Micro-Reactor, die Renaissance made in USA?

Langsam zeichnet sich ab, welchen Weg die Trump-Administration für die Kernenergie vor hat. Nachdem die Fesseln des Obama-Zeitalters für die fossilen Energien erfolgreich durchschnitten wurden, wird der Umbau der Energieerzeugung nun auch konsequent auf die Kernenergie ausgedehnt. Die Reihenfolge war folgerichtig: Die meisten Arbeitsplätze und das schnellste Wirtschaftswachstum konnte kurzfristig nur über die Öl- und Gasindustrie geschaffen werden. Hier traf alles zusammen: Hohe Nachfrage zu akzeptablen Preisen auf dem Weltmarkt mit vorhandenem Wissen und Kapital im eigenen Land. Nebenbei wurde noch die Kohleindustrie stabilisiert und die überbordende Förderung für „alternative Energien“ zurechtgestutzt. Ein einziger Albtraum für jeden gläubigen „Klimaschützer“. Nachdem der Präsident nun das sichere Fundament für seine Wiederwahl gelegt hat, kehrt etwas Ruhe ein und man kann sich langfristigen Projekten wie der Kernenergie widmen.

Die Lage der Kerntechnik in den USA

Der Schock kam mit dem Desaster der Neubauprojekte Vogtle und Summers. Die USA sind nicht mehr in der Lage, einen in den USA entwickelten Reaktortyp fristgerecht und zu den vereinbarten Preisen fertigzustellen. Zu aller Schande wurden die gleichen Reaktoren in Lizenz in China errichtet und sind inzwischen am Netz. Es gibt in den USA — wie in Deutschland und Frankreich — keine leistungsfähige Industrie mehr, die solch komplexe Projekte unter den speziellen Randbedingungen der Kerntechnik durchziehen kann. Der Faden ist durch die jahrzehntelange Zwangspause beim Neubau einfach abgerissen. Man lernt in Vogtle und Olkiluoto genauso wieder von vorn, wie in den fünfziger und sechziger Jahren. Da sich auch in den USA keine weiteren Kernkraftwerke als Anschlussaufträge abzeichnen, droht eine Abwärtsspirale.

Wie immer, wenn man in einer Sackgasse steckt, muß man die Situation analysieren und neu denken. Es ist etwas von dem „Apple-Geist“ nötig, der mitten in der Krise der Computerindustrie das Smartphone erfunden hat. Heutige Kernkraftwerke erfordern riesigen Kapitaleinsatz, lange Bauzeiten (vom ersten Genehmigungsantrag bis zur Fertigstellung), große Stäbe von erfahrenen Fachkräften. Solche Randbedingungen sind heute nur noch in Staatswirtschaften zu realisieren. Will man verhindern, daß China und Rußland das weltweite Monopol für Kernkraftwerke erhalten, muß man deshalb genau hier ansetzen. Der eingeschlagene Weg läuft über eine Serienproduktion anstelle einer Kosteneinsparung über einen „Größenvorteil“. Ein revolutionärer Ansatz, wie einst der Umstieg vom „Handy“ auf das Smartphone. Ganz wichtig ist hierbei die Schaffung eines Zusatznutzens, der für sich allein einen Kaufanreiz darstellt — zumindest für eine vorhandene kaufkräftige Konsumentengruppe als Starter.

Tot geschriebene, leben länger

Die kerntechnische Industrie in den USA ist noch lange nicht tot. Jedenfalls so lange, wie sie über einschlägige Forschungszentren mit zehntausenden (der besten) Fachleute weltweit verfügt und eine — etwas im Verborgenen blühende — Reaktorindustrie vorhanden ist. Wenig beachtet, existiert das „Büro für Schiffsreaktoren“, welches 82 Kriegsschiffe mit Kernreaktoren unterhält, über sechs Werften, vier Übungsreaktoren an denen jährlich 3500 Studenten ausgebildet werden, zwei eigenen Forschungszentren (Bettis/Knolls), hunderten von klassifizierten Zulieferern und einem eigenen, kompletten Brennstoffkreislauf, verfügt. Dort weht immer noch der Geist von Admiral Rickover. Völlig geräuschlos — und vor allem ohne spektakuläre Unfälle — wird dort Reaktortechnik auf höchstem und sonst weltweit unerreichtem Niveau betrieben. Allein diese Organisation kann (wieder) als Keimzelle einer neuen Industrie dienen. Außerdem hat sich offensichtlich der öffentliche Wind gedreht: Es gibt mehr als 70 neugegründete Unternehmen, die sich mit den unterschiedlichsten Reaktortypen beschäftigen. Universitäten brauchen sich keine Sorgen mehr über den Nachwuchs zu machen.

