„Clean coal“ bereits auf dem Vormarsch?

Vor einigen Wochen wurde die Anlage Petra Nova im Kraftwerk W. A. Parish, südwestlich von Houston Texas zum „Kohlekraftwerk des Jahres“ gewählt. Parish ist einer der größten Kraftwerke der USA und versorgt den Großraum Houston mit 3700 MW aus Kohle- und Erdgasblöcken.

Die Energiesituation im Süden der USA

Auch in den USA stehen die Energieversorger vor ähnlichen politischen Problemen wie in Deutschland: Die sog. „Erneuerbaren Energien“ wurden auch dort mit Subventionen in den Markt gedrückt und zerstören nicht nur die vorhandene Infrastruktur, sondern schmälern vor allen Dingen auch die Ertragskraft der Unternehmen. Allerdings agiert man dort wesentlich flexibler. Obwohl z. B. Texas bessere Voraussetzungen für „Alternative Energien“ mitbringt als Deutschland, setzt man dort nicht nur auf die Karten Wind und Sonne. Texas ist doppelt so groß wie Deutschland, hat aber nur rund 21 Millionen Einwohner die sich überwiegend in wenigen Großräumen konzentrieren. Anders als in Deutschland, gibt es genug unbesiedeltes Land, in dem „Windparks“ die Einwohner weit weniger belästigen. Außerdem liegt es auf der Breite der Sahara und es mangelt daher nicht an Wind und Sonnenschein. Obwohl die Bedingungen – verglichen mit Deutschland – ideal erscheinen, kommt es auch dort zu den bekannten Problemen im Netz. Man setzt daher weiterhin auf fossile Kraftwerke und Kernenergie. Wind und Sonne sieht man nur als „Additive Energien“ mit eingeschränktem Nutzen. Bisher waren sie wegen hoher Subventionen und besonderen Privilegien lediglich für Anleger attraktiv. Anders als in Deutschland, ist man sich aber auch regierungsseitig (insbesondere auf der Ebene des Bundesstaates Texas) der Konsequenzen hoher Strompreise bewußt. Langfristig bleibt nur Kohle und Kernenergie übrig. Texas hat zwar Öl und Erdgas im Überfluß, beide Energieträger sind aber – wegen der hohen Weltmarktpreise – viel zu wertvoll geworden, um sie in Kraftwerken zu verfeuern. Sinnigerweise steigt der Gasexport ins Nachbarland Mexico ständig an, da dort die verstaatlichte Ölindustrie unfähig ist, die Produktion bei steigender Nachfrage auch nur zu halten. Gleichzeitig findet ein enormer Ausbau der Gasverflüssigungsanlagen an der Golfküste statt. Hiermit hat man neben Asien und Mittelamerika vor allem Europa als Absatzgebiet im Auge.

Heute ist bereits der Brennstoff Kohle an der Golfküste wieder billiger als Erdgas. Die Produktionskosten in den Tagebauen des Powder River Basin (im Bundesstaat Wyoming und Montana) sind so gering, daß selbst die Transportkosten über tausende Kilometer nicht ins Gewicht fallen. Nachdem die obamaschen „Klimaerlasse“ von Trump wieder außer Kraft gesetzt wurden, rollen täglich bereits wieder über 60 Ganzzüge (meist jeweils über 100 Waggons mit 10.000 to Kohle pro Zug) in alle Regionen der USA.

Schwierig bleibt nach wie vor die Situation der Kernenergie im Süden der USA. Die nach wie vor existierende Unsicherheit über die zu erwartende Bauzeit eines Neubaues, führen zu seit Jahrzehnten andauernden Planungen ohne Aussicht auf kurzfristige Umsetzung. Für ein privates EVU ist ein solches Risiko einfach nicht zu stemmen. Staatliche Förderung von Wind und Sonne auf Kosten des Steuerzahlers bei gleichzeitig privatwirtschaftlicher Kernenergie, geht einfach nicht zusammen. Dies ist und bleibt eine doppelte Benachteiligung.

Abgas als Wertstoff

In dieser durch die Politik geschaffenen Situation der „Klimarettung“ suchen die Energieversorger Hände ringend nach neuen Einnahmequellen. NRG Energy hat den Entschluß gefaßt, aus dem Abfall der Stromproduktion einen Wertstoff und ein Produkt zu machen. Der Wertstoff ist überkritisches Kohlenstoffdioxid. Das Produkt ist Erdöl.

Wenn man das CO2 aus dem Abgas abscheidet und es auf über 70 bar verdichtet, gelangt es bei Umgebungstemperatur in seinen überkritischen Zustand: Es ist flüssig, bleibt aber ähnlich dünnflüssig wie ein Gas. Es dringt damit auch in feinste Poren ein. Zusätzlich sind organische Stoffe besonders gut in ihm löslich. Beste Voraussetzungen für EOR (Enhanced Oil Recovery).

Wenn sich aus einem Ölfeld kein Öl mehr hochpumpen läßt, – es umgangssprachlich erschöpft ist – befinden sich trotzdem noch etwa 40 bis 60 % der ursprünglichen Ölmenge in ihm gefangen. Dieses Restöl herauszulösen, ist das Gebiet des EOR. Je nach Vorkommen, gibt es unterschiedliche Verfahren zu unterschiedlichen (hohen) Kosten. Ein Favorit ist das Fluten mit überkritischem CO2. Mit diesem Verfahren lassen sich rund weitere 20 Prozentpunkte der ursprünglichen Ölmenge gewinnen. Dies sind gewaltige „neue Ölvorkommen“, wenn man die weltweite Anzahl bereits versiegter Quellen in Rechnung stellt. Wie alles, ist dies eine Frage der Kosten. Auf der Habenseite steht der aktuelle Ölpreis. Auf der Sollseite die Kosten für Gewinnung und Transport des überkritischen CO2. Die Differenz muß noch die zusätzlich anfallenden Kosten decken, was dann allerdings übrig bleibt ist Gewinn.

Welche Felder eignen sich besonders?

Ein Ölfeld besteht nicht nur aus gebohrten Löchern. Es erfordert auch eine erhebliche oberirdische Infrastruktur: Rohrleitungen, Stromversorgung, Straßen, Pumpstationen, Aufbereitungs- und Tankanlagen etc. All diese Anlagen sind bereits in der Phase der konventionellen Förderung vorhanden und abgeschrieben worden. Die Zusatzinvestitionen für eine Flutung mit überkritischem CO2 halten sich in Grenzen – wenn man genug CO2 an Ort und Stelle zur Verfügung hat. Aus Erfahrung (natürliche CO2 Lagerstätten in der Nähe) weiß man, daß EOR ein hoch profitables Geschäft ist.

In dem hier beschriebenen Fall des Ölfelds West Ranch gelang auf Anhieb eine Steigerung von nur noch 300 auf 4000 barrel pro Tag. Man geht nach optimaler Einstellung von einer Förderung von 15.000 barrel pro Tag aus. Über die Jahre – auch bei einem Ölpreis von 50 USD/barrel – ein hübsches Sümmchen an zusätzlichen Einnahmen für die Ölgesellschaft JX Nippon. Man geht von 60 Millionen barrel aus, die aus diesem Feld zusätzlich durch diese Methode gewonnen werden können.

Das Ölfeld West Ranch liegt 130 km westlich vom Kraftwerk. Für den Transport des CO2 mußte eine unterirdische Pipeline mit einem Durchmesser von fast 40 cm verlegt werden.

Die Abgaswäsche

Die Gewinnung von CO2 aus dem Abgas erscheint auf den ersten Blick nicht gerade als die eleganteste Lösung. In dem Abgas sind nur 11,5 % Kohlenstoffdioxid enthalten. Man muß daher überwiegend totes Material in der Form von Stickstoff und Restsauerstoff durch die gesamte Anlage schleppen. Andererseits kann man ein bestehendes Kraftwerk als Quelle nutzen und greift praktisch nicht in dessen Betrieb ein.

Der Aufwand für die Gewinnung hängt nicht nur von der Eingangskonzentration, sondern auch vom Restgehalt an CO2 ab. Da es sich bei diesem Projekt nicht um „Klimatologie“ handelt, sondern es um die Produktion eines Wertstoffes geht, wäscht man in dieser Anlage nur etwa 90 % des enthaltenen CO2 aus. Dies spielt auch deshalb keine Rolle, weil man mit dieser Anlage nur einen Teilstrom der Rauchgase verarbeiten kann. Die gewonnenen 1,6 Millionen Tonnen CO2 jährlich, entsprechen etwa einer elektrischen Leistung von 240 MW des Blocks von 650 MW.

Es ist auch kein Zufall, daß man die Anlage an einem Block mit Kohlenstaubfeuerung und nicht an die erdgasbefeuerten Kombiblöcke angeschlossen hat. Bei Kombikraftwerken ergibt sich wegen des notwendigen Luftüberschusses im Abgas nur eine Konzentration von etwa 8,5 %. Die CO2-Gewinnung wird eine Domäne der Kohlekraftwerke bleiben.

Das Verfahren

Als Waschverfahren wurde der Kansai Mitsubishi Carbon Dioxide Recovery Process (KM CDR Process, eine Handelsmarke) ausgewählt. Im ersten Teilschritt werden die Abgase in einem 36 m hohen Turm gekühlt, entfeuchtet und entschwefelt. Dieser Block enthält – anders als in Deutschland üblich – keine Rauchgasentschwefelung, sondern verfeuert lediglich schwefelarme Kohle. Die Kühlung ist notwendig, da die Waschung beträchtliche Wärmemengen freisetzt.

Das Herzstück der Anlage ist ein 110 m hoher rechteckiger, mit Füllkörpern gefüllter Turm. In ihm wird das Abgas mit der Waschflüssigkeit in Kontakt gebracht. Nach Abscheidung der Waschflüssigkeit werden die gewaschenen Abgase in die Umgebung entlassen.

In einer dritten Verfahrensstufe wird die Waschflüssigkeit durch auskochen mit Dampf wieder regeneriert. Das ausgetriebene CO2 wird verdichtet und so verflüssigt.

Der Eigenbedarf

Eine solche verfahrenstechnische Anlage braucht beträchtliche elektrische Energie zum Antrieb der Verdichter, Pumpen etc. und Dampf zum Austreiben des CO2. Umgerechnet würde der zusätzliche Eigenbedarf die elektrische Nettoleistung des Kraftwerks um 20 bis 30 .% verringern. Da das Kraftwerk gebraucht wird, eine inakzeptable Situation. Man hat deshalb eine eigene, kleine, erdgasbefeuerte Kombianlage mit 70 MWel zur Versorgung der Waschanlage gebaut. Da die Anlage gar nicht so viel Strom benötigt, wird mehr als die Hälfte ihrer Leistung zusätzlich ins Netz eingespeist.

Das Risiko

Die Anlage – obwohl die erste ihrer Art – wurde termingerecht, zu den vereinbarten Preisen und ohne Unfälle fertiggestellt. Deshalb die Preisverleihung. Wie geht so etwas?

