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.

Reaktortypen in Europa – Teil3, AP1000

AP1000 ist die Warenmarke eines Druckwasserreaktors der Generation III+ des Herstellers Westinghouse. Westinghouse ist die Mutter aller Druckwasserreaktoren. Sie erschuf 1954 unter Hyman G. Rickover und Alvin M. Weinberg diesen Reaktortyp für den Antrieb des ersten Atom-U-Boots USS Nautilus (SSN-571).

Geschichte

Der AP1000 entwickelt sich zum „Golf“ der Kernkraftwerke. Inzwischen sind acht Reaktoren in Bau: Je zwei in Sanmen und Haiyang in China und in Vogtle (Georgia) und Summer (South Carolina) in USA. Zahlreiche andere befinden sich weltweit im Vergabeverfahren. So sind drei Reaktoren in Moorside (West Cumbria, nordwestlich von Sellafield, UK) in Vorbereitung. Sie sollen durch NuGen, ein Joint Venture aus Toshiba (Westinghouse gehört zu Toshiba) und GDF SUEZ errichtet und betrieben werden.

Ständig steigende Investitionskosten und steigende Sicherheitsanforderungen zwangen Westinghouse das Konzept grundlegend zu überarbeiten. Über 50 Jahre Betriebserfahrung gipfelten in einer völlig neuen Konstruktion mit vier zentralen Anforderungen:

  • Vereinfachte Konstruktion: Was man nicht hat, kostet auch nichts und kann nicht versagen,
  • Übergang von aktiven auf passive Sicherheitssysteme,
  • modularer Aufbau und
  • parallele Errichtung von Bau und Anlagentechnik.

Der AP1000 ist ein schönes Beispiel dafür, was man erreichen kann, wenn man den Mut hat, eine Konstruktion noch einmal mit einem weißen Blatt Papier von Anfang an zu beginnen. Vorgabe war ein Druckwasserreaktor mit einer mittleren Leistung von rund 1000 MWel. Schon damit setzte man sich ab. Man versuchte gar nicht erst eine Kostensenkung über eine Leistungssteigerung zu erzielen, sondern setze lieber auf die Nachfrage des Weltmarktes. Die Größe entsprach nur etwa 2/3 der letzten Typen der zweiten Generation. Dieser Rückschritt sollte dafür die Märkte der Schwellenländer mit noch kleinen Netzen einschließen.

Durch die „geringe“ Leistung kommt man mit nur zwei modernen Dampferzeugern gegenüber üblicherweise vier aus. Dies spart schon mal beträchtlich umbauten Raum, der bei Kernkraftwerken besonders teuer ist (Sicherheitsbehälter, Betonbunker etc.). Durch weiteres, konsequentes „weglassen“ ergibt sich der Druckwasserreaktor mit dem geringsten Beton- und Stahleinsatz pro MWel.

Ein weiterer Ansatz zur Senkung der Stromerzeugungskosten ist die Verlängerung der Nutzungsdauer: Die Ausdehnung auf genehmigte 60 Jahre verteilt die Kapitalkosten auf wesentlich mehr produzierte KWh. Weniger sicherheitsrelevante Teile (z. B. Noteinspeisepumpen mit zugehörigen Ventilen und Rohrleitungen) oder robustere Konstruktionen (z. B. dichtungslose Hauptkühlmittelpumpen) verringern die Wartungskosten und die notwendigen Wiederholungsprüfungen. Eine nicht zu vernachlässigende Einsparung über die Lebensdauer eines Kraftwerks.

Pumpen

Üblicherweise stehen die Hauptkühlmittelpumpen zwischen den Dampferzeugern. Sie sind mit diesen und dem Reaktordruckgefäß über Rohrleitungen verbunden. Die Pumpen saugen das abgekühlte Wasser aus den Dampferzeugern an und drücken es zurück durch den Kern. Beim AP1000 haben sie die gleiche Aufgabe. Sie sind aber paarweise direkt an den Dampferzeugern angeflanscht. Dies erspart nicht nur Rohrleitungen, sondern vereinfacht diese erheblich. Es sind weniger Formstücke und Schweißnähte erforderlich und der Schutz gegen Erdbeben gestaltet sich wesentlich einfacher.

