Die Rede ist von der Entwicklung kleiner Kernreaktoren mit der Bezeichnung „Small Modular Reactor“ (SMR) unter anderem in China, Kanada, Russland und USA, die jetzt wieder Fahrt aufnimmt und für Leistungen bis 300 MWe pro Einheit konzipiert sind. Kleine Reaktoren sind im Prinzip nichts Neues. Sie wurden für spezielle Aufgaben und Einsätze (Militär, Raumfahrt, Marine, ablegene Standorte) entwickelt, gebaut und betrieben. Die Vielfalt der entwickelten Technologien wurde in 2011 bereits von G. Keil in einem Überblick zusammengestellt. Das jetzige Interesse rührt von ihren Einsatzmöglichkeiten her, für Einsatzgebiete, bei denen große Kernkraftwerke ungeeignet oder unrentabel wären. Wie kam es dazu?
Im Laufe der Kernreaktorentwicklung wurde davon ausgegangen, dass eine Vergrößerung der Reaktorleistung (Kosten-)Vorteile bringen würde. Diese Logik hat sich bis zu dem Punkt entwickelt, dass jetzt Einheiten mit bis zu 1750 MWe (Megawatt elektrisch – das Maß für die Leistungsabgabe) in Betrieb sind. Die zunehmende Größe bringt jedoch Herausforderungen mit sich: Größere Einheiten lassen sich nur schwer operativ in etwas anderem als in Höchstspannungsnetze integrieren.
Mit zunehmender Leistung stieg die technische Komplexität und die Anforderungen an die sicherheitstechnischen Maßnahmen. Größere Leistungen bedeuten inzwischen enorme Kosten mit extremen kalkulatorischen Unsicherheiten und dadurch bedingte Finanzierungschwierigkeiten, zeitraubende Genehmigungsverfahren mit ständig steigenden Sicherheitsauflagen und Ungewissheiten an deren Ausgang (zumindest in den westlichen Ländern), zunehmendes Kernbrennstoff-Inventar, zunehmende Aktivität und zunehmende Nachzerfallswärme. Die Nachzerfallswärme und deren sichere Ableitung ist die alles entscheidende Bestimmungsgröße für die Reaktorsicherheit (Zerfallswärme ist die fortlaufende Erzeugung von Wärme aus Spaltprodukten im Brennstoff, auch nach dem Abschalten). In den Tagen und Wochen unmittelbar nach dem Abschalten eines großen Reaktors kann die Nachwärme mehrere zehn Megawatt betragen. Hinzu kommt die Ablehnung der Kernenergie in Teilen der Bevölkerung, die infolge der Reaktorunfälle in Tschernobyl und Fukushima durchaus verständlich ist, sicherlich aber auch von der Reaktorgröße und damit verbundenem Risiko geprägt wurde.
Kleine Reaktoren, also SMR, bieten dem gegenüber wirtschaftliche und technische Vorteile, die das Interesse in vielen Ländern, vor allem in Entwicklungs- und Schwellenländern hervorgerufen haben.
Das „M“ in SMR weist auf ihre Modulbauweise hin, was die Möglichkeit des Zubaus weiterer Einheiten erlaubt und so dem jeweiligen Bedarf angepasst werden kann. Während bei einer Großanlage umfangreiche Komponenten auf der Baustelle – in speziell errichteten (Einmal-) Werkstätten – gefertigt werden müssen, ist dies bei kleinen Moduln nicht der Fall. Diese können beim Hersteller gefertigt und zusammengebaut werden und – wegen ihrer Kleinheit – auf Fahrzeugen zum Standort gebracht werden.
