, deren Projekt zwar auch auf einer sehr alten Idee beruht, aber in mancher Hinsicht tatsächlich sehr innovativ wirkt und immerhin in einigen Bereichen große Fortschritte verspricht. Ob man diese Versprechungen wird halten können, erscheint allerdings als sehr fraglich. Einen sehr viel konservativeren Ansatz verfolgt NuScale, der wohl chancenreichste Mitbewerber, ebenfalls eine US-Firma. Beide Projekte möchte ich im Folgenden etwas erläutern.

Terrapower

Terrapower setzt auf einen neuartigen Brutreaktor mit den folgenden Charakteristiken:

  • Entsprechend dem Grundprinzip des Brutreaktors wird der größte Teil des nuklearen Brennstoffs aus Uran 238 “erbrütet”, welches direkt nicht für einen Kernspaltungsreaktor geeignet wäre. Durch die Neutronenbestrahlung von Uran 238 entsteht Plutonium 239. Größtenteils könnte hierfür abgereichertes Uran verwendet werden, welches sonst kaum nutzbar wäre. Dieser Ansatz erlaubt eine viel bessere Ausnutzung des Urans, wodurch die Menschheit im Prinzip für sehr lange Zeit einen wesentlichen Teil ihres Energiebedarfs mit Uran decken könnte.
  • Anders als bei bisher erprobten Reaktorkonzepten soll das Plutonium direkt im Reaktor wieder gespalten werden, also zur Energieerzeugung beitragen, ohne dass es vorher entnommen und in einer Wiederaufarbeitungs-Anlage zu neuen Brennelementen verarbeitet werden muss. Dies soll ermöglicht werden durch das Prinzip des Laufwellen-Reaktors. Diese interessante Eigenschaft sollte einerseits die Kosten reduzieren und andererseits einen Sicherheitsgewinn bringen, indem die Proliferation waffenfähigen Materials mehr oder weniger erschwert wird.
  • Der erste Reaktor sollte 600 Megawatt elektrisch liefern, also etwas kleiner sein als heute übliche Reaktoren, aber die Leistung sollte später gesteigert werden; man hält also fest am Konzept des Großkraftwerks und damit am Einsatz praktisch nur für die zentrale Stromerzeugung.
  • Die Kühlung soll mit flüssigem Natrium erfolgen. Die Arbeitstemperatur des Reaktors wäre relativ hoch, was einen höheren Wirkungsgrad des Kraftwerks ermöglicht.
  • Der Kernbrennstoff soll nicht regelmäßig gewechselt werden müssen, sondern für Jahrzehnte im Reaktor bleiben können. Die Idee des Laufwellen-Reaktors bedeutet im Kern, dass sich die aktive Zone im Reaktor allmählich quasi durch einen großen Uranvorrat frisst. Allerdings funktioniert dies gemäß Computersimulationen nicht so schön, wie ursprünglich erhofft, weswegen Terrapower komplizierte zusätzliche Einrichtungen zur ständigen Umschichtung des Brennstoffs vorsehen musste.

Bezüglich der anfallenden radioaktiven Abfälle kann ein Brutreaktor Prinzip erhebliche Vorteile erzielen (im Vergleich zu herkömmlichen Leichtwasserreaktoren). Allerdings ist vieles von dem, was diesbezüglich über das Terrapower-Projekt kursiert, irreführend bis unsinnig:

  • Zunächst einmal wird die Strahlung des Atommülls in den ersten tausenden von Jahren durch die Spaltprodukte dominiert, und die treten hier in ähnlicher Menge auf wie bei herkömmlichen Reaktoren. Transporte hochgefährlicher hochradioaktiver Abfälle bräuchte es also mit dieser Technologie genauso, und die für Endlager benötigten Kapazitäten würden nicht nennenswert reduziert, selbst wenn diese Technologie breit als Ersatz für herkömmliche Reaktoren eingesetzt würde.
  • Der Anteil der langlebigen Isotope könnte erheblich reduziert werden, was das langfristige Gefahrenpotenzial der Abfälle (über viele Tausende von Jahren) tatsächlich reduzieren könnte. Wie stark dies konkret beim Reaktor von Terrapower der Fall wäre, ist aber derzeit schwer zu sagen; es liegen noch kaum Informationen vor.
  • Teils wird behauptet, man könne den Terrapower-Reaktor sogar mit radioaktiven Abfällen füttern, um diese gleichzeitig zu nutzen und zu vernichten. Dies beruht offenbar darauf, dass man das oben genannte abgereicherte Uran als radioaktiven Abfall deklariert. Dies ist zwar nicht ganz falsch, weil das Material tatsächlich (aber ganz schwach) strahlt und sonst kaum brauchbar ist, aber die Bezeichnung ist grob irreführend: Viele werden dabei an das hochgefährliche hochradioaktive Material denken, welches so enorm schwer sicher zu entsorgen ist. Dieses jedoch würde der Terrapower-Reaktor erzeugen und nicht etwa als Kernbrennstoff nutzen und beseitigen können.