In diesem Umfeld fehlt es nur noch an politischem Willen. Dieser scheint nun endlich in der Gestalt von Präsident Trump gekommen zu sein. Er hat das Zeug zu einem Kennedy der Kerntechnik zu werden. So, wie einst die Mondlandung zu einer Explosion der Raumfahrt geführt hat, könnte heute der „Micro-Reactor“ eine Initialzündung für einen neuen Industriezweig auslösen.

Was macht dieses Konzept so anders?

Grundgedanke ist die Serienfertigung. Die heutigen (unvorhersehbaren) Bauzeiten für Kernkraftwerke in westlichen Ländern sind für jeden Investor völlig indiskutabel. Zwar bekommt man nicht einmal ein Gaskraftwerk beim Kaufmann um die Ecke, aber zumindest Termingerecht in einem überschaubaren Zeitraum. Die unvorhersehbaren Zeiträume sind die Hauptursache für die hohen Kosten. Dies zeigen die Preise für baugleiche Kraftwerke in China überdeutlich — z. B. gegenüber den ewigen Baustellen in USA (Vogtel), Frankreich (Flamanville) und Finnland (Olkiluoto).

Die notwendige Erstinvestition für eine kleine Leistung ist entsprechend gering gegenüber einem großen konventionellen Kernkraftwerk. Das wirtschaftliche Risiko ist dadurch leichter handhabbar. In wie weit die Serienfertigung hierbei mit einer Kostendegression durch Größe mithalten kann, wird die Zukunft zeigen. Viel wichtiger ist jedoch, daß sich durch die geringen Leistungen völlig neue Märkte für die Kerntechnik erschließen. Auch die Großraumflugzeuge haben in der Luftfahrt nicht die Neuentwicklung kleiner Jets verhindert. Im Gegenteil, haben die kleinen Flugzeuge völlig neue Märkte erschlossen und damit die Luftfahrt insgesamt belebt.

Die Brennstoffkosten sind bei Kernkraftwerken vernachlässigbar — ausdrücklich auch unter Einschluß der notwendigen Entsorgungskosten! Man sollte deshalb nicht den Wirkungsgrad, sondern die Investitionskosten und die Robustheit in den Vordergrund stellen. Lange Betriebszeiten (geplant mindestens 10 Jahre) zwischen den Brennstoffwechseln ergeben schnell geringere Stromkosten zu festen Preisen (Leistung in kW x Betriebsstunden = produzierte Kilowattstunden) gegenüber Windmühlen und Sonnenkollektoren. Aber das absolute Killerargument gegenüber allen wetterabhängigen Verfahren ist: Immer wenn der Schalter umgelegt wird, ist die benötigte elektrische Leistung vorhanden. Ganz ohne Speicher und sonstigen teuren Ballast und auch noch ohne Luftbelastung.

Der ungesehene Markt

Alle Kleinreaktoren leiden unter dem „Henne-Ei-Problem“: Größere Stückzahlen sollen über eine Serienfertigung die Preise drastisch senken. Es fehlt aber der Kunde, der für einen ersten Reaktor bereit ist, das volle Risiko und den notwendigerweise erhöhten Preis zu tragen. Ein Problem, das der Flugzeugindustrie wohl bekannt ist. Es gibt jedoch einen Kunden, der mit diesem Phänomen gewohnt ist umzugehen und überdies noch durch den Steuerzahler gedeckt ist: Das Militär.

Für das US-Militär ist die Versorgung mit Energie stets ein strategisches Problem gewesen. Jeder Versorger muß im Ernstfall durch Kampftruppen (z. B. Begleitung von Konvois) geschützt werden — bindet also Kampfkraft. Außerdem schreitet mit stark zunehmender Geschwindigkeit die Elektrifizierung des Militärs voran (Kommunikation, Radargeräte usw., bis hin zu Waffensystemen selbst). Gleichzeitig werden die vorhandenen Stromnetze auch in USA durch den vermehrten Einsatz von „Erneuerbaren“ immer störungsanfälliger und die Stromkosten steigen immer weiter. Der Scheidepunkt zwischen immer mehr zusätzlicher Notstromversorgung zur Absicherung und Eigenversorgung rückt immer näher. Das US-Verteidigungsministerium ist für über 500 Liegenschaften mit mehr als einem Megawatt Anschlussleistung allein auf dem eigenen Staatsgebiet Auftraggeber und somit einer der größten Stromkunden überhaupt (ca. 21% des gesamten öffentlichen Verbrauchs). 90% dieser Objekte kann mit 4 x 10 MWel voll versorgt werden. Hinzu kommen noch langfristig Heizwärme und Trinkwasser (Meerwasserentsalzung). Im ersten Schritt wird aber eine reine Stromversorgung angestrebt. Da die Spitzenlast nur im Ernstfall benötigt wird, kann sich Zukünftig eine Umkehrung anbieten: Das militärische Kraftwerk speist Überschußstrom ins Netz und senkt damit die eigenen Kosten. Somit ergeben sich folgende Anforderungen:

  • Kleine Abmessungen und geringes Gewicht, damit die „Kleinkraftwerke“ später auch im Feld folgen können.
  • Um möglichst viele Anwendungsfälle zu erschließen, nur eine kleine Leistung — bis 10 MWel derzeit angestrebt.
  • Inhärente („walk away“) Sicherheit.
  • Möglicher Betrieb über den vollen Lastbereich mit hoher Änderungsgeschwindigkeit um Inselbetrieb zu gewährleisten.
  • Langzeit-Dauerbetrieb mit Brennstoff Wechselintervallen von mindestens 10 Jahren („Batterie“). Dies macht eine höhere Anreicherung von nahezu 20% (HALEU) nötig.
  • Weitestgehend vollautomatischer Betrieb durch Soldaten — nach kurzer Schulung und Einarbeitung.
  • Möglichst eine zivile Zulassung durch die NRC um die potentiellen Stückzahlen zu erhöhen und eine Einspeisung ins öffentliche Netz zu ermöglichen.

Das Genehmigungsverfahren

Heutzutage eine Genehmigung für einen neuen Reaktortyp zu erlangen, gleicht einem einzigen Hindernislauf mit ungewissem Ausgang. Von einer Behörde, die ein Monopol hat und überwiegend im Stundenlohn (rund 280$/h) arbeitet, kann man keine Sprünge erwarten. Sie wird sich noch grundlegend umorganisieren müssen um sich den neuen — teilweise noch in Arbeit befindlichen — Randbedingungen anzupassen: Bei Reaktoren so kleiner Leistung ist die Menge radioaktiver Stoffe (Spaltprodukte) so klein, daß auch im ungünstigsten Fall eine Gefährdung von Personen außerhalb des Betriebsgeländes ausgeschlossen werden muß. Eine schlimme Kröte für alle „Atomkraftgegner“! Eine inhärente Sicherheit, d. h. keine nukleare Explosion und auch keine Notkühlung ist erforderlich. Ein vollautomatischer Betrieb, der keine Fehlbedienung erlaubt. In diesem Zusammenhang ist interessant, daß die gesetzlichen Bestimmungen über die Nuklearversicherung bald routinemäßig auslaufen und zwangsläufig überarbeitet werden müssen. Es bietet sich an, für solche Reaktoren die Haftpflicht nur noch rein kommerziell auszugestalten. Eine (spezielle) Industrieversicherung mit kalkulierbar geringeren Kosten. Auch das wird für „Atomkraftgegner“ nur schwer verdaulich sein, da es doch zu deren Grundüberzeugungen zählt, daß Kernkraftwerke gar nicht zu versichern seien!

Wer an dieser Stelle glaubt, das seien alles nur Wunschträume, der täuscht sich gewaltig. Die NRC steht unter Druck. Sie hat schon lange den Bogen überspannt. Ganz entscheidend ist aber, daß sich mit der Wahl von Präsident Trump der Wind von gegen, in pro Kernenergie gedreht hat. Der Präsident ist nämlich in dieser Frage sehr mächtig: Nach dem Atomic Energy Act of 1954 kann er das Verteidigungsministerium (DoD) anweisen, einen solchen Reaktor für militärische Zwecke zu bauen und zu betreiben (siehe 42 U.S.C. §2121(b)). Es bedarf dazu ausdrücklich keiner Genehmigung durch die NRC (siehe 42 U.S.C. §2140(b)).

Allerdings ist der Eigenbau gar nicht gewollt. Es geht um die Wiederbelebung der kerntechnischen Industrie. Dafür ist aber eine Genehmigung und Überwachung durch die NRC nötig. Im Gespräch sind private Investoren und Betreiber. Das Militär würde nur für 40 Jahre den Strom zu einem festgelegten Preis kaufen. Das Kraftwerk könnte in unmittelbarer Nähe des Stützpunktes errichtet werden und von dieser wirtschaftlichen Basis aus, sein Geschäft erweitern. Ein Vorbild ist auch die NASA, die eng mit privaten Raketenherstellern zusammenarbeitet und von diesen Nutzlast kauft.

Der Zeitplan

Aktuell geht man von einer Realisierung innerhalb von 5 bis 10 Jahren für den „Neuen Reaktor“ einschließlich Brennstoffkreislauf, Genehmigungen und Bau aus. Für einen Kerntechniker hört sich das wie Science Fiction oder einer Geschichte aus vergangenen Zeiten (erstes Atom-U-Boot Nautilus etc.) an. Vielleicht knüpft Präsident Trump aber bewußt an diese Traditionen an. Ein solches Projekt ist weniger eine Frage der Ingenieurleistungen sondern viel mehr des politischen Willens. Gelingt es ihm, hat er wahrlich „America Great Again“ gemacht. Wenn Amerika wirklich wollte, hat es immer das Unmögliche geschafft: Manhattan Project, Nautilus, Apollo usw.