Die Pumpen selbst, sind für zivile Druckwasserreaktoren ungewöhnlich. Sie verfügen über mit Wasser geschmierte Gleitlager und sind voll gekapselt. Der Läufer und der Stator sind in wasserdichte Hüllen eingeschweißt. Das Pumpenrad sitzt direkt auf der Welle des Antriebsmotors. Sie benötigen damit keine Wellendichtungen und sind somit extrem wartungsarm. Sie sind für eine Betriebsdauer von 60 Jahren ausgelegt und zugelassen. Dieser Pumpentyp ist sehr anspruchsvoll in der Fertigung. Die USA verfügen jedoch über eine jahrzehntelange Erfahrung mit diesem Pumpentyp in ihrer Marine.

Passive Sicherheit

Unter „Passiver Sicherheit“ versteht man, daß bei keinem Störfall Pumpen, Diesel etc. benötigt werden um den Reaktor in einen sicheren Zustand zu überführen und zu halten. Alle Armaturen müssen nur einmal ausgelöst werden (voll offen oder voll geschlossen) und nach Auslösung ohne Hilfsenergie auskommen. Es sollten keine Eingriffe durch das Personal nötig sein.

Hinter dieser Definition verbirgt sich noch ein weiterer Ansatz zur Kostensenkung: Man kann „Sicherheit“ oder „Verteidigung“ in mehreren Stufen definieren. Bevor ein Ereignis zu einem Störfall wird, kann man durch automatische Stellglieder die Folgen abwenden. So kann man z. B. bei einem Generatorschaden den Dampf direkt in den Kondensator leiten und dadurch eine Notkühlung verhindern. Alle für diese Umleitung notwendigen Komponenten bräuchten nur den bei konventionellen Kraftwerken üblichen Qualitätsstandard besitzen, da sie das eigentliche Sicherheitssystem (gemeint ist damit das passive Notkühlsystem) nicht berühren. Nur die Komponenten des passiven Sicherheitssystems müssten den Stempel „nuclear grade“ tragen. Oft sind solche Teile völlig identisch mit dem „Industriestandard“ – unterscheiden sich lediglich im bürokratischen Aufwand und im Preis.

Man kann die Sicherheit – bezogen auf eine eventuelle Freisetzung von radioaktiven Stoffen in die Umwelt – noch steigern, indem man eine konsequente Diversifizierung betreibt. Ferner sieht man für wahrscheinlichere Ereignisse eine höhere Anzahl von Verteidigungsstufen vor.

Der Station Blackout

Vor Fukushima war der größte anzunehmende Unfall (GAU) der entscheidende Sicherheitsmaßstab. Man ging von einem plötzlichen Verlust der Reaktorkühlung infolge einer abgerissenen Hauptkühlmittelleitung aus. Um ein solches Ereignis zu beherrschen – ohne Freisetzung nennenswerter Radioaktivität in die Umwelt – muß bei Reaktoren mit aktivem Sicherheitskonzept auf jeden Fall ausreichend elektrische Energie vorhanden sein. Mindestens ein Notstromdiesel muß starten und die entsprechenden Schaltanlagen müssen funktionstüchtig sein. In Fukushima hat beides ein Tsunami außer Gefecht gesetzt.

Seit Fukushima ist der „station blackout“ ins öffentliche Interesse geraten. Gemeint ist damit der völlige Verlust von Wechselstrom (Kraftstrom) im Kraftwerk. Es ist nur noch Gleichstrom aus Batterien für Steuerung und Notbeleuchtung vorhanden. Es ist daher interessant, wie der AP1000 auf solch eine Situation reagieren würde:

Durch den Stromausfall fallen die Regelstäbe durch ihr Eigengewicht in den Reaktorkern ein und unterbrechen jede Kettenreaktion. Allerdings beträgt in diesem Moment die Nachzerfallswärme noch rund 6% der thermischen Leistung (ungefähr 200 MW), die sicher abgeführt werden müssen. Durch den Stromausfall, fallen alle Pumpen aus. Durch die in den Schwungrädern der Hauptkühlmittelpumpen gespeicherte Energie, laufen diese noch geraume Zeit nach und halten den Primärkreislauf aufrecht. Allerdings ist nach etwa zwei Minuten der Wasserstand auf der Sekundärseite der Dampferzeuger auf sein zulässiges Minimum gefallen, da die Speisepumpen auch nicht mehr laufen können. Dieser Zustand öffnet automatisch die beiden Ventile zur Notkühlung (die Ventile sind im Betrieb elektromagnetisch geschlossen, d. h. Strom weg = Ventil offen). Nur ein Ventil müßte öffnen (Redundanz), um die volle Wärmeleistung abzuführen. Das Wasser strömt nun vom Reaktorkern zu einem Wärmeübertrager (PRHR HX) in dem Wassertank innerhalb der Sicherheitshülle (PRHR). Dieser Tank liegt deutlich oberhalb des Reaktordruckgefässes, wodurch sich ein Naturumlauf ergibt. Nach rund zwei Stunden ist die Nachzerfallswärme auf rund ein Prozent (immerhin noch rund 34 MW) abgefallen. Nach ungefähr fünf Stunden wäre der Tank soweit aufgeheizt, daß das Wasser zu sieden beginnt. Der Sicherheitsbehälter ist ein Zylinder aus 45 mm dickem Stahlblech (bessere Wärmeleitung als Beton). Der Dampf würde an den Wänden kondensieren und über ein Auffangsystem zurück in den Tank laufen. Der Sicherheitsbehälter wiederum, würde seine Wärme an die Umgebungsluft abgeben. Die Umgebungsluft steigt wie in einem Kamin im Zwischenraum zwischen Sicherheitshülle und Betonwand der Schutzhülle (gegen Flugzeugabsturz usw.) auf. Steigt der Druck im Sicherheitsbehälter über einen Grenzwert an, werden zur Steigerung der Kühlung die pneumatisch betätigten Ventile der Beregnungsanlage geöffnet. Ganz oben, auf dem Dach des Reaktors befindet sich ein charakteristischer, ringförmiger Wassertank. Aus ihm würde nun Wasser durch Schwerkraft auf die äußere Seite des Sicherheitsbehälters „regnen“ und diesen stärker kühlen. Der Inhalt des Tanks reicht für 72 Stunden Beregnung.

Durch die (gewollte) Abkühlung des Reaktors zieht sich das gesamte Wasser des Primärkreislaufes wieder zusammen. Der Wasserstand im Druckhalter sinkt. Genauso würde er sinken, wenn der klassische GAU – irgendein Leck im Primärkreis – eingetreten wäre. Damit ein zeitweiliges „trocken fallen“ der Brennelemente (Harrisburg und Fukushima) sicher verhindert werden kann, wird rechtzeitig Wasser nachgespeist. Hierfür gibt es sog. Akkumulatoren. Das sind Behälter, die teilweise mit Wasser gefüllt sind und durch ein Stickstoffpolster unter Druck gehalten werden. Aus diesen strömt automatisch (Rückschlagventile, die durch den Druck im Primärkreis geschlossen gehalten werden, Druck zu klein = Ventil offen) Wasser in den Reaktordruckbehälter nach.

Ist der Druck – egal ob durch ein Leck oder Abkühlung – bis auf Umgebungsdruck abgebaut, kann die Kühlung direkt über die Verdampfung des Wassers im Druckbehälter endlos weiter erfolgen. Dieser Zustand kann auch gewollt oder automatisch angestrebt werden. Würde die Kühlung – aus welchen Gründen auch immer – versagen, würde der Druck im Reaktorbehälter immer weiter ansteigen. Um dies zu verhindern, kann man den Druck über ein Abblasen des Druckhalters abbauen. Dies ist ein Beispiel, wie man durch den geschickten Aufbau einer Sicherheitskette das eventuelle Versagen einzelner Glieder überbrücken kann: Würden tatsächlich beide Ventile (2 x 100%) des Notkühlkreislaufes versagen (siehe weiter oben) müßte trotzdem nicht die Kühlung ausfallen, sondern es würde lediglich ein anderer Weg beschritten.

Die 72 h Regel

Beim AP1000 bezieht sich die passive Sicherheit nicht nur auf die Anlagentechnik, sondern auch auf das Personal. Seit den Störfällen von Harrisburg und Tschernobyl weiß man um die Bedeutung von Bedienungsfehlern. Gerade in der Zeit unmittelbar nach der Störung ist die Wahrscheinlichkeit dafür besonders hoch: Das Schichtpersonal muß erst seinen Schock überwinden, eine wahre Informationsflut muß erst einmal verarbeitet werden damit man sich überhaupt einen Überblick verschaffen kann und dann müssen die richtigen Maßnahmen auch noch erkannt und eingeleitet werden. Andererseits sind drei volle Tage eine recht lange Zeit, um etwas zu reparieren, Fachleute außerhalb des Kraftwerks hinzu zu ziehen oder sogar Ersatzgerät herbeizuschaffen. Dies gilt selbst bei schwersten Naturkatastrophen wie in Fukushima.