  • Man hat die neue Anlage bewußt hinter einem seit Jahren funktionierenden Kraftwerk gebaut: Möglichst keine Probleme für die Altanlage schaffen und mit definierten und zuverlässigen Eingangsdaten arbeiten können.
  • Auswahl eines erprobten chemischen Verfahrens. Es gibt bereits über 80 Anlagen in Raffinerien etc.
  • Vorab Bau einer kleinen Prototypenanlage, die sich längere Zeit in einem anderen Kohlekraftwerk bewähren konnte.
  • Kein Größenwahn. Bewußte Beschränkung auf die zehnfache Leistung des Prototyps, um die Auslegungsberechnungen absichern zu können. (Deshalb die Begrenzung auf einen 240 MWel. entsprechenden Teilstrom.)
  • Einbeziehung und Beteiligung des Verfahrenstechnikers (Mitsubishi), eines erfahrenen Anlagenbauers (Kiewit) und des Verbrauchers (JX Nippon mit Hilcorp).
  • Keine – in Deutschland so geliebte – Team-Bildung (Toll ein anderer macht’s), sondern einer hat den Hut auf. Einer mit natürlicher Autorität durch ausgewiesene Fachkompetenz und Erfahrung, der die Mittel bekommt, die er für nötig hält.
  • Genaue Planung und Abstimmung zwischen allen Beteiligten bevor es auf der Baustelle losgeht.

Der Mitnahmeeffekt

Für das Projekt wurde ein gemeinsames Unternehmen aus Energieversorger (NRG Energy) und Verbraucher (JX Nippon Oil&Gas) gegründet. Einerseits wurde damit das Risiko der Investition auf mehrere Schultern verteilt und andererseits verschiedene Fördertöpfe erschlossen. Es konnten japanische Banken gewonnen werden, die gegen das Pfand von 15 Millionen barrel Öl günstigere Kredite bereitstellten. Die Lieferung von Anlagenkomponenten konnte über subventionierte Exportkredite erfolgen. Das DOE steuerte 190 Millionen USD Subventionen aus diversen „Klimaschutzprogrammen“ bei.

Mit einer Investition von einer Milliarde USD können zusätzlich 60 Millionen barrel Erdöl gewonnen werden. Mögen weltweit auf vielen entölten Feldern die Bedingungen nicht so ideal sein, erscheint diese Methode trotzdem vielversprechend. Wird jetzt – wenigstens im Nachhinein – manchem klar, warum die einschlägig Verdächtigen sofort ihre Kampftruppen auf die Straße geschickt haben, als auch nur von „CO2-Abscheidung“ in Deutschland geredet wurde? Macht nichts, der Fortschritt läßt sich nicht aufhalten, nun machen eben Japaner und Amerikaner das Geschäft. Solange Renten, Hartz IV etc. noch reichlich sprudeln, brauchen wir eh keine Arbeitsplätze in diesem Land. Hat halt nix mit Nix zu tun, wie einmal eine Politikerin treffend in einem anderem Zusammenhang twitterte.

H. R. 590 der Startschuss?

Ziemlich unbeachtet, passierte am 24.01.2017 das Gesetz H.R.590 den Congress der USA. Das Gesetz nennt sich in der Kurzform: „Gesetz zur Entwicklung fortschrittlicher Kerntechnik aus dem Jahr 2017“.

Erster Abschnitt

Der ausführliche Titel des Gesetzes lautet: Ein Gesetz zur Förderung der zivilen Forschung und Entwicklung einer fortgeschrittenen Kerntechnik zur Energieerzeugung und zur Unterstützung der Genehmigungsverfahren und dem gewerblichen Einsatz solcher Technologien.

[Anmerkung: Es handelt sich hier also ausdrücklich um die Förderung von dem, was man gemeinhin als (nicht-militärische) „Kernkraftwerke“ bezeichnet. Diese Feststellung ist nicht ganz unwichtig, denn zusätzlich gibt es in den USA noch Milliarden schwere kerntechnische Rüstungsprogramme. Beispielsweise zum Bau und zur Weiterentwicklung von Reaktoren für U-Boote und Flugzeugträger.]

Zweiter Abschnitt

Der Congress stellt fest:

  1. Die Bedeutung der Kernenergie für die Produktion elektrischer Energie in den USA.
  2. Kernkraftwerke produzieren mit einer Verfügbarkeit von über 90% zuverlässig und kostengünstig elektrische Energie. [Anmerkung: Dies ist ein deutlicher Seitenhieb gegen die Förderung von Wind und Sonne durch die Vorgängerregierung.]
  3. Kernkraftwerke fragen für Milliarden Dollar Güter innerhalb der USA nach und bieten tausenden Angestellten hoch bezahlte Arbeitsplätze und tragen maßgeblich zur wirtschaftlichen Leistungsfähigkeit der Gemeinden bei, in denen sie sich befinden. [Anmerkung für alle, die immer noch nicht wissen was Präsident Trump will: Gut bezahlte Arbeitsplätze waren fast in jedem Wahlkampfauftritt sein zentrales Thema. Hier ist eine Antwort, auch wenn GEZ-Mitarbeiter immer noch glauben, er meinte Hilfsarbeiter am Fliessband von Autofabriken des 20. Jahrhundert.]
  4. Die kerntechnische Industrie der USA muß weiterhin den Weltmarkt anführen, weil sie zu den leistungsfähigsten Werkzeugen für die nationale Sicherheit gehört: Sie garantiert eine ungefährliche, sichere und ausschließlich friedliche Nutzung der Kernenergie.
  5. Der Betrieb der nationalen Flotte von Leichtwasserreaktoren und die Ausweitung auf neue, fortgeschrittene Reaktorkonstruktionen wird auch weiterhin die Produktion stets verfügbarer Grundlast gewährleisten und die weltweite Führung der kerntechnischen Industrie der USA aufrechterhalten. [Anmerkung: Auch hier – verpackt in viel Pathos – ein deutlicher Seitenhieb gegen die regenerativen Energien.]
  6. Hier wird die Fusion erwähnt.
  7. Für die Entwicklung von fortgeschrittenen Reaktorentwürfen ist es nützlich, daß ein leistungsbezogenes, wagnisbezogenes, wirkungsvolles, kostengünstiges Regelwerk mit definierten Meilensteinen erstellt wird, welches es den Bewerbern ermöglicht, den Fortschritt des Genehmigungsverfahrens nachzuweisen.

[Anmerkung: Das bisherige Genehmigungsverfahren verläuft bisher immer noch eher nach dem Prinzip alles oder nichts. So hat beispielsweise das Genehmigungsverfahren für den NuScale SMR (Small Modular Reactor) bisher nahezu 800 Millionen Dollar verschlugen und eine Entscheidung kann erst erwartet werden, wenn der Bewerber auch die letzte Frage für die Genehmigungsbehörde zufriedenstellend beantwortet hat. Dies, obwohl es sich um einen Leichtwasserreaktor handelt und damit auf alle Rechenprogramme, Erfahrungen usw. zurückgegriffen werden kann. Für „neuartige Reaktoren“ ist ein solches Verfahren nicht akzeptabel, weil keine Bank und kein Investor ein solches (unkalkulierbares) Risiko verantworten kann.]

Dritter Abschnitt

Im Sinne dieses Gesetzes ist ein fortgeschrittener Kernreaktor (Advanced Nuclear Reactor) ein Kernspaltungsreaktor mit bedeutenden Fortschritten gegenüber den modernsten Reaktoren. Dies sollte inhärente Sicherheit, geringere Abfälle, bessere Brennstoffausnutzung, überragende Verfügbarkeit, Widerstand gegen die Weiterverbreitung (von Kernwaffen) und höhere Wirkungsgrade umfassen.

Es folgen die Definitionen für: „DEPARTMENT“, „LICENSING“, „NATIONAL LABORATORY“, „NRC“ und „SECRETARY“.

Vierter Abschnitt

Das NRC (Genehmigungsbehörde) und das Department of Energy (Energieministerium) sollen eine Übereinkunft bezüglich folgender Themen ausarbeiten:

  1. Technische Kompetenz – Das „Energieministerium“ muß sicherstellen, daß es rechtzeitig über genügend technische Kompetenz verfügt, um die kerntechnische Industrie in Forschung, Entwicklung, Prototypen und wirtschaftlicher Anwendung von sicherer und neuartiger fortschrittlicher Reaktortechnik zu unterstützen. Die „Genehmigungsbehörde“ muß rechtzeitig über die nötige Kompetenz verfügen, um die fachgerechte Bewertung der Anträge für Lizenzen, Genehmigungen, Konstruktionsbescheinigungen und anderer Anforderungen für die behördlichen Genehmigungen für fortgeschrittene Reaktoren zu gewährleisten. [Anmerkung: Das sind bezüglich fortgeschrittener Reaktoren sehr ehrgeizige Ziele. Bisher hat die Genehmigungsbehörde reichhaltige Erfahrungen mit Leichtwasserreaktoren. Ob das Personal kurzfristig gefunden werden kann, wird sich zeigen. Dabei ist zu beachten, daß die NRC bisher in Stundenlohn arbeitet. Die etwaige Einarbeitung des Personals kann aber nicht auf den Antragsteller abgewälzt werden.]
  2. Modellierung und Simulation – Über die Nutzung von Rechnern und Programmen zur Berechnung des Verhaltens und der Leistungen fortgeschrittener Reaktoren, die auf auf der mathematischen Beschreibung physikalischer Zustände basieren. [Anmerkung: Die Kerntechnik war schon bisher der Motor von dem, was man gemeinhin als „Simulation“ bezeichnet. Unter dem bewußten Einsatz des Energieministeriums (Waffenentwicklung) und der nationalen Großforschungseinrichtungen (z. B. Supercomputer) kann hier ein Forschungs- und Entwicklungsprogramm gestartet werden, das dem Apollo-Programm wissenschaftlich gleichkommt. Es wird für die sonstige Industrie weit mehr, als die legendäre „Teflon-Pfanne“ abfallen. So soll offensichtlich Industriepolitik a la Trump laufen.]
  3. Einrichtungen – Das Energieministerium soll die Einrichtungen entwickeln und betreiben, die der kerntechnischen Industrie rechtzeitig ermöglichen Forschung, Entwicklung, Prototypen und wirtschaftlicher Anwendung von sicherer und neuartiger fortgeschrittener Reaktortechnik zu entwickeln. Der Genehmigungsbehörde ist der Zugriff auf diese Einrichtungen zu gewährleisten, wann immer sie sie benötigen. [Anmerkung: Damit sind z. B. Prüfstände, 1:1 Modelle von Reaktorkomponenten usw. gemeint.]