Größenvergleich Olkiluoto in Bau und SMR-Transport, Quelle: Schaffrath [2]
Die SMR-Designs zeichnen sich hauptsächlich durch eine hohe Kompaktheit aus, die die Modularität unterstützt. Modularität führt wiederum zu einer großen Platzersparnis. Viele der SMR werden als integrales Design vorgeschlagen. Integral bedeutet, dass die Komponenten des Primärkühlmittelkreislaufs (z. B. Kern, Dampferzeuger, Hauptkühlmittelpumpen (wenn das jeweilige SMR über eine erzwungene Konvektionskühlung verfügt)) innerhalb des Reaktordruckbehälters angeordnet sind. Kühlmittelverlustunfälle sind konstruktionsbedingt ausgeschlossen, da keine Verbindungsleitungen erforderlich sind. In einigen Fällen sind auch die Steuerstabantriebe in den Reaktordruckbehälter integriert.
SMR-Anbieter bieten nach OECD/NEA-Angaben [1] die folgenden Vorteile kleiner modularer Reaktoren:
- SMR-Designer betonen, dass ihre Konzepte eine verbesserte nukleare Sicherheit bieten und die Implementierung einzigartiger passiver Funktionen ermöglichen. Ein ganz entscheidender Vorteil gegenüber den großen Kernkraftwerke ist die passive Nachwärmeabfuhr (ohne stromversorgte Aggregate) bei Ausfall der Kühlkreise, die keiner manuellen Eingriffe bedarf.
- Viele SMR-Designs profitieren von einer reduzierten Anzahl von Strukturen, Systemen und Komponenten sowie von vereinfachten Stromumwandlungssystemen.
- Aufgrund der geringeren Vorabinvestitionen für eine Einheit wird erwartet, dass Anlagen mit SMR leichter zu finanzieren sind.
- Anlagen mit mehreren SMR-Einheiten bieten eine bessere Flexibilität für Versorgungsunternehmen, die auf den Märkten mit großen Anteilen variabler erneuerbarer Energieerzeugungsressourcen oder in kleinen Netzen tätig sind. Die meisten SMR-Konstruktionen haben ein hohes Potenzial für den Betrieb in Lastfolgezuständen (bedarfsgerechte Regelbarkeit).
- Die Anforderungen an die Übertragungsinfrastruktur könnten für SMRs geringer sein als für fortgeschrittene Leichtwasserreaktoren (ALWR) (wegen geringerer Stromabgabe). Dies macht sie für den Einsatz an einer größeren Anzahl von Standorten geeignet.
- In Bezug auf das Personalmanagement von Teams, die am Betrieb und am Ausfallmanagement beteiligt sind, bietet es Vorteile, mehrere identische SMR-Einheiten anstelle einer großen Einheit zu haben. Darüber hinaus hilft die Konfiguration mit mehreren Einheiten, eine lange Ausfallzeit (im Vergleich zu ALWR) durch Wartung und Brennelementwechsel von Einheit zu Einheit zu vermeiden.
- Die Energieabgabe von SMR ist für bestehende Wärme- und Wasserverteilungsnetze geeignet. Daher könnten SMR ein höheres KWK-Potenzial wie Wasserentsalzung und Fernwärme bieten. Die inhärente Sicherheit gestattet, dass SMR in der Nähe von Ballungsräumen aufgestellt werden und Fernwärmesysteme mit Wärme versorgen können.
- Die Modularität der Konstruktion und kleine Einheiten ermöglichen eine einfachere Außerbetriebnahme.
OECD/NEA erwartet [1], dass nach den heute verfügbaren Schätzungen SMR niedrigere absolute und pro kWe Gesamtbaukosten aufweisen wird als ALWR, wenn die Wettbewerbsvorteile von SMR realisiert werden. Dies wäre möglich, wenn SMR in großen Stückzahlen, durch optimierte Lieferketten und mit geringeren Finanzierungskosten hergestellt würden. Nach Schätzungen der Anbieter erfordern die meisten SMR-Konstruktionen den Bau von fünf bis sieben Anlagen, um das Beste aus der Einrichtung und den Erfahrungen mit Lieferketten herauszuholen. Die Größe des SMR-Marktes ist daher besonders wichtig, um das gewünschte Maß an Wettbewerbsfähigkeit zu erreichen.