Dabei sind die 72 Stunden als Mindestwert bei ungünstigsten Bedingungen zu verstehen. Nach Ablauf dieser Zeitspanne sind weitere Auffanglinien vorgesehen. So können z. B. die Kühlwasserbehälter auch von außen über die Feuerlöschtanks auf dem Gelände nachgefüllt werden. Hierfür ist allerdings wenigstens ein kleiner Hilfsdiesel, der zusätzlich zu den eigentlichen Notstromdieseln vorhanden ist, nötig. Der Treibstoffvorrat beträgt vier Tage. Inzwischen dürften längst Hilfskräfte und Material aus den Notfallcentern eingetroffen sein.

Die Strategie zur Kostensenkung

So makaber es klingen mag, aber die Unglücke von Tschernobyl (vollkommen explodierter Reaktor) und Fukushima (in drei Reaktoren gleichzeitige Kernschmelze) haben den „Atomkraftgegnern“ ihr stärkstes Argument von dem „unkalkulierbaren Restrisiko“ bei Kernkraftwerken entzogen. Nur noch sehr schlichte Gemüter glauben das Märchen „Millionen-Tote-für-10000-Jahre-unbewohnbar“. Es ist also kein Zufall, daß sich die „Bewegung“ nun auf angeblich „zu teuer“, konzentriert. Für die Investitionskosten sind folgende Faktoren ausschlaggebend:

  • Unnötig kompliziert: Doppelte Betonbunker, Core catcher, weitere Notstromdiesel, Pumpen etc.
  • Bürokratismus: „Nuclear grade“ erfordert einen – teilweise absurden – bürokratischen Aufwand. Oft kostet das gleiche Bauteil als „nuclear grade“ geadelt, den vier bis fünffachen Preis. Um eine Diskussion über Sinn und Zweck zu vermeiden, sollte dieser Standard nur noch für echte Sicherheitstechnik verlangt sein. So könnte man beispielsweise bei einem Reaktor mit passiver Sicherheit, die Notstromdiesel aus diesem Verfahren entlassen – als wenn es in anderen Bereichen (IT, Luftfahrt, Seefahrt etc.) keine Sicherheitsnormen gäbe.
  • Bauzeit: Je länger die Bauzeit dauert, desto höher sind automatisch die Baukosten (Verzinsung), das Risiko (z. B. Inflation) und der ausgefallene Gewinn (z. B. Zukauf von Strom). Eine Verkürzung läßt sich grundsätzlich nur durch parallele Abläufe erzielen.
  • Baustelle: Arbeiten auf Baustellen sind grundsätzlich teurer, als eine Fertigung in einer Fabrik. Hinzu kommt meist noch ein schwer zu kalkulierendes Witterungsrisiko.
  • Serien: Jeder „first of a kind“ ist teurer als die Nachfolgemodelle. Hat man erst einmal die „Konstruktionsfehler“ behoben und das Personal seine Erfahrungen gesammelt, geht die Arbeit wesentlich flotter. Dies hat sich auch jetzt beim Bau der ersten AP1000 in China und USA wieder gezeigt.

Westinghouse hat konsequent auf eine Modularisierung bei paralleler Fertigung gesetzt. Im Schiffbau nennt man das „Sektionsbauweise“. Ziel ist die Errichtung eines Kernkraftwerks in 36 Monaten. Diesen sind noch der Vorlauf für die Baustelleneinrichtung und die Inbetriebnahme hinzu zu rechnen, sodaß ein Zeitraum von rund fünf Jahren zwischen Auftragserteilung und Übergabe an den Kunden liegt.

Der Rohbau

Üblich ist es schon immer, alle großen Bauteile: Reaktordruckgefäß, Dampferzeuger, Druckhalter, Turbine und Generator, Kühlmittelpumpen etc. möglichst schnell zu vergeben. Diese Aggregate werden von Spezialfirmen gefertigt und getestet und kommen möglichst komplett auf die Baustelle.

Gänzlich anders verhielt es sich bisher mit dem baulichen Teil: Der Hochbau wurde ganz konventionell in Ortbeton hergestellt. Dabei arbeitete man sich, wie bei jedem anderen Gebäude auch, vom Keller bis zum Dach stückweise voran. Wie auf jeder anderen Baustelle auch, konnte man mit dem Innenausbau erst beginnen, wenn der Rohbau fertig war.