FünfterAbschnitt

(a) Erforderliche Planung: – Nicht später als ein Jahr nach Inkrafttreten dieses Gesetzes, ist dem Congress von der Genehmigungsbehörde ein Entwicklungsplan über den technologieneutralen Rahmen für ein effizientes, das Risiko berücksichtigendes Genehmigungsverfahrens für fortgeschrittene Reaktortechnik vorzulegen. [Anmerkung: Die NRC steht seit längerem in der Kritik, daß sie zu sehr auf Leichtwasserreaktoren spezialisiert ist. Außerdem orientiert sich das Genehmigungsverfahren sehr eng an gemachten Erfahrungen aus dem laufenden Betrieb der vorhandenen Reaktorflotte. Beides steht oft im Widerspruch zur Entwicklung neuer Reaktorkonzepte] Der Plan soll die folgenden Themen abwägen, bezüglich der Übereinstimmung mit den Vorschriften der „Genehmigungsbehörde“ zum Schutze der öffentlichen Gesundheit und Sicherheit, des Zivilschutzes und der Sicherung:

  1. Die einzigartigen Gesichtspunkte bei der Zulassung fortgeschrittener Reaktorkonzepte, einschließlich der gesetzlichen und behördlichen Vorschriften und der politischen Anforderungen müssen von der „Genehmigungsbehörde“ benannt werden. [Anmerkung: Hier verbirgt sich beispielsweise der Widerspruch von Zonen zu Evakuierung nach herkömmlichen Gesichtspunkten und sogenannten inhärent sicheren Reaktoren.]
  2. Möglichkeiten fortgeschrittene Reaktorkonzepte nach den bestehenden Regularien der „Genehmigungsbehörde“ zu behandeln, neue Regularien vorzuschlagen oder eine Kombination aus beiden. [Anmerkung: Hier wird der bestehende Apparat mächtig in die Verantwortung genommen.]
  3. Möglichkeiten zur Beschleunigung und Verschlankung des Zulassungsverfahrens von fortgeschrittenen Reaktortypen, einschließlich der Verkürzung der Zeit zwischen Antragstellung und endgültigem Bescheid. Verkürzung der Verzögerungen durch Änderungsanträge und Ergänzungen zum Antrag. [Anmerkung: Dies mutet revolutionär an, für eine Institution, die es gewohnt ist, in Stundenlohnarbeit zu existieren. Sollte eine Rückkehr zu den Grundsätzen von Admiral Rickover denkbar sein?]
  4. Möglichkeiten zur Übernahme von allgemeingültigen Berechnungsverfahren und Standards in das Zulassungsverfahren um die Zeit für die Vervollständigung zu verkürzen und eine Anpassung bei der Umsetzung zu unterstützen. [Anmerkung: Hier versteckt sich die Frage nach der Notwendigkeit des berüchtigten „nuclear grade“. Kann man nicht erprobte Standards und Verfahren aus z. B. der Luftfahrt einfach übernehmen? Welche Komponenten sind bei fortgeschrittenen Konzepten überhaupt noch sicherheitsrelevant?]
  5. Möglichkeiten, das Zulassungsverfahren besser vorhersagbar zu machen. Dazu zählt die Möglichkeit, Meilensteine zu definieren und anzuwenden.
  6. Möglichkeiten, die es Antragstellern erlauben, Anträge zeitlich gestaffelt abzuwickeln, ohne daß die Genehmigungsbehörde schon geprüfte Teile noch einmal bearbeiten muß. Diese Vorgehensweise soll es der Genehmigungsbehörde ermöglichen, bedingte Teilprüfungen, frühzeitige Informationen zur Konstruktion und Vorlagen die Prozesse und Konstruktionsdaten enthalten, die erst in einer späteren Prüfungsphase behandelt werden.
  7. Das Ausmaß in dem Maßnahmen bei der „Genehmigungsbehörde“ oder politische Veränderungen nötig sind, um diesen Plan in Kraft zu setzen.
  8. Wie stark sich die Zulassung fortgeschrittener Reaktoren auf die Langzeitstrategie der „Genehmigungsbehörde“, die geplanten Betriebsmittel, die personelle Ausstattung und die notwendig werdenden Subventionen auswirkt.
  9. Möglichkeiten der Aufteilung der Kosten für Antragsteller bei gegliedertem Genehmigungsverfahren.

(b) Erforderliche Zusammenarbeit der Interessengruppen – Für die Entwicklung des geforderten Plans gemäß (a) soll sich die „Genehmigungsbehörde“ mit dem „Energieministerium“, der kerntechnischen Industrie und anderen öffentlichen Interessengruppen verständigen.

(c) Schätzung der Kosten und des Zeitbedarfs – Für den unter (a) beschriebenen Plan sind die zu beantragenden Kosten abschätzen, ein Haushalt aufzustellen und spezielle Meilensteine für das Inkrafttreten eines geregelten Genehmigungsverfahrens für fortgeschrittene Reaktortechnik bis zum 30. September 2019 zu bestimmen.

(d) Status der Bauartgenehmigung – In dem ersten Etatantrag nach Entgegennahme eines Antrags für einen fortgeschrittenen Reaktor und später jährlich soll die „Genehmigungsbehörde“ die Leistungskennzahlen und die Zeitachsen der Meilensteine liefern. Der Budgetantrag soll einen Plan zur Angleichung oder Wiederherstellung von Terminverschiebungen, einschließlich Verzögerungen die sich aus der mangelhaften Ausstattung der „Genehmigungsbehörde“ ergeben, enthalten.

Abschließende Bemerkungen

Wer immer noch meint, nicht zu wissen was Präsident Trump eigentlich will, sollte schleunigst seine Wahlkampfaussagen – im Original – nachlesen. Wer übrigens schon im Wahlkampf zugehört hatte, dem erschien ein Wahlsieg schon damals nicht unwahrscheinlich. In Deutschland ist es zu einer Unart geworden, nicht mehr zu zu hören, sondern kritiklos das nachzuplappern, was andere meinen, was jemand gesagt hätte. Sofern dies nur die eigenen ideologischen Scheuklappen unterstützt. Darüberhinaus ist es in Deutschland scheinbar undenkbar geworden, daß ein Politiker wirklich das umsetzt, was er im Wahlkampf immer wieder verkündet hat.

So ist es auch mit dem Thema: Trump und die Kernenergie. Trump hat in seinem Wahlkampf – wirklich bei jedem Auftritt und in jeder Fernsehdebatte – immer betont, daß Arbeitsplätze sein wichtigstes Regierungsziel sind. In diesem Sinne, ist er auch immer wieder für Kohle, Öl und Gas eingetreten: Mehr Förderung bedeutet mehr Arbeit, geringere Preise und damit letztendlich mehr Wohlstand. Er hat aber nie behauptet, daß deshalb mehr Kohle, mehr Gas und mehr Öl in den USA verbrannt werden müssen! Ganz im Gegenteil. Er ist immer wieder für Exporterleichterungen eingetreten. Dies mögen grüngefärbte Sozialisten für völlig falsch halten, offensichtlich aber nicht seine Wähler. Sie haben sich auch nicht durch mehr als drei Jahrzehnte mediales Trommelfeuer zur „Klimakatastrophe“ umerziehen lassen.

Sein Wahlslogan war: „Machen wir die USA wieder großartig“. Dies läßt natürlich jeden linken Deutschen erschauern. Gehört doch hier Anti-Amerikanismus eher zum guten Ton. Für Trump – und beileibe nicht nur ihn – ist der einzig relevante Gegner der USA die Volksrepublik China. Wegen ihrer Wirtschaftskraft und ihrem offen imperialen Gehabe in Asien. Viele Amerikaner fühlen sich fatal an das Japan der 1930er Jahre erinnert. Niemand sollte die Bedeutung der Freiheit der Weltmeere für die USA unterschätzen. Dies ist kulturell tief verwurzelt und bisher hat jeder, der versucht hat, die USA auf dem Meer einzuengen, dies mit einer blutigen Niederlage bezahlt.

In diesem Sinne kann China gern Autos bauen oder Mobiltelefone zusammenkleben. Aber die USA werden es mit Sicherheit nicht zulassen, daß China in den zwei Schlüsseltechnolgien Flugzeugbau und Kerntechnik die Führung auf dem Weltmarkt übernimmt. Man hat China eine Menge Technologie verkauft, aber nun ist es an der Zeit, etwas Neues zu bringen. Ganz ähnlich übrigens zu Großbritannien. Man steigt dort nicht ohne Grund aus dem Europa- und Euratomkorsett aus.

Man mag das alles gut oder schlecht finden. Nur die Augen so vor der Realität zu verschließen, wie man es (wieder einmal) in Deutschland macht, wird (wieder einmal) zu keinem guten Ende führen.

TRANSATOMIC – schon wieder ein neuer Reaktortyp?

Es tut sich wieder verstärkt etwas bei der Weiterentwicklung der Reaktortechnik in den USA.

Gänzlich anders als in Deutschland, in dem man sich mehr denn je zurück ins Mittelalter träumt, setzt man in USA verstärkt auf die Ausbildung junger Ingenieure und Wissenschaftler und ermutigt sie, eigene Unternehmen zu gründen. Eines der Programme ist das Gateway for Accelerated Innovation in Nuclear (GAIN), des U.S. Department of Energy (DOE). Vereinfacht gesagt, gibt es dort Gutscheine, die die (sonst kostenpflichtige) Nutzung staatlicher Forschungseinrichtungen durch Unternehmensgründungen ermöglichen. Acht solcher „Gutscheine“ im Gesamtwert von zwei Millionen Dollar gingen an sog. startups aus der Kerntechnik.

Eines dieser jungen Unternehmen der Kerntechnik ist Transatomic Power Corporation (TPC). Wie so oft in den USA, ist es eine Gründung von Absolventen des MIT. Glückliches Amerika, in dem noch immer tausende junger Menschen bereit sind, sich den Strapazen eines Kerntechnik-Studienganges aussetzen, während man hierzulande lieber „irgendwas mit Medien“ studiert. Allerdings kennt man in den USA auch keine Zwangsgebühren zur Schaffung von hoch dotierten Nachrichtenvorlesern und Volksbelehrern. Jeder Staat setzt halt seine eigenen Prioritäten.

Noch etwas ist in den USA völlig anders. Das junge Unternehmen hat bereits mehrere Millionen Dollar privates Risikokapital eingesammelt. Es braucht noch mehr Kapital und hat deshalb ein Papier veröffentlicht, in dem das Konzept seines Reaktors näher beschrieben ist. Sicherlich ein erhebliches wirtschaftliches Risiko. Man vertraut offensichtlich darauf, mangelnde „Geldmacht“ durch Schnelligkeit kompensieren zu können. Erklärtes Ziel ist es, möglichst schnell einen kleinen Versuchsreaktor mit 20 MWth zu bauen. Das erste kommerzielle Kraftwerk soll rund 500 MWel (1250 MWth.) Leistung haben und rund zwei Milliarden Dollar kosten.