Nun ist es auch nicht so, als wenn man bei Stunde Null mit diesem Projekt anfängt. Technisch gibt es kaum Unwägbarkeiten. Politisch sind auch bereits die entscheidenden Gesetze durchgebracht. Es ist halt der unvergleichliche Donald Trump Regierungsstil: Immer viel Kasperletheater als Futter für die Medien und sonstige schlichte Gemüter, bei gleichzeitig harter Sacharbeit im Hintergrund.

Reaktortypen in Europa – Teil5, ESBWR

Der ESBWR (Economic Simplified Boiling Water Reactor) ist die bisherige Krönung in der Evolution der Leichtwasserreaktoren. Es ist ein Reaktor der Generation III+ und erfüllt sicherheitstechnisch bereits die Ziele der vierten Generation: Passive und inhärente Sicherheit, die die Anlage stets selbstständig in einen sicheren Zustand überführt.

Geschichte

Bereits nach dem Reaktorunglück von TMI in Harrisburg begann man in den USA das Genehmigungsverfahren für einen stark vereinfachten Reaktor, den SBWR (Simplified Boiling Water Reactor). Nachdem man über eine halbe Milliarde Dollar Entwicklungs- und Genehmigungskosten investiert hatte, mußte man erkennen, daß dieser Reaktor mit 670 MWel schlicht zu klein und damit unverkäuflich war. Im nächsten Schritt legte man mehr Wert auf die „Wirtschaftlichkeit (Economic)“ und erhöhte die Leistung auf 1600 MWel. Ein weiteres Jahrzehnt mit unzähligen Prüfungen verging. Seit letztem Jahr liegen endlich alle Genehmigungen für den Typ vor. Es fehlt nur noch ein Kunde mit einem konkreten Bauauftrag. Inzwischen gibt es auch dazu Verhandlungen in USA, Polen und Indien. Wie immer, wird der „mutige Investor“ gesucht, der bereit ist in eine neue Technik (first of a kind) zu investieren. Dabei ist die Technik alles andere als revolutionär, sondern im Gegenteil strikt evolutionär. Man hat Schritt für Schritt auf in der Praxis bewährte Bauteile zurückgegriffen. Dies sei nur am Rande bemerkt, für all die Erfinder, die immer nach revolutionären Konzepten schreien. Erfinden und in allen Details den Nachweis der Funktionstüchtigkeit erbringen, sind zwei völlig verschiedene Dinge. Zumindest der Nachweis der Funktionstüchtigkeit – nach den Maßstäben der Kerntechnik – erfordert Jahrzehnte und verschlingt somit immense Summen. Vergleichbares gibt es nur in der zivilen Luftfahrt. Auch dort sind revolutionäre Flugzeugentwürfe nur etwas für Universitäten und Medien.

Anforderungen

Alle bisherigen Erfahrungen mit Kernkraftwerken – insbesondere die Unglücke in Harrisburg, Tschernobyl und Fukushima – haben zu folgenden Anforderungen für einen sicheren und wirtschaftlichen Betrieb geführt:

  • Je weniger Bauteile man hat, je weniger kann kaputt gehen (Schaden) und je weniger muß gewartet und überwacht werden (Wirtschaftlichkeit).
  • Je einfacher („kiss = keep it simple stupid“) das Kraftwerk ist, je einfacher ist es auch zu bedienen – dies gilt für die Automatik, wie auch für das Personal.
  • Je mehr man auf Naturkräfte (Schwerkraft, Speicherung etc.) bei der Sicherheitstechnik setzt, um so sicherer ist ihre Verfügbarkeit im Ernstfall.
  • Je unabhängiger man von äußeren Einflüssen ist (Netzanschluss, Kühlwasser etc.), je weniger können solche „Einwirkungen von außen“ (Tsunami, Wirbelsturm, aber auch Flugzeugabsturz, Terror etc.) zu Schäden beim Kraftwerk führen.
  • Je passiver die Sicherheitsketten sind, je weniger muß man sich auf eine hohe Bereitschaft des Schichtpersonals verlassen. Gerade in Ausnahmesituationen (Erdbeben mit Tsunami) brauchen Menschen Zeit sich darauf umzustellen.
  • Wenn man bewußt von dem Versagen aller Sicherheitssysteme ausgeht und offensiv solche Ereignisse durchspielt, kann man trotzdem die Schäden für die Umwelt noch weiter mindern.