Beim AP1000 hat man konsequent mit dieser Tradition gebrochen. Hier gilt: Möglichst wenig Arbeiten auf der unmittelbaren Baustelle und weitgehendste Fertigung in den Fabriken der Zulieferer. Um möglichst parallel arbeiten zu können, werden die Sektionen auf dem Baustellengelände aus den gelieferten Modulen zusammengebaut und die Sektionen termingerecht mit einem Schwerlastkran (3200 to) zu dem eigentlichen Reaktor zusammengefügt.

Konventionell (Schalung aus Holz, Eisengeflecht vor Ort und mit Beton ausgegossen) gebaut, wird nur noch die Grundplatte, auf der die gesamte „nukleare Insel“ steht. Schon die sich anschließende „Reaktorgrube“ ist eine komplette Sektion in Sandwich-Bauweise. So geht es Sektion für Sektion nach oben. Der Schwerlastkran stapelt alle wie auf einer Werft über- und nebeneinander. Dazu gehören auch ganze Baugruppen aus Rohrleitung, Pumpen, Ventilen usw., fertig lackiert, in Stahlgestellen. Die eigentliche Montage vollzieht sich in der erdbebenfesten Verbindung der Gestelle mit dem Baukörper und dem Anschluß an die Versorgungsleitungen etc. Da diese Module schon bei ihren Herstellern vollständig getestet und abgenommen worden sind, verkürzt sich auch die spätere Inbetriebnahme erheblich.

Das Sandwich

Für eine konventionelle Betonwand muß der Zimmermann eine Schalung aus Holz bauen und die Eisenflechter die Moniereisen einbringen. Nach dem Aushärten des Beton muß alles noch mühselig ausgeschalt und meist auch noch nachgearbeitet werden. Eine kosten- und vor allem zeitaufwendige Arbeit. Außerdem sind Zimmerleute keine Feinmechaniker.

Ein Sandwich besteht aus zwei Stahlplatten, die später mit Beton ausgegossen werden. Die Stahlplatten-Konstruktion übernimmt die Funktion einer verlorenen Schalung und enthält auch noch das „notwendige Eisen“, was die Festigkeit eines Stahlbeton ausmacht. Auf den ersten Blick keine revolutionäre Erfindung. Nur sind die Wände und Decken in einem Kraftwerk meist nicht massiv, sondern haben unzählige Durchbrüche und Einbauten. Wenn man die Anlagentechnik auch in Modulen vorfertigen will, müssen diese in der Toleranz von Maschinenbauern und nicht von Zimmerleuten ausgeführt werden. Wenige Millimeter Versatz, enden in einer teuren Katastrophe. Die einzelnen Platten werden nun – wie auf einer Werft – vollautomatisch aus- und zugeschnitten. Die Verstärkungen (die das Eisengeflecht bei konventionellem Beton ersetzen) werden auf Schweißmaschinen angebracht und die Platten zu Modulen zusammengeschweißt. Die Größe der Module ist dabei maßgeblich durch den Transportweg begrenzt. Die größte Sektion besteht z. B. in Vogtle aus 72 Modulen, die auf der Baustelle zusammengeschweißt werden und mittels eines Schwerlasttransporters und des Schwerlastkranes in den Sicherheitsbehälter eingesetzt wurde. Diese Sektion wiegt ohne Betonfüllung rund 1000 to.

Neue Herausforderungen

Die Aufteilung in drei Bauphasen: Fertigung von Modulen bei den Herstellern, zusammenfügen der Module zu Sektionen auf separaten Vormontageplätzen und der Zusammenbau der Sektionen zum eigentlichen Reaktor, erfordert eine besonders ausgefeilte Planung und Logistik.

Ein solches Vorhaben kann nur gelingen, wenn man von Anfang an, wirklich alle Elemente auf einem entsprechenden Rechner in vierdimensionaler (drei Orts- und eine Zeitachse) Abbildung zur Verfügung hat. Solche Werkzeuge gibt es noch nicht sehr lange. Zum Werkzeug gehören aber noch die entsprechend qualifizierten Konstrukteure mit praktischer Erfahrung und eine Lernkurve. So waren z. B. bei den ersten Reaktoren in China einige Abstände zwischen den Kabelbahnen und den Decken des nächsten Moduls zu knapp bemessen. Es ergaben sich tote Ecken bezüglich der Lackierung, usw. Alles Dinge, die zu Zeitverzug und ungeplanter Nacharbeit geführt haben.