Nach dem Bericht von Schaffrath et.al. [2] sind kleine modulare Reaktoren eine interessante Option für Neubauten in fast allen Ländern der Welt, die weiterhin Kernenergie für die kommerzielle Stromerzeugung nutzen oder die erstmalig in die Nutzung einsteigen. Derzeit sind vier SMRs in Betrieb (Tab.1), weitere sechs SMRs befinden sich im Bau (Tab.2) und elf befinden sich in einem fortgeschrittenen Planungsstadium.
Quelle: Schaffrath et.al. [2]
Schaffrath et.al. [2] kamen zu dem Ergebnis, dass das Sicherheitsniveau z. B. durch ein fortschrittliches, konservatives Design, die Implementierung neuer Sicherheitsmerkmale (z. B. passive Sicherheitssysteme) und den Ausschluss von Unfällen erhöht wurde. Daher könnten SMR – wenn durch Sicherheitsanalysen nachgewiesen – zu den sichersten Reaktoren gehören, die jemals gebaut wurden. Die Fabrikfertigung minimiere das (finanzielle) Risiko von Bauverzögerungen.
Beispielhaft folgende Meldung der Associated Press vom 2.9.2020: “Die US-amerikanische Nuclear Regulatory Commission hat heute den Antrag von NuScale Power aus Portland für den kleinen modularen Reaktor genehmigt, den Utah Associated Municipal Power Systems an einem Standort des US-Energieministeriums im Osten Idahos bauen will.
Die kleinen Reaktoren können etwa 60 Megawatt Energie produzieren oder genug, um mehr als 50.000 Haushalte mit Strom zu versorgen. Das vorgeschlagene Projekt umfasst 12 kleine modulare Reaktoren. Der erste sollte 2029 gebaut werden, der Rest 2030. Laut NuScale verfügen die Reaktoren über erweiterte Sicherheitsfunktionen, einschließlich Selbstkühlung und automatischer Abschaltung.
Was zeigt, die Entwicklung von fortschrittlichen Kernreaktoren und deren Bau schreitet weltweit voran. Dessen ungeachtet wird Deutschland sich als eine der größten (noch) Industrienationen der Welt in zwei Jahren aus der friedlichen Nutzung der Kernenergie verabschieden, entgegen dem weltweiten Nutzungstrend der Kernenergie. Deutschland wird die Nutzung kleiner modularer Reaktoren wie auch der weiteren Reaktorentwicklungen nur noch als Zaungast verfolgen können. Wie allerdings dem Schaffrath et.al.-Bericht [2] zu entnehmen ist, „möchte die Bundesregierung (gleichwohl) legitime nukleare Sicherheits- und /oder Sicherungsinteressen geltend machen, z. B. durch die Förderung umfassender Sicherheitsüberprüfungen und ehrgeiziger verbindlicher Ziele für die neuen Gebäude (einschließlich SMRs) in unserer Nachbarschaft.“ Was ihr nur im Rahmen und auf der Grundlage des EURATOM-Vertrages möglich ist. Doch wie das belgische Beispiel zeigt, werden sich die (Nachbar-)Staaten nicht in ihr Energieprogramm reinreden lassen. Schon gar nicht von Staaten, deren nuklearen Kenntnisse einer Halbwertszeit unterliegen.
Nukleartechnisch wird Deutschland in nicht allzu ferner Zukunft in Europa auf einer Stufe mit Dänemark und Österreich stehen.
[1] OECD/NEA, Nuclear Development 2016, „Small Modular Reactors: Nuclear Energy Market Potential for Near-term Deployment”
[2] Andreas Schaffrath, Sebastian Buchholz, “SMRs – Overview on International Developments and Safety Features”, atw Vol. 64 (2019), 6/7, Seite 336 ff. Beide Autoren gehören der GRS-Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit an. Die GRS ist eine Gutachterorganisation des Bundes.