Nur die konsequente Umsetzung der vorausgehenden Punkte hat zu der gewaltigen Steigerung der Sicherheit beim ESBWR geführt. Hatte die „Fukushima-Generation“ noch eine Wahrscheinlichkeit von einer Kernschmelze in 100.000 Betriebsjahren, so liegt diese Wahrscheinlichkeit beim ESBWR bei etwa einer Kernschmelze in 170.000.000 Betriebsjahren. Spätestens nach den Ereignissen von Tschernobyl und Fukushima legt man großen Wert auf die Freisetzung von Radioaktivität nach dem Versagen aller Sicherheitseinrichtungen (z. B. Beschädigung des Containment etc.). Man kann durch geeignete Maßnahmen auch in einem solchen schweren – und unwahrscheinlichen – Unfall, die Freisetzung von radioaktiven Stoffen erheblich verringern. Simulationen für Standorte in USA haben ergeben, daß selbst in Betrachtungszeiträumen von einer Milliarde Jahren (berücksichtigt die geringe Wahrscheinlichkeit der Ereignisse) in einer Entfernung von 800 m (!) keine Dosen über 1 Sv auftreten würden. Natürlich können solche Berechnungen „Atomkraftgegner“ nicht überzeugen. Sie halten auch nach Tschernobyl und Fukushima tapfer an ihrem Glauben von Millionen-Tote-für-zehntausende-Jahre-unbewohnbar fest. Was soll’s, es gibt auch heute noch Menschen, die an Hexen glauben.

Der Naturumlauf

Die Idee einen Siedewasserreaktor ohne Umwälzpumpen zu bauen, ist keinesfalls neu. Allerdings waren die ursprünglichen Modelle, wie z. B. Dodewaard (183 MWth) und Humboldt Bay (165 MWth) geradezu winzig gegenüber einem ESBWR (4500 MWth). Gleichwohl haben sie in den Jahrzehnten ihres Betriebs wertvolle Erkenntnisse und Messreihen geliefert, die als Referenz für die Auslegungsprogramme des ESBWR dienen. Dodewaard war von 1969 bis 1997 am Netz und hat trotz seiner bescheidenen Leistung von 55 MWel fast 11000 GWhelStrom produziert.

Wenn man einen Reaktor mit Naturumlauf bauen will, muß man die treibende Kraft der Umwälzpumpen durch einen Kamineffekt ersetzen: Es steht nur die Dichtedifferenz zwischen kaltem Abwärtsstrom und dampfhaltigem Aufwärtsstrom zur Verfügung. Um überhaupt genug Druck erzeugen zu können, damit man die Reibung in den Bauteilen überwinden kann, ist eine erhebliche Bauhöhe erforderlich. Genau das war aber in den Anfangsjahren das Problem. Man konnte solch große Druckgefäße – zumindest wirtschaftlich – nicht herstellen. Es bot sich deshalb an, besser Umwälzpumpen zu verwenden. Heute haben sich die Verhältnisse umgekehrt. Es gelang praktisch das im ABWR verwendete Druckgefäß auch im ESBWR zu verwenden. Es mußte allerdings für den Kamin oberhalb des Reaktorkerns, von 21,7 auf 27,6 m verlängert werden. Solch schlanke Behälter haben Vor- und Nachteile. Für die Gebäudehöhe und den Erdbebenschutz ist eine solche Länge eher nachteilig. Allerdings ergibt sich auch ein sehr großes Wasservolumen, was sich positiv bei Störfällen auswirkt.

Der Kern des ESBWR ist gegenüber dem ABWR größer (1590 gegenüber 1350 Brennelemente) und flacher (3,0 m gegenüber 3,7 m aktive Brennstablänge). Dies ist auf die höhere Leistung (4500 gegenüber 3926 MWth.) und die anderen thermohydraulischen Bedingungen zurückzuführen. Wegen der höheren Anzahl der Brennelemente erhöht sich auch die Anzahl der Regelstäbe (269 gegenüber 205). Diesem Mehraufwand ist die Einsparung von zehn internen Umwälzpumpen gegen zu rechnen.

Der Rechenaufwand

Einfach anmutende natürliche Systeme, sind meist wesentlich schwieriger zu beschreiben, als technische Systeme. Technische Anlagen, wie z.B. Pumpen, können definierte Randbedingungen schaffen, die eine Berechnung oft stark vereinfachen. Nur auf Naturkräfte beruhende Systeme sind die hohe Schule der Simulation. Schnell stößt man bei der notwendigen räumlichen und zeitlichen Auflösung an die Grenzen heutiger Rechner. Hinzu kommt hier eine sehr große Anzahl von Gleichungen, da die Thermohydraulik und die Neutronenphysik sich sehr stark gegenseitig beeinflussen.