Abgebrannte Brennelemente als Brennstoff

Der Reaktor ist vom Typ „molten salt“. Der Brennstoff wird in geschmolzenem Salz gelöst, welches gleichzeitig dem Wärmetransport dient. Populär ist dieser Reaktortyp im Zusammenhang mit Thorium gemacht worden. Man beschränkt sich hier bewußt auf Uran als Brennstoff, um auf die dafür vorhandene Infrastruktur zurückgreifen zu können. Thorium wird eher als Option in ferner Zukunft gesehen.

Der besondere Charme dieses Konzeptes liegt in der Verwendung abgebrannter Brennelemente aus Leichtwasserreaktoren als Brennstoff. Solche abgebrannten Brennelemente bestehen zu rund 95% aus Uran-238 und etwa je einem Prozent Uran-235 und Plutonium. Der Rest sind Spaltprodukte als Abfall. Das klassische Modell, wie es z.B. in Frankreich praktiziert wird, ist die Wiederaufbereitung nach dem Purex-Verfahren: Man erhält sehr reines Uran, welches als Ersatz für Natururan wieder in den Kreislauf zurückgeführt wird und reines Plutonium, welches als Mischoxid zu neuen Brennelementen verarbeitet wird. Die Spaltprodukte mit Spuren von Aktinoiden werden verglast und als Atommüll endgelagert. Für diese chemischen Prozeßschritte (Wiederaufbereitungsanlage) geht man von Kosten in Höhe von 1300 bis 3000 US-Dollar pro kg aus. Bei heutigen Preisen für Natururan eine unwirtschaftliche Angelegenheit. Deshalb füllen sich die Lager mit abgebrannten Brennelementen auch weiterhin. Allein in den USA lagern über 70.000 to ausgedienter Brennelemente. Für die „Zwischenlagerung“ in Behältern (ähnlich den Castoren in Deutschland) geht man von etwa 100 Dollar pro kg aus. Für die „Entsorgung“ haben sich bereits über 31 Milliarden US-Dollar Rücklagen angesammelt – was etwa 400 Dollar pro kg entspricht.

Wem es gelingt, einen Reaktor zu bauen, der die abgebrannten Brennelemente „frißt“, ist in der Rolle einer Müllverbrennungsanlage: Er wird für die Beseitigung des Mülls bezahlt und kann sich mit seinem Preis an den anderen Möglichkeiten (z. B. Müllkippe) orientieren. Die entstehende Wärme ist umsonst. Die elektrische Energie aus der „Müllbeseitigung“ ist ein weiteres Zubrot. Es kommt lediglich darauf an, eine besonders günstige „Müllverbrennungsanlage“ zu bauen. Genau an diesem Punkt, setzt TPC an.

Das Transatomic Konzept

Die Angst vor dem „Atommüll“ wird mit seiner Langlebigkeit begründet. Es gibt wahrlich gefährlichere Stoffe, als abgebrannte Brennelemente. Solange man sie nicht aufisst, sind sie recht harmlos. Es ist aber die berechtigte Angst, ob man diese Stoffe für Jahrmillionen sicher von der Biosphäre fern halten kann, die viele Menschen umtreibt. Spaltprodukte sind in diesem Sinne kein Problem, da sie in wenigen hundert Jahren faktisch von selbst verschwunden sind. Jahrhunderte sind aber durch technische Bauwerke (Kathedralen, Pyramiden etc.) oder natürliche Barrieren (einige hundert Meter gewachsene Erdschichten) sicher beherrschbar.

Man kann aber alle langlebigen Aktinoide durch Spaltung in kurzlebige Spaltprodukte umwandeln und dabei noch riesige Mengen Energie erzeugen – am besten in einem Kernkraftwerk. Ein solcher Reaktor muß besonders sparsam mit den bei einer Spaltung freiwerdenden Neutronen umgehen, um möglichst viele andere Kerne umzuwandeln und letztendlich zu spalten.

  • Spaltprodukte haben teilweise sehr große Einfangquerschnitte. Mit anderen Worten, sie wirken parasitär indem sie wertvolle Neutronen „wegfangen“. Die Konsequenz ist eine integrierte Wiederaufbereitung. Dies läßt sich nur über eine Brennstofflösung erreichen.
  • Es dürfen nur möglichst wenig Neutronen das System verlassen. Dazu muß man den Reaktor mit einem Reflektor versehen, der die Neutronen wieder in den Reaktor zurück streut. Idealerweise verwendet man dafür ebenfalls Uran, damit nicht zurück streubare Neutronen bei ihrem Einfang wenigstens neuen Spaltstoff – hier Plutonium – erzeugen.
  • Bei Reaktoren mit festen Brennstoffen, kann man die Spaltstoffe nicht kontinuierlich ersetzen. Man benötigt deshalb zu Anfang eine Überschußreaktivität. So zu sagen, mehr Spaltstoff als eigentlich zuträglich ist. Diese Überschußreaktivität muß durch Regelstäbe und abbrennbare Gifte kompensiert werden: Wertvolle Neutronen werden unnütz weg gefangen.

Will man mit möglichst geringer Anreicherung auskommen – was einem bereits abgebrannten Brennelement entspricht – muß man zwingend auf ein thermisches Neutronenspektrum übergehen. Sogenannte „Schnelle Brüter“ erfordern eine zweistellige Anreicherung. Also wesentlich höher, als sie in einem frischen Brennelement für einen Leichtwasserreaktor vorliegen. Man kann in einem thermischen Reaktor zwar nicht brüten – also mehr Spaltstoff erzeugen als beim Betrieb verbraucht wird – aber fast genau soviel erzeugen, wie verbraucht wird. Man muß es auch gar nicht, da ja der „Atommüll“ noch Spaltstoff enthält.

Wieviel wird nun gespart?

Ein heutiger Leichtwasserreaktor produziert pro 1000 MWel etwa 20 to abgebrannter Brennelemente pro Jahr. Geht man von einer direkten Endlagerung aus, ist dies die Menge „Atommüll“ die in ein Endlager muß. Erzeugt man die gleiche elektrische Energie aus eben solchem „Atommüll“, ist diese Menge schon mal komplett eingespart.

Gleichzeitig wird aber auch der ursprünglich vorhandene „Atommüll“ in der Form abgebrannter Brennelemente weniger. Die Energie wird durch die Spaltung von Atomkernen erzeugt. Sie sind nach der Spaltung unwiederbringlich vernichtet. Wird Uran noch von vielen Menschen als natürlich und damit relativ harmlos angesehen, ist z. B. Plutonium für sie reines Teufelszeug. Genau diese Stoffgruppe dient aber bei diesem Reaktortyp als Brennstoff und wird beständig verbraucht.

Ein solcher Reaktor produziert rund 1 to Spaltprodukte pro 1000 MWel und Jahr. Die Spaltprodukte sind darüberhinaus in einigen Jahrhunderten – gegenüber 100.000den von Jahren bei Plutonium – verschwunden. In Bezug auf die Energieversorgung sind solche Reaktoren eine echte Alternative zu sog. „Schnellen Brütern“. Bereits die vorhandenen abgebrannten Brennelemente und die absehbar hinzukommenden, wären eine schier unerschöpfliche Energiequelle.

Was ist neu bei diesem Reaktortyp?

In den USA hat man über Jahrzehnte Erfahrungen mit Salzschmelzen in Versuchsreaktoren gesammelt. Hier strebt man bewußt die Verwendung von Uran und nicht von Thorium an. Dies hat bezüglich des Salzes Konsequenzen: Lithiumfluorid kann wesentlich höhere Konzentrationen Uran gelöst halten (LiF-(Actinoid)F4) als das bekanntere FLiBe-Salz. Erst dadurch ist der Einsatz abgebrannter Brennelemente (niedrige Anreicherung) möglich. Allerdings liegt die Schmelztemperatur dieses Brennstoffs bei etwa 500 °C. Ein wesentliches Sicherheitskriterium ist daher, Verstopfungen in Kanälen und Rohrleitungen durch Ablagerungen, sicher zu vermeiden.

Als Moderator sollen Stäbe aus Zirconiumhydrid eingesetzt werden. Sie wirken wie „umgekehrte Regelstäbe“: Je tiefer sie in die Schmelze eingetaucht werden, um so mehr Neutronen werden abgebremst und die Spaltungsrate erhöht sich. Die Moderation solcher Stäbe ist gegenüber früher verwendetem Graphit so viel besser, daß fast der doppelte Raum für die Salzschmelze bei einem vorgegebenen Reaktorvolumen zur Verfügung steht. Ein weiterer wichtiger Schritt zu der Verwendung von „Atommüll“ als Brennstoff.

Die integrierte Wiederaufbereitung

Die Spaltprodukte müssen kontinuierlich aus der Salzschmelze entfernt werden. Sie wirken nicht nur parasitär, sondern stellen auch das eigentliche Sicherheitsproblem dar. Je weniger Spaltprodukte gelöst sind, um so weniger Radioaktivität könnte bei einem Störfall freigesetzt werden.

Etwa 20% der Spaltprodukte sind Edelgase. Sie sollen mit Helium aus der Salzschmelze abgeschieden werden und anschließend in Druckgasflaschen gelagert werden.

Rund 40% der Spaltprodukte sind Metalle, die Kolloide in der Schmelze bilden. Sie sollen mit Geweben aus Nickel ausgefiltert werden.

Der Rest – hauptsächlich Lanthanoide – sind sehr gut in der Salzschmelze gelöst. Sie sollen mittels flüssigen Metallen extrahiert werden und anschließend in eine keramische Form zur Lagerung überführt werden.

In der Abscheidung, Behandlung und Lagerung der Spaltprodukte dürfte die größte Hemmschwelle bei der Einführung von Reaktoren mit Salzschmelzen liegen. Welcher Energieversorger will schon gern eine Chemiefabrik betreiben? Vielleicht werden deshalb erste Anwendungen dieses Reaktors gerade in der chemischen Industrie liegen.

Zusammenfassung

Der Gedanke, „Atommüll“ möglichst direkt als Brennstoff einzusetzen, hat Charme. Wirtschaftlich kommt man damit in die Situation einer Müllverbrennungsanlage. Man kann sich an den Aufbereitungs- und Entsorgungspreisen des Marktes orientieren. Diese Einnahmen sind schon mal vorhanden. Die Stromproduktion ist ein Zubrot. Es wird noch sehr viel Entwicklungszeit nötig werden, bis ein genehmigungsfähiger Reaktor vorliegt. Auch die Kostenschätzung über zwei Milliarden Dollar für den ersten kommerziellen Reaktor, ist in diesem Sinne mit der gebotenen Vorsicht zu betrachten. Allerdings handelt es sich bei diesem Reaktor nicht um ein Produkt einer „Erfindermesse“. Man hat sehr sorgfältig den Stand der Technik analysiert und bewegt sich auf allen Ebenen auf dem machbaren und gangbaren Weg. Es ist nur zu hoffen, daß diesem jungen Unternehmen noch etwas Zeit verbleibt, bis es – wie so viele vor ihm – auf und weg gekauft wird.