Also würde das neue Brutreaktorkonzept keineswegs das bestehende Atommüllproblem entschärfen, sondern lediglich ein Stück weniger stark dazu beitragen, jedenfalls was die ganz langfristige Problematik betrifft. Wie stark die behaupteten Vorteile bzgl. Proliferation wären, ist ebenfalls noch nicht klar. Bezüglich der Betriebssicherheit könnte das Reaktorkonzept an sich funktionieren; jedoch ist auch zu beachten, dass neue Probleme entstehen, wenn eine Vielzahl kleiner Reaktoren über das Land verstreut betrieben werden, tendenziell schlechter überwacht, mit vielen Atomtransporten, etc.; ob das Gesamtsystem also am Ende sicherer würde, kann man bezweifeln.

Zuerst einmal müsste jedoch so ein Reaktor überhaupt erfolgreich demonstriert werden. Bislang (13 Jahre nach der Firmengründung) gibt es noch keinen Prototypen. Eine erster Reaktor sollte ursprünglich in Zusammenarbeit mit einer staatlichen chinesischen Kernenergiefirma zu Ende entwickelt und bis ca. 2025 in China gebaut werden. Daraus wurde aber nichts wegen Verboten durch das Department of Energy. Mit dem aktuellen Handelskonflikt hat das anders als häufig behauptet wenig zu tun; die angegebenen Gründe stützen sich auf die Besorgnis, dass China die Technologie militärisch nutzen könnte. Man sollte sich also fragen, ob die Vorteile bezüglich Proliferation wirklich so überzeugend sind. Nachdem das China-Projekt nun als gescheitert gelten muss, sucht Terrapower nach einer Möglichkeit, in den USA einen Prototypen zu bauen – was aber nicht einmal Bill Gates als Milliardär stemmen kann; er braucht weitere Investoren.

Das Projekt stößt nun aber auf große Skepsis in der Kernenergie-Community. Schließlich hat diese sich vor vielen Jahren nicht ohne Gründe gegen Brutreaktoren entschieden; vor allem waren die damals in verschiedenen Ländern (USA, Frankreich, Japan, Russland etc.) gemachten praktischen Erfahrungen niederschmetternd. Zum Teil lag dies am Konzept der Natrium-Kühlung, das Terrapower nun wiederbeleben möchte. Ein weiteres großes Problem bedeutet die extreme Strahlenbelastung der Brennstab-Hüllen – mit hoher Intensität, bei Terrapower sogar über viele Jahrzehnte. Ein Material (etwa ein Stahl), welches dies aushält, existiert bislang nicht. Angeblich hat Terrapower hierbei in Kooperation mit Russland gewisse Fortschritte erzielt, aber vermutlich keine ausreichenden.

Interessanterweise präsentiert Terrapower seit einiger Zeit noch ein zweites Brutreaktor-Konzept mit einem Flüssigsalzreaktor. Auch dies ist ein vor Jahrzehnten erfundenes und ein Stück weit erprobtes Konzept, welches jedoch vor langer Zeit aufgegeben wurde, weil es nicht richtig funktionierte. Insbesondere die bei hohen Temperaturen enorm korrosive Wirkungs des Salzes ist hier ein schweres technisches Problem. Für mich wirkt es nicht überzeugend, dass man ein zweites Konzept (mit anderen technischen Schwierigkeiten) anpreist, bevor man das erste realisiert hat.

Man darf gespannt sein, ob Terrapower das Projekt tatsächlich noch stemmen kann, indem es Milliarden an zusätzlichen Investorengeldern akquiriert. Die Chancen hierfür scheinen eher schlecht zu stehen. Insbesondere gibt es natürlich die große Sorge, dass die Kosten völlig außer Kontrolle geraten könnten; wenn dies schon bei ziemlich herkömmlichen Reaktorkonzepten wie dem Areva-EPR oder dem AP1000 von Westinghouse passiert, ist es bei einem noch nie erprobten Konzept natürlich noch viel mehr zu befürchten.

NuScale

Die Firma NuScale verfolgt einen völlig anderen Ansatz als Terrapower. Man setzt auf das bewährte Prinzip des Leichtwasserreaktors – mit angereichertem Uran als Kernbrennstoff und Wasser als Kühlmittel und Moderator. Der Unterschied ist im Wesentlichen nur, dass der Reaktor sehr viel kleiner gebaut wird mit einem entsprechend angepassten Design, welches einige Vorteile bringen soll. Vor allem wird hier eine “inhärente Sicherheit” angestrebt. Die geringe Größe entschärft in der Tat das Problem der Nachzerfallswärme der Spaltprodukte wesentlich; ein solcher Reaktor kann auch ohne aktive Kühlung in einem sicheren Zustand bleiben – anders als die großen Reaktoren von Fukushima, die zwar nach dem Tsunami problemlos abgeschaltet werden konnten, aber dann durch den Ausfall von Stromnetzen und Notstromversorgung, somit auch der Kühlung, in eine Kernschmelze mit katastrophalen und äußerst kostspieligen Folgen liefen. Große Reaktorleistungen lassen sich trotzdem erzielen, indem man einfach mehrere oder sogar Dutzende von Reaktormodulen miteinander kombiniert. Das modulare Konzept erleichtert natürlich die Anpassung der Leistung auf den jeweiligen Bedarf.