Man muß es eigentlich nicht besonders erwähnen, hier hat man es mit einer Genehmigungsbehörde zu tun und bewegt sich nicht als freischaffender Künstler in der Welt von Klimamodellen oder Wirtschaftsprognosen. Hier muß man nicht nur sein Programm offen legen, sondern auch noch nachweisen, daß es richtig rechnet. Dazu müssen zahlreiche Messreihen an 1:1 Modellen nachgerechnet werden, um Unterprogramme (z. B. Druckverlust in einem Brennelement) zu testen. Ist diese Hürde – zur Zufriedenheit der Genehmigungsbehörde – erfolgreich genommen, geht es daran, Versuche an bereits gebauten Reaktoren nachzurechnen. Erst wenn der Genehmigungsbehörde kein Testfall mehr einfällt, ist das Programm zugelassen. So etwas kann dauern, schließlich arbeitet die Behörde im Stundenlohn für einen Stundensatz von 280 US-Dollar. So viel zum Thema: Junge Unternehmen entwickeln einen innovativen Reaktor. Die alten Zeiten eines Admiral Hyman G. Rickover, für den der Reaktor der USS Nautilus noch mit Rechenschieber, Bleistift und ganz viel Hirn ausgelegt wurde, sind lange vergangen.

Allein die Anpassung des vorhandenen Programms an die Besonderheiten des ESBWR soll bei GE mehr als 100 Mann-Jahre gedauert haben. Erst dann konnten für alle möglichen geforderten Zustände, die Leistungen, Durchflüsse, Dampfzustände und Dampfanteile, Blasenkoeffizienten, die Leistungsdichte und -verteilung, sowie die Stabilität (z.B. Xenon-Schwingungen) nachgewiesen werden.

Führt man sich diesen Aufwand vor Augen, wird einsichtig, warum die Entwicklung evolutionär verläuft. Man hat versucht, soviel wie möglich vom ABWR beim ESBWR weiter zu verwenden. Nicht einmal ein Verbund von internationalen Konzernen aus GE, Hitachi und Toshiba kann es sich heute noch erlauben, die Entwicklung eines kommerziellen Reaktors mit einem weißen Blatt Papier zu beginnen. Ob das nun gut oder eher schlecht ist, mag jeder für sich selbst entscheiden.

Die Notkühlung

Nach dem Unglück in Fukushima sind zwei Ereignisse in den Mittelpunkt der Sicherheitsüberlegungen gerückt:

  1. Der Verlust der Hauptwärmesenke. In Fukushima wurden durch die Flutwelle die Kühlwasserpumpen und Einlaufbauwerke zerstört. Damit ging die Fähigkeit zur Abfuhr der Nachzerfallswärme verloren. Für sich genommen, schon ein wesentlicher Schritt zur Kernschmelze.
  2. Verlust (nahezu) jeglicher Stromversorgung. Durch die Schnellabschaltung infolge der Erdstöße war die Eigenversorgung weg, durch die großräumigen Verwüstungen durch die Naturkatastrophe, die Stromversorgung über das Netz und durch die Flutwelle wurden die Schaltanlagen und Notstromdiesel zerstört.

Wie hätte sich nun ein ESBWR in einer solchen Ausnahmesituation verhalten? Er verfügt über eine zusätzliche Wärmesenke für den Notfall, die vollständig unabhängig vom normalen Kühlwassersystem funktioniert: Die Außenluft. Der Auslegungsphilosophie folgend, sich nur auf Naturkräfte zu verlassen, handelt es sich dabei um offene „Schwimmbecken“ oberhalb des Sicherheitsbehälters. Das Volumen ist so bemessen, daß es für mindestens 72 Stunden reicht. Die Temperatur ist – unabhängig von den Umweltbedingungen – durch die Verdampfung auf maximal 100 °C begrenzt. Es kann jederzeit – auch von außen durch die Feuerwehr – aus verschiedenen Tanks nachgefüllt werden.

Das nur mit der Schwerkraft betriebene Notkühlsystem ECCS (Emergency Core Cooling System) besteht aus vier voneinander unabhängigen Zügen. In jeweils einem „Schwimmbecken“ oberhalb des Sicherheitsbehälters befinden sich zwei Kondensatoren. Diese bestehen aus je zwei übereinander angeordneten Sammlern, die durch zahlreiche dünne Rohre verbunden sind. Von dem Reaktordruckgefäß steigt eine Leitung zu den Sammlern auf. Im Kondensator kühlt sich das entweichende Dampf/Wassergemisch ab und strömt über den (kalten) Rücklauf wieder dem Reaktordruckgefäß zu. Es entsteht ein natürlicher Kreislauf, der sich selbst antreibt. Im Normalbetrieb ist die „warme“ Dampfleitung stets offen. Jede „kalte“ Rückleitung ist durch je zwei parallele Ventile verschlossen. Aus Gründen der Diversität ist ein Ventil elektrohydraulisch und das jeweils andere pneumatisch über einen Druckgasspeicher betrieben. Die Ventile befinden sich in einer „fail-safe“ Stellung: Während des Betriebs werden sie durch die Kraft der Hydraulik oder des Gases geschlossen gehalten. Geht der Druck weg – aus welchen Gründen auch immer, gewollt oder nicht – geben die Ventile den Weg frei. Wegen der Redundanz, reicht ein Ventil aus, um den gesamten Strom durchzulassen. Da die Kondensatoren und die Rückleitung vollständig mit „kaltem“ Wasser gefüllt sind, rauscht dieses Wasser infolge der Schwerkraft in den Reaktordruckbehälter und der Kondensator saugt dadurch ein „warmes“ Gas- und Dampfgemisch aus dem Reaktorgefäß nach. Ein Naturumlauf ist entfacht. Dieser läuft solange, wie der Kern Nachzerfallswärme produziert und die Außenluft diese Wärme abnimmt.