Weltweit tut sich etwas in der Entsorgungsfrage: Salzbadreaktoren, Entwicklung metallischer Brennstoffe – sogar für Leichtwasserreaktoren – und abgespeckte chemische Wiederaufbereitungsverfahren in Rußland.

SMR Teil 2 – Leichtwasserreaktoren

Leichtwasserreaktoren haben in den letzten zwanzig Jahren täglich mehr Energie produziert, als Saudi Arabien Öl fördert. Sie sind die Arbeitspferde der Energieversorger. Kein anders Reaktorkonzept konnte bisher dagegen antreten.

Sieger der ersten Runde des Förderungsprogramm des Department of Energy (DoE) war Babcock & Wilcox (B&W) mit seinem mPower Konzept, zusammen mit Bechtel und Tennessee Valley Authority. Sicherlich kein Zufall, sind doch (fast) alle kommerziellen Reaktoren Leichtwasserreaktoren und B&W ist der Hoflieferant der US-Navy – hat also jahrzehntelange Erfahrung im Bau kleiner Druckwasserreaktoren.

Die Gruppe der kleinen Druckwasserreaktoren

Bei konventionellen Druckwasserreaktoren sind um das „nukleare Herz“, dem Reaktordruckgefäß, die Dampferzeuger (2 bis 4 Stück), der Druckhalter und die Hauptkühlmittelpumpen in einer Ebene gruppiert. Diese Baugruppen sind alle mit dem eigentlichen Reaktor durch dicke und kompliziert geformte Rohrleitungen verbunden. Eine solche Konstruktion erfordert langwierige und kostspielige Montagearbeiten unter den erschwerten Bedingungen einer Baustelle. Die vielen Rohrleitungen bleiben für die gesamte Lebensdauer des Kraftwerks „Schwachstellen“, die regelmäßig gewartet und geprüft werden müssen. Der gesamte Raum muß in einem Containment (Stahlbehälter aus zentimeterdicken Platten) und einer Stahlbetonhülle (meterdick, z. B. gegen Flugzeugabstürze) eingeschlossen werden.

Bei einem Small Modular Reaktor (SMR) stapelt man alle erforderlichen Komponenten vertikal übereinander und packt sie alle zusammen in einen Druckbehälter. Dadurch entfallen die vielen Rohrleitungen und Ventile zu ihrer Verbindung. Was es gar nicht gibt, kann auch nicht kaputt gehen. Der „größte – im Sinne eines Auslegungskriteriums – anzunehmende Unfall“ (GAU, oft zitiert und kaum verstanden), der Verlust des Kühlmittels, wird weniger wahrscheinlich und läßt sich einfacher bekämpfen. Allerdings sind bei dieser „integrierten Bauweise“ die Größen der einzelnen Komponenten begrenzt, will man noch eine transportierbare Gesamteinheit haben. Will man ein Kraftwerk mit heute üblicher Leistung bauen, muß man daher mehrere solcher Einheiten „modular“ an einem Standort errichten.

Geht man von diesem Konstruktionsprinzip aus, erhält man ein röhrenförmiges (kleiner Durchmesser, große Länge) Gebilde. Die Länge – als Bauhöhe umgesetzt – läßt sich hervorragend für passive Sicherheitskonzepte nutzen. Die schlanke Bauweise erlaubt es, den kompletten Reaktor in eine Grube zu versenken: Durch die unterirdische Bauweise hat man einen hervorragenden Schutz gegen alle Einwirkungen von außen (EVA) gewonnen.

Das Grundprinzip der Anordnung übereinander, eint diese Gruppe. Gleichwohl, sind im Detail eine Menge Variationen möglich und vielleicht sogar nötig. So meldete allein nuSkale diesen Monat voller Stolz, daß sie über 100 verschiedene Patente in 17 Ländern für ihren Reaktor angemeldet haben. Inzwischen dürften die SMR-Patente in die Tausende gehen. Nach einer sterbenden Industrie sieht das jedenfalls nicht aus.

Das mPower Konzept

Das „Nuclear Steam Supply System“ (NSSS) von Babcock & Wilcox (B&W) ist besonders schlank geraten: Es hat eine Höhe von über 25 m bei einem Durchmesser von 4 m und wiegt 570 (ohne Brennstoff) bzw. 650 to (mit Brennstoff). Damit soll es in den USA noch auf dem Schienenweg transportierbar sein. Seine Wärmeleistung beträgt 530 MWth und seine elektrische Leistung 155 MWel (mit Luftkondensator) oder 180 MWel bei Wasserkühlung. Ein komplettes Kraftwerk mit zwei Blöcken und allen erforderlichen Hilfs- und Nebenanlagen (300 – 360 MWel) soll einen Flächenbedarf von etwa 16 ha haben. Damit ist die Hauptstoßrichtung klar: Der Ersatz bestehender, alter Kohlekraftwerke.

Das Core besteht aus 69 Brennelementen mit 2413 mm aktiver Länge in klassischer 17 x 17 Anordnung bei einer Anreicherung von weniger als 5 % U235.. Hierbei zielt man auf die kostengünstige Weiterverwendung handelsüblicher Brennelemente für Druckwasserreaktoren ab. Bei diesem kleinen Reaktor kann man damit Laufzeiten von rund 4 Jahren zwischen den Nachladungen erreichen. Durch die Doppelblockbauweise ergibt sich somit eine extrem hohe Arbeitsausnutzung von (erwartet) über 95%. Das integrierte Brennelementelagerbecken kann Brennelemente aus 20 Betriebsjahren aufnehmen.

Die Turmbauweise erlaubt vollständig passive Sicherheitseinrichtungen, wodurch ein Unglück wie in Fukushima (völliger Stromausfall) von vornherein ausgeschlossen ist. Die Brennelemente sitzen ganz unten im Druckbehälter. Darüber kommt die gesamte Steuereinheit (Regelstäbe und ihre Antriebe) und darüber die Dampferzeuger. Ganz oben sitzen die acht Umwälzpumpen und der Druckhalter. Bei einem Stromausfall würden die Regelstäbe sofort und vollautomatisch durch die Schwerkraft in den Reaktorkern fallen und diesen abschalten. Die – im ersten Moment noch sehr hohe – Nachzerfallswärme erwärmt das Kühlwasser weiter und treibt durch den entstehenden Dichteunterschied das Kühlwasser durch den inneren Kamin nach oben. In den höher gelegenen Dampferzeugern kühlt es sich ab und sinkt im Außenraum des Reaktorbehälters wieder nach unten: Ein Naturumlauf entsteht, der für die sichere und automatische Abfuhr der Restwärme sorgt.

Als „Notstrom“ werden nur entsprechende Batterien für die Instrumentierung und Beleuchtung etc. vorgehalten. Große Notstromaggregate mit Schalt- und Hilfsanlagen werden nicht benötigt. Auch hier gilt wieder: Was es gar nicht gibt, kann im Ernstfall auch nicht versagen!

Westinghouse SMR (NextStart Alliance)

Westinghouse hat den ersten Druckwasserreaktor überhaupt entwickelt (Nautilus Atom-U-Boot 1954), das erste kommerzielle Kernkraftwerk (Shippingport 1957) gebaut und ist bei fast allen (westlichen) Druckwasserreaktoren Lizenzgeber. Es ist also nicht überraschend, wenn der Marktführer auch in diesem Segment dabei ist. Die NextStart SMR Alliance ist ein Zusammenschluss mehrerer Energieversorger und Gemeinden, die bis zu fünf Reaktoren im Ameren Missouri’s Callaway Energy Center errichten will.

Der Westinghouse SMR soll eine Leistung von 800 MWth und mindestens 225 MWel haben. Er unterscheidet sich von seinem Konstruktionsprinzip nicht wesentlich vom vorher beschriebenen B&W „Kleinreaktor“. Seine Zykluszeit soll 24 Monate betragen (bei Verwendung der Brennelemente des AP1000). Seine Lastfolgegeschwindigkeit im Bereich von 20 bis 100% Auslegungsleistung beträgt 5% pro Minute. Der Reaktor kann selbstregelnd Lastsprünge von 10 % mit einer Rate von 2% pro Minute dauerhaft ausregeln. Das alte Propagandamärchen der „Atomkraftgegner“ von den „unflexiblen AKW’s“ trifft auch bei diesen Reaktortypen nicht zu. Im Gegenteil dreht Westinghouse den Spieß werbewirksam um und offeriert diesen Reaktor als (immer notwendiges) Backup für Windkraft- und Solaranlagen zur CO2 – freien Stromversorgung.

Westinghouse integriert in das Containment noch einen zusätzlichen Wasservorrat und bekämpft auch noch passiv einen völligen Verlust des Kühlwasserkreislaufes. Damit dieser Störfall eintreten kann, müßte das Druckgefäß des SMR zerstört worden sein. In diesem Fall könnte das Wasser auslaufen und würde sich im Sumpf des Containment sammeln. Damit jeder Zeit der Kern des Reaktors mit Wasser bedeckt bleibt (und nicht wie in Fukushima und Harrisburg teilweise und zeitweise trocken fallen kann), wird automatisch Wasser aus den Speichern im Containment zusätzlich hinzugefügt. Alle Systeme sind so bemessen, daß sich der Reaktor auch nach einem schweren Unglück selbst in einen sicheren Zustand versetzt und mindestens für die folgenden 7 Tage keines menschlichen Eingriffs bedarf.

Wenn nur der Strom total ausfällt, aber das Reaktordruckgefäß nicht geplatzt ist, funktioniert die passive Notkühlung in drei gestaffelten Ebenen. Solange der normale Kühlkreislauf (Kühlturm oder Kühlwasser) noch Wasser enthält, wird über diesen durch Verdunstung die Nachzerfallswärme abgeführt. Versagt dieser sekundäre Kreislauf des Kraftwerks, tritt die innere Notkühlung in Kraft. Das kalte und borierte Wasser in den Nottanks strömt in den Reaktor. Gleichzeitig kann das heiße Wasser den Reaktor verlassen und in die Notkühlbehälter zurückströmen – es entsteht ein Naturumlauf. Damit das Wasser in den Notkühlbehältern auch weiterhin „kalt“ bleibt, besitzt jeder dieser Behälter im oberen Teil einen Wärmeübertrager. Diese Wärmeübertrager sind außerhalb des Containment mit „offenen Schwimmbecken“ verbunden, die durch Verdunstung die Energie an die Umwelt abgeben können. Bricht auch dieser Kühlkreislauf in sich zusammen, kann die Wärme immer noch durch Verdampfung des Wassers im Sumpf des Containment und durch anschließende Kondensation an der Oberfläche des Containment abgeführt werden.

Ausdrücklich wird der Markt für diesen Reaktortyp auch in der Fernwärmeversorgung und zur Meerwasserentsalzung gesehen. Peking hat z. B. viele Kohleheizwerke, die stark zur unerträglichen Luftverschmutzung beitragen. Es ist also kein Zufall, daß bereits Kooperationsverhandlungen laufen.