Sekundäre Vorteile der geringen Reaktorgröße sind, dass beispielsweise auf eine Primärkreispumpe und die dafür notwendige Sicherung der Stromversorgung verzichtet werden kann. Auch andere aufwändige Sicherheitsmaßnahmen können entfallen. Außerdem ist wegen der Möglichkeit eines Transports des kompakten Reaktors eine Fertigung in der Fabrik anstatt am vorgesehenen Betriebsort möglich, was ebenfalls deutliche Vorteile bringt.

Auf der anderen Seite hat das Herunterskalieren natürlich auch wesentliche Nachteile zur Folge; schließlich kam man weltweit nicht ohne gute Gründe auf eine typische Reaktorleistung von ein paar Gigawatt (für eine elektrische Leistung in der Größenordnung von ein bis zwei Gigawatt). Es wird jedenfalls schwieriger, so eine gute Brennstoffausnutzung zu erzielen und vor allem auch genügend niedrige Bau- und Betriebskosten. Aber natürlich muss man zumindest das erste Bauprojekt abwarten, um wirklich beurteilen zu können, wie groß diverse Vorteile und Nachteile bezüglich Kosten möglich sind.

Ein Vorteil der geringen Größe wird übrigens auch darin gesehen, dass sie weitere Anwendungsmöglichkeiten eröffnet – nicht nur für die Stromerzeugung in kleinerem Maßstab, also beispielsweise in dünn besiedelten Regionen, sondern auch für Dinge wie die Erzeugung von Prozesswärme für die Industrie und die Meerwasserentsalzung.

Wohlgemerkt können bestimmte wichtige Vorteile des Brutreaktor-Konzepts mit dem NuScale-Ansatz des modularen Leichtwasserreaktors niemals erzielt werden, insbesondere nicht die massiv verbesserte Brennstoffausnutzung und Vorteile bezüglich der anfallenden radioaktiven Abfälle.

Auch das NuScale-Projekt trifft aus den genannten Gründen auf eine große Skepsis, gerade auch aus dem Atom-Establishment. Es bleibt abzuwarten, ob es trotzdem in die Gänge kommt. immerhin gibt es konkrete Pläne für erste Projekte, insbesondere für einen Reaktor in Idaho (USA). Durch die Fokussierung auf den amerikanischen Markt wird NuScale nicht wie Terrapower von den Spannungen mit China tangiert. Allerdings ist der amerikanische Markt für die Kernenergie ein ziemlich schwieriger, weil CO2-Reduktionen durch den dort weitgehend blockierten Klimaschutz nicht belohnt werden und das Strompreisniveau zumindest noch für einige Zeit durch Fracking-Gas recht niedrig ist. Eine positive Einstellung der Politik gegenüber der Kernenergie hilft da wenig, solange sie nicht Milliarden hierfür locker macht.

Fazit

Im Prinzip ist es denkbar, dass die Kernenergie jahrzehntelang einfach nur mit den falschen Konzepten betrieben wurde, dies sich aber nun noch korrigieren lässt – in dem man bessere Konzepte entwickelt, erfolgreich demonstriert und dann weltweit einsetzt. Allerdings spricht wenig dafür, dass dies wirklich so funktionieren wird.

Am ehesten werden relativ leicht modifizierte Konzepte wie das von NuScale eine gewisse Chance erhalten, aber da diese nur sehr begrenzte Vorteile versprechen können, dürfte das die Zukunft der Kernenergie insgesamt kaum beeinflussen können. Potenziell wesentlich gewichtigere Vorteile würde ein radikaler Ansatz wie der von Terrapower bieten, aber der müsste eben erst einmal technisch und wirtschaftlich funktionieren – wonach es bislang nicht aussieht.

Eine wesentliche Gefahr der genannten Entwicklungen sehe ich deswegen nicht etwa in einer Renaissance der Kernenergie, mit weiter zunehmenden Gefahren von Atomunfällen, der Weiterverbreitung von Atomwaffen usw. Viel mehr fürchte ich, dass sich diverse Leute (besonders in der Politik) an solche vermutlich irreführende Hoffnungen klammern und deswegen mit den Klimaschutz-Bemühungen weiterhin nicht ernst machen werden. Dabei ist eigentlich heute schon sehr klar, dass es irr wäre, auf der Basis solcher Luftschlösser nicht energisch zu handeln – wohlgemerkt nicht nur auf dem Sektor der Stromerzeugung, sondern in allen Sektoren, einschließlich Verkehr, Wärme, Industrie etc. Aber wir wissen ja, dass Menschen oft allzu gerne auf Luftschlösser starren, um ihre fahrlässige Untätigkeit zu verschleiern oder entschuldigen.

Dieser Artikel erschien als Teil des RP-Energie-Blogs von Dr. Rüdiger Paschotta. Sie können Links auf diese Seite setzen, da ihre Adresse permanent ist, und die Seite auch zitieren. Siehe auch das RP-Energie-Lexikon.

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