Wenn das nukleare System irgendwo ein Leck hat, würde irgendwann der Kern trocken fallen. Das entweichende Wasser muß sofort ersetzt werden. Zu diesem Zweck gibt es innerhalb des Sicherheitsbehälters große Wassertanks. Damit aber das Wasser in freiem Fall nachströmen kann, muß zuerst der Druck im System abgebaut werden. Hierfür gibt es 8 Sicherheitsventile, 10 Abblaseventile (die zeitweilig durch pneumatische Antriebe geöffnet werden können) und 8 Druckentlastungsventile unmittelbar am Reaktordruckgefäß. Letztere enthalten verschweißte Membranen, durch die sie dauerhaft dicht und wartungsfrei sind. Wenn sie öffnen müssen, „durchschneidet“ ein Kolben die Dichtung. Dieser Kolben wird durch Gas, welches pyrotechnisch in einem Gasgenerator erzeugt wird, bewegt. Es ist das gleiche Prinzip, wie bei einem „Airbag“ im Auto – ein sehr kleiner „Signalstrom“ reicht zur Zündung aus und erzeugt über die „Sprengkraft“ eine sehr große Gasmenge. Diese Ventile sind so gebaut, daß sie den Weg vollständig frei geben, nicht verstopfen können und sich nicht wieder schließen lassen.

Der Energieabbau und die Kühlung geschieht in mehreren miteinander verknüpften Schritten:

  1. Aus den diversen Abblaseventilen strömt (zumindest am Anfang) ein Dampfstrahl mit hoher Energie und Geschwindigkeit. Dieser wird feinverteilt in Wasserbecken eingeblasen. Diese sog. Kondensationskammern befinden sich unten im Sicherheitsbehälter.
  2. Durch die Kondensation fällt der Dampf in sich zusammen und bildet wieder Wasser. Die Verdampfungswärme geht dabei an das Wasser der Kondensationskammer über. Würde man das Wasser nicht kühlen, wäre irgendwann Schluß damit. Der Zeitraum hängt von der Nachzerfallswärme und dem Wasservolumen ab.
  3. Das Wasser in den Kondensationskammern kann auf verschiedenen Wegen gekühlt werden. Der wichtigste Weg ist über die weiter oben beschriebenen Kondensatoren.
  4. Damit der Reaktorkern stets sicher gekühlt ist, sind die Wasservolumina in den Kondensationskammern und Speichern so bemessen, daß der Kern auch dann unter Wasser bleibt, wenn sich das Wasser im Sicherheitsbehälter ausbreitet. Dieser Zustand kann auch absichtlich herbeigeführt werden.
  5. Um eine Kettenreaktion sicher und dauerhaft zu verhindern, wird zusätzlich aus Speichern borhaltiges (Neutronengift) Wasser eingesprüht.

Der „Supergau“

Im Gegensatz zu den Anfängen der Kernkraftwerkstechnik diskutiert man schon heute im Zulassungsverfahren ganz offensiv das Versagen aller Sicherheitseinrichtungen: Einerseits setzt man sich dabei mit den Auswirkungen der dadurch freigesetzten Radioaktivität auf die Umgebung auseinander und andererseits beschäftigt man sich mit Möglichkeiten diese Auswirkungen trotzdem abzumildern.

Ein typischer Fall ist das Versagen des Sicherheitsbehälters. Man versucht alles erdenkliche zu tun um dies zu verhindern, beschäftigt sich aber trotzdem mit diesem Ereignis. Ein Schritt diesen Unfall abzumildern, ist die gesteuerte Ableitung über Filter und den Abgaskamin. Durch die Kaminhöhe verdünnt sich die Abgaswolke beträchtlich. Durch das Vorschalten von geeigneten Filtern kann die Schadstoffmenge zusätzlich gemindert werden.