NuScale

Diese Variante ist aus einem durch das U.S. Department of Energy (USDOE) geförderten Forschungsprojekt am Idaho National Environment & Engineering Laboratory (INEEL) und der Oregon State University (OSU) hervorgegangen. Im Jahre 2008 hat dieses „Startup“ einen Genehmigungsantrag bei der US Nuclear Regulatory Commission (USNRC) für einen 45 MWel. Reaktor gestellt. Im Jahr 2011 ist das Unternehmen praktisch vollständig von FLUOR übernommen worden. Es besteht zudem eine sehr enge Verbindung mit Rolls-Royce.

Das NuScale Modul hat nur eine thermische Leistung von 160 MWth und eine elektrische Leistung von mindestens 45 MWel.. Bei einem Durchmesser von 4,5 m, einer Höhe von 24 m und einem Gewicht von 650 to ist es aber fast genau so groß, wie die beiden schon vorgestellten SMR. Die geringe Energiedichte führt zu einer starken Vereinfachung. Das Unternehmen gibt die spezifischen Investitionskosten mit weniger als 5.000 $/kW an.

Bei dem Konzept handelt es sich um einen Zwitter aus Siedewasser- und Druckwasserreaktor. So etwas ähnliches gab es auch schon in Deutschland, unter der Bezeichnung FDR, als Antrieb der Otto Hahn. Dieses Konzept hat sich schon damals als sehr robust und gutmütig erwiesen. Der NuSkale SMR kommt völlig ohne Umwälzpumpen aus. Man nimmt im Reaktorkern einen etwas höheren (als bei einem reinen Druckwasserreaktor üblichen) Dampfanteil in Kauf, bekommt dafür aber einen großen Dichteunterschied (bezogen auf das „kalte“ Eintrittswasser), der hervorragend einen Naturumlauf anregt. Allerdings erzeugt man keinen Dampf, den man direkt auf die Turbine gibt (wie bei einem Siedewasserreaktor), sondern „beheizt“ damit nur die zwei in dem Reaktordruckgefäß integrierten Dampferzeuger. Man hat also wie bei einem konventionellen Druckwasserreaktor einen physikalisch voneinander getrennten Primär- (durch den Reaktorkern) und Sekundärkreislauf (über die Turbine).

Das NuScale-Konzept bricht radikal mit einigen Gewohnheiten:

  • Man geht von bis zu zwölf Reaktoren aus, die zu einem Kraftwerk mit dann mindestens 540 MWel. zusammengefaßt werden Sie sollen in zwei Reihen zu sechs Reaktoren in einem „unterirdischen Schwimmbecken“ angeordnet werden. Bei einem Ladezyklus von 24 Monaten, könnte somit alle zwei Monate ein Brennelementewechsel erfolgen. Bei einem zusätzlichen „Reservemodul“ könnte das Kraftwerk nahezu mit 100 % Arbeitsausnutzung durchlaufen. Die „Auszeit“ eines konventionellen Kernkraftwerk entfällt. Ebenso wird die Personalspitze(üblicherweise mehr als 1000 Leute beim Brennelementewechsel) vermieden. Der Brennelementewechsel mit seinen Wiederholungsprüfungen wird zu einem stetigen „Wartungsprozess“ umgestaltet. Dies kann zu beträchtlichen Kosteneinsparungen führen.
  • Durch den Verzicht von Umwälzpumpen wird die Konstruktion noch einmal stark vereinfacht.
  • Durch die Aufstellung in einem „großen Schwimmbecken“ sind die Reaktoren vor Erdbeben und Druckwellen praktisch vollkommen geschützt. Überflutungen (Fukushima) sind kein Sicherheitsrisiko mehr, da ja die Reaktoren ohnehin ständig im Wasser stehen.
  • Die Reaktoren verzichten vollständig auf Wechselstrom (Fukushima) und benutzen lediglich passive Sicherheits- und Kühlsysteme. Elektrische Energie ist nur für die Instrumentierung und Beleuchtung notwendig. Relativ kleine Batterien sind hierfür ausreichend. Der Batterie- und Kontrollraum befindet sich im unterirdischen Teil des Kraftwerks.
  • Selbst wenn es zu einer Beschädigung des Reaktorkerns kommen würde (Fukushima), würden radioaktive Stoffe im Schwimmbecken und Reaktorgebäude zurückgehalten werden. Außerdem beträgt das radioaktive Inventar in jedem Modul weniger als 5% eines konventionellen Reaktors. Somit ist auch die bei einem Unfall abzuführende Restwärme entsprechend klein.
  • Im Containment herrscht Vakuum. Eine Bildung explosiver Gase (Fukushima) ist somit ausgeschlossen. Es wirkt wie eine Thermosflasche. Zusätzliche Isolierungen sind nicht erforderlich. Andererseits würde es bei einer Zerstörung des eigentlichen Druckbehälters, den entweichenden Dampf aufnehmen und eine „Wärmebrücke“ zum umgebenden Wasser herstellen.

Die überragende sicherheitstechnische Philosophie dieses Konzeptes ist, daß sich auch nach schwersten Zerstörungen (z. B. Tsunami in Fukushima) der Reaktor ohne menschliche Eingriffe selbsttätig in einen sicheren Zustand überführt und dort ohne jeden (nötigen) Eingriff ewig verbleibt! Dies mag noch einmal an der „Notkühlung“ verdeutlicht werden: Wenn die äußere Wärmesenke entfällt (Ausfall der Kühlwasserpumpen in Fukushima durch den Tsunami), alle Stromquellen ausfallen (Zerstörung der Schaltanlagen und Notstromaggregate durch die Flutwelle in Fukushima), dient das „Schwimmbecken“ zur Aufnahme der Nachzerfallswärme. Es ist so bemessen, daß sein Wasserinhalt durch Erwärmung und Verdunstung den Reaktorkern sicher kühlt. Selbst, wenn man kein Wasser nachfüllen würde, wäre es erst nach etwa einem Monat leer. Dann aber, ist die Nachzerfallswärme bereits so stark abgeklungen (< 400 kW pro Modul), daß die „Luftkühlung“ in dem nun leeren Wasserbecken, sicher ausreichen würde.

Das Brennelementelagerbecken ist zur Aufnahme von 15 Betriebsjahren ausgelegt. Es befindet sich ebenfalls im unterirdischen Teil und kann für mindestens 30 Tage ohne zusätzliches Wasser auskommen (Fukushima). Es besteht aus einem Edelstahlbecken in einer Stahlbetonwanne. Stahlbecken und Betonwanne sind seismisch von einander isoliert, sodaß auch schwerste Erdbeben praktisch wirkungslos für die gelagerten Brennelemente sind.

Die NuScale Konstruktion ist ein schönes Beispiel, wie man Jahrzehnte alte Entwürfe der Leichtwasserreaktoren noch einmal ganz neu durchdenken kann. Es ist der radikalste Ansatz unter den zur Genehmigung eingereichten Konzepten. Die Wahrscheinlichkeit für eine schwere Beschädigung des Reaktorkerns mit teilweiser Kernschmelze – wie in Harrisburg und Fukushima geschehen – verringert sich auf unter ein Ereignis in zehn Millionen Betriebsjahren. Selbst wenn es eintreten würde, wären die Auswirkungen auf die Umwelt noch geringer. Es wird bereits diskutiert, ob bei diesem Reaktortyp überhaupt noch eine „Sicherheitszone“ mit potentieller Evakuierung der Anwohner, erforderlich ist. Jedenfalls gibt es in USA bereits ein reges Interesse zahlreicher Gemeinden und Städte zur dezentralen, kostengünstigen, umweltschonenden und krisensicheren (Wirbelstürme, Tornados, etc.) Versorgung mit Strom und Fernwärme.

Holtec international

Einem klassischen Reaktor noch am ähnlichsten, ist das von Holtec im Jahre 2012 eingereichte Konzept des „Holtec Inherently-Safe Modular Reactor“ (HI-SMUR) mit einer geplanten Leistung von 145 MWel.. Er besteht aus den klassischen drei Baugruppen: Reaktor, Dampferzeuger und Druckhalter. Der Druckbehälter ist ein fast 32 m langes Gebilde, welches in einer brunnenförmigen Grube versenkt ist. Es ist mit den Dampferzeugern entweder durch ein „Rohrstück“ (senkrechte Variante) verbunden oder die waagerechten Dampferzeuger sind direkt angeschweißt. Liegende Dampferzeuger sind nur bei russischen Konstruktionen gebräuchlich. Werden stehende Dampferzeuger verwendet, baut dieser Typ oberirdisch noch einmal 28 m hoch.

Der Entwurf ist sehr eigenwillig. Man hat ursprünglich waagerechte Dampferzeuger mit separater Überhitzung vorgesehen. Angeblich kann man durch eine angestrebte Überhitzung auf handelsübliche Industrieturbinen zurückgreifen. Man verzichtet auf Umwälzpumpen, bei gleichzeitig großem Abstand vom Siedezustand. Man ist deshalb auf eine sehr große Temperaturspreizung (TE = 177 °C und TA = 302 °C bei p = 155 bar) angewiesen. Eine regenerative Speisewasservorwärmung ist praktisch ausgeschlossen. Das ganze ähnelt eher einer Dampflokomotive, als einem modernen Kraftwerk.

Das Brennstoffkonzept ist auch etwas ungewöhnlich. Es ist keine Borierung zur Kompensation der Überschußreaktivität vorgesehen. Das heißt, es muß alles über abbrennbare Gifte (Gd und Er) geschehen. Der gesamte Brennstoff soll sich in einer Kartusche aus nur 32 Brennelementen befinden. Bei einem so kleinen Core dürfte der Neutronenfluß nur sehr schwer in den Griff zu bekommen sein bzw. jeder Brennstab müßte eine individuelle Anreicherung erhalten. Man will die Kassette nach 100 h (Nachzerfallswärme) in einem Stück auswechseln. Ein Brennelementewechsel soll so weniger als eine Woche dauern. Gleichwohl, soll die Zykluszeit 42 Monate betragen. Wenn sich nicht einige revolutionäre Erfindungen dahinter verbergen, die bisher noch nicht öffentlich zugänglich sind, dürfte eher der Wunsch der Vater sein.

Bisher kooperiert Holtec mit Shaw und Areva. Ein Prototyp wäre auf der Savannah River Site des DoE’s geplant. Die Bauzeit wird mit nur 2 Jahren, bei Kosten von nur 675 Millionen US-Dollar angegeben. Man wird sehen.

Carem

Anfang Dezember 2013 wurde der Auftrag für das Reaktordruckgefäß des „Central Argentina de Elementos Modulares“ CAREM-Reaktor erteilt. Es handelt sich dabei um ein 200 to schweres, 11 m hohes Gefäß mit einem Durchmesser von 3,5 m. Es ist für den Prototyp eines argentinischen SMR mit einer Leistung von 25 MWel gedacht. Später soll dieser Reaktor eine Leistung von 100 bis 200 MWel. erreichen. Es handelt sich ebenfalls um eine voll integrierte Bauweise, mit ausschließlich passiven Sicherheitseinrichtungen.