Ähnlich verhält es sich mit dem Kern: Durch redundante, passive Kühlsysteme versucht man den Brennstoff und die Spaltprodukte im Reaktordruckgefäß zu halten. Trotzdem untersucht man auch ein Versagen des Druckbehälters. Wie Fukushima gezeigt hat, ist auch beim Versagen der Notkühlung nicht mit einem „China Syndrom“ (Hollywood Phantasie, nach der sich der schmelzende Kern immer weiter in den Untergrund frisst) zu rechnen. Trotzdem geht man von einem Schmelzen des Stahlbehälters wie bei einem Hochofenabstich aus. Die Grube des Reaktorgefässes ist deshalb als „feuerfester Fußboden“ (BiMAC, Basemat Internal Melt Arrest and Coolability device) ausgeführt. Unterhalb einer feuerfesten Schicht befindet sich ein Rohrleitungssystem, welches – quasi wie bei einer Fußbodenheizung – diese Schicht kühlt. Dieser „Fußboden“ ist bezüglich seiner Konstruktion und Leistung für den 4-fachen Kerninhalt ausgelegt. Zusätzlich könnte die Grube mit dem im Sicherheitsbehälter vorhandenem Wasser vollständig geflutet werden, um die Spaltprodukte größtenteils darin zurückzuhalten.

Leistungsregelung

Normalerweise geschieht die Leistungsregelung bei Siedewasserreaktoren über die Steuerstäbe und die Umwälzpumpen. Die Steuerstäbe dienen nur zum Anfahren und bis etwa 50% der Auslegungsleistung. Im Bereich oberhalb 60% wird die Leistung nur noch über die Umwälzpumpen durchgeführt. Die Steuerstäbe dienen dann nur noch zur Kompensation des Abbrands.

Beim ESBWR kann der Reaktor durch langsames ziehen der Steuerstäbe auf Temperatur gebracht werden. Da im Siedebereich Temperatur und Druck miteinander gekoppelt sind, steigt auch der Druck im nuklearen System entsprechend an. Würde man keinen Dampf entnehmen, würde der Druck im „Kessel“ immer weiter ansteigen bis die Sicherheitsventile ansprechen. Natürlich wird so bald wie möglich Dampf entnommen, um die Turbine und das gesamte nukleare System damit aufzuwärmen. Wenn man aber Dampf entnimmt, muß die gleiche Menge durch Speisewasser ersetzt werden. Das Speisewasser wird im Betriebszustand auf 216°C vorgewärmt. Dies geschieht in sechs Stufen. Man entnimmt dazu an bestimmten Stellen der Turbine eine gewisse Menge Dampf. Dies ist sinnvoll, da der jeweils entnommene Dampf bereits Arbeit geleistet hat und sich somit der Wirkungsgrad verbessert. Man nennt diese Strategie „Carnotisierung“.

Der ESBWR hat gegenüber einem normalen Siedewasserreaktor (z. B. ABWR) eine siebte Vorwärmstufe, die mit frischem Dampf aus dem Reaktor beheizt wird. Normalerweise wird sie deshalb umgangen. Wenn man beispielsweise mit dieser Stufe die Speisewassertemperatur auf 252°C erhöht, geht die Leistung des Reaktors – bei gleicher Position der Steuerstäbe – auf 85% zurück. Umgekehrt könnte man die Steuerstäbe etwa so weit einfahren, daß nur noch rund 50% der Auslegungsleistung erzeugt wird. Würde man nun die Speisewassertemperatur auf 180°C absenken, würde sich wieder die ursprüngliche Leistung einstellen. Es ergibt sich somit im Bereich zwischen 50% bis 100% Leistung ein umfangreiches Feld, in dem sich die Leistung durch Kombination von Steuerstabstellungen und Speisewassertemperatur regeln läßt.

Die physikalische Ursache ist bei allen Siedewasserreaktoren die Abhängigkeit der Abbremsung der Neutronen von der Dichte des Moderators. Bei Reaktoren mit Umwälzpumpen wird die Dichte durch „ausspülen“ von Dampfblasen aus den Brennelementen erhöht, bei Naturumlauf durch das Absenken der mittleren Temperatur.

Wegen seiner Leistung von 1600 MWel. dürfte dieser Reaktor eher in der Grundlast eingesetzt werden. Gleichwohl ist ein täglicher Lastfolgebetrieb vorgesehen und genehmigt. So sind z. B. die Steuerstäbe für eine Betriebsdauer von 10 Jahren bei täglichem Lastwechsel zugelassen. Idealerweise fährt man mit diesem Reaktor aber mit konstant volle Leistung. Wegen seiner Stabilität und seiner passiven Notkühlung ist er sogar für den Betrieb durch nur einen Bediener konstruiert und zugelassen!

Ausblick

Im nächsten Teil werden die Schwerwasserreaktoren vorgestellt. Es ist bereits beschlossen, einen weiteren solchen Reaktor in Kooperation mit China, in Rumänien zu errichten.