Schwimmender SMR aus Russland

Der staatliche russische Hersteller Rosenergoatom baut in Petersburg eine Barge mit zwei Reaktoren, die nach Chukotka in Sibirien geschleppt werden soll, um dort Bergwerke mit Energie zu versorgen. Die Reaktoren sind eine zivile Abwandlung der KLT-40S Baureihe für Eisbrecher, mit einer Leistung von 35 MWel. Vorteil dieses „Kraftwerks“ ist, daß es auf einer seit Jahren erprobten Technik basiert. Die russische Eisbrecherflotte versieht zuverlässig ihren Dienst im nördlichen Eismeer. Ein nicht zu unterschätzender Vorteil bei der Versorgung entlegener Gegenden.

Sehr Interessant ist das Geschäftsmodell. Eine solche barge wird fix und fertig zum Einsatzort geschleppt. Der Kunde braucht nur für den Stromanschluss an Land zu sorgen. Weitere Investitionen oder Unterhaltskosten fallen für ihn nicht an. Nach drei Jahren wird die barge für einen Brennelementewechsel und notwendige Wiederholungsprüfungen abgeschleppt und durch eine andere barge ersetzt. Da bei einem Kernkraftwerk die Brennstoffkosten ohnehin eine untergeordnete Rolle spielen, kann der Kunde das Kraftwerk für eine pauschale Jahresgebühr mieten. Ob und wieviel Strom er verbraucht, braucht ihn nicht mehr zu kümmern. Eine feste Kalkulationsgrundlage, die für Öl- und Minengesellschaften höchst verlockend ist. Als einzige Hürde in westlichen Regionen erscheint lediglich (noch) das „Made in Russia“. Jedenfalls hat er keine Vorauszahlungen zu leisten, hat keinerlei Reparaturkosten und braucht sich nicht um die Entsorgung des „Atommülls“ zu kümmern. Russland kann seinen „Heimvorteil“ des geschlossenen Brennstoffkreislaufs voll ausspielen.

Parallel hat Russland noch ein größeres Modell mit 300 MWel auf der Basis des VBER-300 PWR Druckwasserreaktors in der Entwicklung.

Abschließender Hinweis

Dieser Artikel kann und soll nur einen Überblick über den Stand der internationalen Entwicklung geben. Wer bis hierhin nicht durch so viel Technik abgeschreckt worden ist, dem empfehle ich, einfach mal die Typen und Hersteller zu googeln. Besonders die Seiten der Hersteller verfügen über zahlreiche Zeichnungen und Animationen. Zwar ausnahmslos in Englisch, aber mit der Grundlage dieses Artikels lassen sie sich hoffentlich auch für nicht Techniker verstehen.

 

SMR Teil 1 – nur eine neue Mode?

Small Modular Reactor (SMR) aus energiewirtschaftlicher Sicht

In letzter Zeit wird wieder verstärkt über „kleine, bausteinförmig aufgebaute Kernkraftwerke“ diskutiert. Wie immer, wenn es ums Geld geht, war der Auslöser ein Förderungsprogramm des Department of Energy (DoE) in den USA. Hersteller konnten sich um einen hälftigen Zuschuss zu den Kosten für das notwendige Genehmigungsverfahren bewerben. Der Gewinner bekommt vom amerikanischen Staat fünf Jahre lang die Kosten des Genehmigungsverfahrens und die hierfür notwendigen Entwicklungs- und Markteinführungskosten anteilig ersetzt. Es gibt die Förderung nur, wenn das Kraftwerk bis 2022 fertig ist (es handelt sich also um kein Forschungs- und Entwicklungsprogramm) und man muß sich zusammen mit einem Bauherrn bewerben.

Sieger der ersten Runde war Babcock & Wilcox (B&W) mit seinem mPower Konzept, zusammen mit Bechtel und Tennessee Valley Authority. Eine sehr konservative Entscheidung: Babcock & Wilcox hat bereits alle Reaktoren der US Kriegsschiffe gebaut und besitzt deshalb jahrzehntelange Erfahrung im Bau kleiner (militärischer) Reaktoren. Bechtel ist einer der größten internationalen Ingenieurfirmen mit dem Schwerpunkt großer Bau- und Infrastrukturprojekte. Tennessee Valley Authority ist ein öffentliches Energieversorgungsunternehmen. Wie groß die Fördersumme letztendlich sein wird, steht noch nicht fest. Die in der Öffentlichkeit verbreiteten 452 Millionen US-Dollar beziehen sich auf das gesamte Programm und nicht jeden Hersteller. Insofern war die Entscheidung für den Kandidaten, mit dem am weitesten gediehenen Konzept, folgerichtig.

Die Wirtschaftlichkeit

An dieser Stelle soll nicht auf den Preis für eine kWh elektrischer Energie eingegangen werden, da in diesem frühen Stadium noch keine ausreichend genauen Daten öffentlich zugänglich sind und es rein spekulativ wäre. Es sollen viel mehr ein paar qualitative Überlegungen angestellt werden.

Man geht von deutlich unter einer Milliarde US-Dollar pro SMR aus. Auch, wenn man nur eine Stückzahl von 100 Stück annimmt, ergibt das den stolzen Umsatz von 100 Milliarden. Dies entspricht in etwa dem „Modellwert“ in der Flugzeugindustrie. Damit wird sofort klar, daß das keine Hinterhof-Industrie werden kann. Der Weltmarkt wird unter einigen wenigen Konsortien von der Größenordnung Boing oder Airbus unter sich aufgeteilt werden! Wer zu lange wartet, hat praktisch keine Chance mehr, in diesen Markt einzusteigen. Ob Europa jemals noch ein Konsortium wie Airbus schmieden kann, ist mehr als fraglich. Die Energieindustrie wird wohl nur noch von den USA und China bestimmt werden.

Es ergeben sich auch ganz neue Herausforderungen für die Finanzindustrie durch die Verlagerung des Risikos vom Besteller zum Hersteller. Bisher mußte ein Energieversorger das volle Risiko allein übernehmen. Es sei hier nur das Risiko einer nicht termingerechten Fertigstellung und das Zinsänderungsrisiko während einer Bauzeit von zehn Jahren erwähnt. Zukünftig wird es einen Festpreis und kurze Bauzeiten geben. Die Investition kann schnell wieder zurückfließen. Daraus erklärt sich der Gedanke, ein Kernkraftwerk heutiger Größenordnung zukünftig aus bis zu einem Dutzend einzelner Anlagen zusammen zu setzen. Sobald der erste Reaktor in Betrieb geht, beginnt der Kapitalrückfluss. Man spielt plötzlich in der Liga der Gaskraftwerke!

Damit stellt sich aber die alles entscheidende Frage: Wer ist bereit, das finanzielle Risiko zu tragen? China hat sich durch den Bau von 28 Kernkraftwerken eine bedeutende Zulieferindustrie aufgebaut. Auch die USA verfügen über eine solche. Das Risiko auf verschiedene Schultern zu verteilen, ist ein probates Mittel. Europa müßte sich unter – wahrscheinlich französisch-britischer Führung – mächtig sputen, um den Anschluß nicht zu verlieren. Im Moment sieht es eher so aus, als wenn Frankreich, Großbritannien und die USA gleichermaßen um die Gunst von China buhlen.

Um es noch einmal in aller Deutlichkeit zu sagen: Europa fehlt es nicht an technischen Möglichkeiten und an Finanzkraft, sondern am politischen Willen. Es ist das klassische Henne-Ei-Problem: Ohne ausreichende Bestellungen, ist keiner bereit, in Fertigungsanlagen zu investieren. Wer aber, sollte diesen Mut aufbringen, ausgerechnet in Deutschland, wo es keinen Schutz des Eigentums mehr gibt, wo eine Hand voll Politiker nach einem Tsunami im fernen Japan, mit einem Federstrich, Milliarden vernichten können und die breite Masse dazu auch noch Beifall klatscht?

Fertigung in einer Fabrik

Bisher wurden Kernreaktoren mit immer mehr Leistung gebaut. Inzwischen wurde beim EPR von Areva fast die 1700 MWel erreicht. Man macht damit Kernkraftwerke und ihre Komponenten selbst zu einem Nischenprodukt. Nur wenige Stromnetze können so große Blockgrößen überhaupt verkraften. Andererseits wird der Kreis der Zulieferer immer kleiner. Es gibt weltweit nur eine Handvoll Stahlwerke, die überhaupt das Rohmaterial in der erforderlichen Qualität liefern können. Hinzu kommen immer weniger Schmieden, die solch große Reaktordruckgefäße, Turbinenwellen, Schaufeln etc. bearbeiten können. Je kleiner die Stückzahlen und der Kreis der Anbieter wird, um so teurer das Produkt.

Es macht aber wenig Sinn, kleine Reaktoren als verkleinertes Abbild bisheriger Typen bauen zu wollen. Dies dürfte im Gegenteil zu einem Kostenanstieg führen. Will man kostengünstige SMR bauen, muß die gesamte Konstruktion neu durchdacht werden. Man muß praktisch mit dem weißen Blatt von vorne beginnen. Typisches Beispiel ist die Integration bei einem Druckwasserreaktor: Bei der konventionellen Bauweise ist jede Baugruppe (Druckgefäß, Dampferzeuger, Umwälzpumpen, Druckhalter) für sich so groß, daß sie isoliert gefertigt und transportiert werden muß und erst am Aufstellungsort durch Rohrleitungen miteinander verbunden werden kann. Damit wird ein erheblicher Arbeits- und Prüfaufwand auf die Baustelle verlegt. Stundensätze auf Baustellen sind aber wegen ihrer Nebenkosten stets um ein vielfaches höher, als in Fabriken. Gelingt es, alle Baugruppen in das Druckgefäß zu integrieren, entfallen alle notwendigen Montagearbeiten auf der Baustelle, weil ein bereits fertiger und geprüfter „Reaktor“ dort angeliefert wird. Bauteile, die es gar nicht gibt (z. B. Rohrleitungen zwischen Reaktordruckgefäß und Dampferzeugern) müssen auch nicht ständig gewartet und wiederholt geprüft werden, was auch noch die Betriebskosten erheblich senkt.

Wenn alle Bauteile wieder „kleiner“ werden, erweitert sich auch automatisch der potentielle Herstellerkreis. Die Lieferanten können ihre Fertigungsanlagen wieder besser auslasten, da sie nicht so speziell sein müssen. Es ist wieder möglich, eine nationale Fertigung mit akzeptablen Lieferzeiten zu unterhalten.

Durch die Fertigung von Bauteilen in geschlossenen Hallen ist man vor Witterungseinflüssen (oder schlicht Dreck) geschützt, was die Kosten und das Ausschussrisiko senkt. Eine Serienfertigung führt durch den Einsatz von Vorrichtungen und die Umlage von Konstruktions- und Entwicklungskosten etc. zu geringeren Kosten. Die Standardisierung senkt Schulungskosten und erhöht die Qualität.

In der Automobilindustrie ist die Teilung in Markenhersteller und Zulieferindustrie üblich. Gelingt es Bauteile für Kernkraftwerke zu standardisieren, kann sich auch eine kerntechnische Zulieferindustrie etablieren. Ein wesentlicher Teil der Kostenexplosion bei Kernkraftwerken ist dem erforderlichen „nuclear grade“ geschuldet. Es ist kein Einzelfall, daß ein und das selbe Teil für Kernkraftwerke durch diesen Status (Dokumentation, Zulassung etc.) oft ein Vielfaches des „handelsüblichen“ kostet. Ein wesentlicher Schritt für den Erfolg, ist dabei die klare Trennung in „sicherheitsrelevante“ und „sonstige“ Teile. Eine Vorfertigung und komplette Prüfung von Baugruppen kann dabei entscheidend sein. Wird beispielsweise das Notkühlsystem komplett passiv ausgelegt – also (fast) keine elektrische Energie benötigt – können die kompletten Schaltanlagen usw. in den Zustand „normales Kraftwerk“ entlassen werden.

Was ist die richtige Größe?

Die Bandbreite der elektrischen Leistung von SMR geht etwa von 40 bis 300 MWel. Die übliche Definition von „klein“ leitet sich von der Baugröße der Zentraleinheit ab. Sie sollte noch in einem Stück transportierbar sein. Dies ist eine sehr relative Definition, die sich beständig nach oben ausweitet. Es werden heute immer größere Einheiten (Ölindustrie, Schiffbau usw.) auch über Kontinente transportiert. Der Grundgedanke bei dieser Definition bleibt aber die Zusammenfassung eines „kompletten“ Reaktors in nur einem Teil und die Funktionsprüfung vor der Auslieferung, in einer Fabrik.

Sinnvoller erscheint die Definition nach Anwendung. Grundsätzlich sind Insellösungen und die Integration in vorhandene Netze unterscheidbar. Besonders abgelegene Regionen erfordern einen erheblichen Aufwand und laufende Kosten für die Energieversorgung. Auf diese Anwendung zielt beispielsweise das russische Konzept eines schwimmenden Kernkraftwerks. Die beiden je 40 MWel Reaktoren sollen nach Chuktoa in Ost-Sibirien geschleppt werden und dort Bergwerke versorgen. Sehr großes Interesse existiert auch im kanadischen Ölsandgebiet. Ein klassischer Anwender war früher auch das US-Militär. Es besitzt wieder ein verstärktes Interesse, abgelegene Militärstützpunkte durch SMR zu versorgen. Langfristig fallen in diese Kategorie auch Chemieparks und Raffinerien.

Kernkraftwerke unterliegen – wie alle anderen Kraftwerke auch – prinzipiell einer Kostendegression und Wirkungsgradverbesserung mit steigender Leistung. Es ist deshalb bei allen Kraftwerkstypen eine ständige Vergrößerung der Blockleistungen feststellbar. Heute wird die maximale Leistung hauptsächlich durch das Netz bestimmt. Man kann die Grundregel für Neuinvestitionen (stark vereinfacht) etwa so angeben:

  • Baue jeden Block so groß, wie es das Netz erlaubt. Das Netz muß Schnellabschaltungen oder Ausfälle vertragen können.
  • Baue von diesen Blöcken auf einem Gelände so viel, wie du kannst. Wieviel Ausfall kann das Netz bei einem Ausfall einer Übertragungsleitung verkraften? Wie kann die Brennstoffversorgung am Standort gewährleistet werden (Erdgaspipeline, Eisenbahnanschluss, eigener Hafen etc.)? Wie groß ist das Kühlwasserangebot und wie sind die Randbedingungen bezüglich des Umweltschutzes?

Aus den vorgenannten Überlegungen ergeben sich heute international Blockgrößen von 200 bis 800 MWel, bei zwei bis acht Blöcken an einem Standort.

Wie groß der potentielle Markt ist, sieht man allein an der Situation in den USA. Dort müssen wegen verschärfter Bestimmungen zur Luftverschmutzung (Mercury and Air Toxic Standards (MATS) und Cross-State Air Pollution Rule (CSDAPR)) bis 2016 rund 34 GWel Kohlekraftwerke vom Netz genommen werden. Neue Kohlekraftwerke dürfen praktisch nicht mehr gebaut werden. Die Umstellung auf Erdgas kann wegen der erforderlichen Gasmengen und des daraus resultierenden Nachfragedrucks nur eine Übergangslösung sein. Da die „alten Kohlekraftwerke“ relativ klein sind, würde ein Ersatz nur durch „große“ Kernkraftwerke einen erheblichen Umbau der Netzstruktur erforderlich machen. Eine schmerzliche Erfahrung, wie teuer Zentralisierung ist, macht gerade Deutschland mit seinem Programm „Nordseewind für Süddeutschland“. Insofern brauchen SMR auch nur mit „kleinen“ Kohlekraftwerken (100 bis 500 MWel) konkurrieren, die der gleichen Kostendegression unterliegen.

Das Sicherheitskonzept

Bei der Markteinführung von SMR gibt es kaum technische, aber dafür um so größere administrative Probleme. Aus diesem Grund rechtfertigt sich auch das staatliche Förderprogramm in den USA. Die Regierung schreibt zwingend eine Zulassung und Überwachung durch die NRC vor. Dieses Verfahren muß vollständig durch die Hersteller und Betreiber bezahlt werden. Die Kosten sind aber nicht nur (mit dem jedem Genehmigungsantrag innewohnenden) Risiko des Nichterfolges versehen, sie sind auch in der Höhe unkalkulierbar. Die Prüfung erfolgt in Stundenlohnarbeit, zu Stundensätzen von knapp 300 US-Dollar! In diesem System begründet sich ein wesentlicher Teil der Kostenexplosion bei Kernkraftwerken. Die NRC hat stets – nicht ganz uneigennützig – ein offenes Ohr für Kritik an der Sicherheit von Kernkraftwerken. Mögen die Einwände auch noch so absurd sein. Als „gute Behörde“ kann sie stets „Bürgernähe“ demonstrieren, da die Kosten durch andere getragen werden müssen, aber immer den eigenen Stellenkegel vergrößern. Dieses System gerät erst in letzter Zeit in das Licht der Öffentlichkeit, nachdem man erstaunt feststellt, um wieviel billiger und schneller beispielsweise in China gebaut werden kann. Nur mit geringeren Löhnen, läßt sich das jedenfalls nicht allein erklären.

Die „Massenproduktion“ von SMR erfordert völlig neue Sicherheitskonzepte. Auf die technischen Unterschiede wird in den weiteren Teilen noch ausführlich eingegangen werden. Die Frage ist eher, welches Niveau man als Bezugswert setzt. Einem überzeugten „Atomkraftgegner“ wird nie ein Kraftwerk sicher genug sein! Im Gegenteil ist die ständige Kostentreiberei ein zentrales „Kampfmittel“. Allerdings wird durch die Erfolge von China und Korea das Märchen von der „ach so teuren Atomkraft“ immer schwerer verkaufbar. Selbst in einem tiefgläubigen Land wie Deutschland, muß man daher immer mehr auf andere Strategien (z. B. angeblich ungelöste „Entsorgung“) ausweichen. Sollte man jedoch das heute erreichte Sicherheitsniveau als Grenzwert setzen, lassen sich bei den meisten SMR-Konzepten bedeutende Kostenvorteile erreichen. Es ist nicht auszuschließen, daß das – außerhalb Deutschlands – so gesehen wird. Andererseits kann man durch zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen die Auswirkungen auf das Umfeld auch bei schwersten Störfällen so stark begrenzen, daß ein Einsatz innerhalb des Stadtgebiets z. B. zur Fernwärmeversorgung akzeptabel wird. Könnte sogar sein, daß SMR in Städten mit starker Luftverschmutzung hoch willkommen sind.

Es gibt aber durchaus einige offene Fragen. Je mehr Standorte es gibt, um so aufwendiger ist die Organisation eines lückenlosen Überwachung- und Bewachungssystems. Heute hat jedes US-Kernkraftwerk zwischen 400 und 700 Festangestellte. Allein die „eigene Privatarme“ umfaßt durchschnittlich 120 Mann. Für jeden Reaktor gibt es ständig zwei – vom Energieversorger zu bezahlende – NRC-Kontrolleure.

International sind Abkommen zu treffen, die sich über die gegenseitige Anerkennung von Zulassungen und Prüfungen verständigen. Es macht keinen Sinn, wenn jedes Land von neuem das gesamte Genehmigungsverfahren noch einmal wiederholt. Bisher gilt eine NRC-Zulassung international als „gold standard“. Es würde sich lohnen, wenn die Kerntechnik sich hierbei an der internationalen Luftfahrt orientiert. Ebenfalls ein Bereich mit sehr hohen Sicherheitsanforderungen.

Nach allgemeiner Auffassung sollten die Lieferketten in „nuclear“ und „non nuclear“ unterteilt betrachtet werden. Die Lieferketten für alle sicherheitstechnisch bedeutenden Teile (Brennelemente, Dampferzeuger, Kühlmittelpumpen usw.) müssen schon sehr früh in der Genehmigungsphase stehen, da ihre Entwürfe unmittelbar mit der Sicherheit verbunden sind. Die Zulieferer müssen sehr eng mit dem eigentlichen Kraftwerkshersteller verknüpft werden. Es ergibt sich ein ähnliches Geschäftsmodell, wie in der Automobilindustrie. Dort werden die Zulieferer mit ihrem speziellen Wissen und Erfahrungen möglichst früh und eng in den Entwicklungsprozess einbezogen. Diese Lieferketten sollten für die Bauartzulassung (vorübergehend) festgeschrieben werden. Es sollten Bauteile gebaut und eingehend geprüft werden. Während dieses Prozesses sind alle Produktionsschritte und Prüfverfahren genau zu dokumentieren, um den Herstellerkreis später ausweiten zu können. Alle sonstigen Bestandteile des Kraftwerks können im Industriestandard und nach lokalen Gegebenheiten unmittelbar nach der jeweiligen Auftragsvergabe vergeben werden.

Hinweis

Dieser erste Teil beschäftigt sich mehr mit den grundsätzlichen Eigenheiten sog. „Small Modular“ Reaktoren. Die Betonung liegt hier auf der energiewirtschaftlichen Betrachtung. Es folgt ein zweiter Teil, der sich näher mit der Technik von SMR in der Bauweise als Leichtwasserreaktor beschäftigt. Ein dritter Teil wird auf die ebenfalls im Bewerbungsverfahren befindlichen schnellen Reaktoren eingehen.