Es ist eine ungeheure Disziplin und straffe Organisation über die gesamte Laufzeit eines Projekts erforderlich: Jede Änderung bei einem Zulieferer – irgendwo auf der Welt – kann dutzende Änderungen, zusätzliche Prüfungen usw. bei anderen Zulieferern auslösen. Gerade Dokumentation und Prüfungen sind in der kerntechnischen Industrie eine besondere Herausforderung. In den USA hat letzteres zu erheblichen Verzögerungen beim Bau des Kraftwerks Vogtle geführt. Ein Hersteller aus Louisiana – der seit Jahrzehnten erfolgreich im Bau von Ölförderanlagen etc. tätig war – war mit diesen „Gepflogenheiten der Kerntechnik“ nicht hinreichend vertraut. Im Endergebnis mußten etliche Module aus China nachbestellt werden.

Die Sektionsbauweise ist auch nicht ohne Tücken und erfordert entsprechendes Fachpersonal auf der Baustelle. Es müssen komplizierte und stabile Leergerüste gebaut werden, um die Sektionen aus Modulen passgerecht zusammen zu bauen. Der Verzug beim Schweißen und die Temperaturschwankungen sind bei so großen Bauteilen eine weitere Herausforderung. Der Schwerpunkt ist ebenfalls nicht immer genau festgelegt, was das Anheben ohne zusätzliche Belastungen nicht einfacher macht. Für Sektionen bis zu 1000 to müssen entsprechende Kräne und Transporter bereitgehalten werden. Für diese selbst, muß die Infrastruktur (Schwerlaststraßen, Bewegungsräume, Energieversorgung etc.) geschaffen werden.

Ausblick

Der AP1000 setzt die Maßstäbe für den Bau moderner Druckwasserreaktoren. Seine Weichen werden z. Zt. in China gestellt. Er kann seine wirtschaftlichen Vorteile erst in einer größeren Serie voll ausspielen. Die Lernkurve zeichnet sich bereits in USA und China deutlich ab. Es ist nur eine Frage der Stückzahl, wann die Investitionskosten für ein solches Kernkraftwerk unter das Niveau eines Kohlekraftwerks nach deutschen Standards (Wirkungsgrad 46%, mit Entstickung und Rauchgasentschwefelung, zugehörige Entsorgungsanlagen etc.) gesunken sind. Genau diese Frage, stellt sich aber bereits heute – wie schon in den 1970er Jahren in Deutschland –, wenn man die Luftverschmutzung in Peking betrachtet. Anschließend steht für China ein gigantischer Weltmarkt offen. Wir sprechen bereits in Europa nicht nur über Moorside, sondern auch über Polen, Tschechien und Bulgarien.

Im nächsten Teil4 geht es um die Siedewasserreaktoren, wie sie z. B. für den Standort Wylfa Newydd (Insel Anglesey in Nord Wales, GB) vorgesehen sind.

 

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.

ACP-1000, Chinas erster richtiger Export

Im August 2013 hat sich China zum ersten mal als Exporteur „richtiger“ Kernkraftwerke auf dem Weltmarkt gezeigt: China hat mit Pakistan einen Vertrag zur Lieferung eines Kraftwerks mit zwei ACP-1000 Reaktoren abgeschlossen. Die Angelegenheit erscheint gleich aus mehreren Gründen bemerkenswert: Es handelt sich bei den Reaktoren um eine Eigenentwicklung von Reaktoren der sog. III. Generation und den besonderen politischen Umständen. Mit Argentinien steht man angeblich vor einem weiteren Abschluss. China scheint also sehr viel schneller auf dem Weltmarkt zu erscheinen, als manch einer sich „im Westen“ hat vorstellen können. Betrachtet man den günstigen Preis von 9,6 Milliarden US-Dollar – was umgerechnet etwa 3300 €/kW entspricht – kann man erwarten, daß China den internationalen Kraftwerksmarkt ähnlich wie bei Mobiltelefonen, Kopierern und Unterhaltungselektronik aufmischen wird. Dies war zwar schon lange angekündigt, aber nicht so schnell zu erwarten gewesen. China will auf dem Kraftwerkssektor unbedingt Weltmarktführer werden. Wird ihm das gelingen, wird sich das für das alte Europa noch zu einem industriellen Albtraum entwickeln. Insofern kann man schon heute allen Politikern und sonstigen Vertretern der „Sozialindustrie und Bio-Bauern-Republik“ zu ihrem Erfolg gratulieren.

Der politische Hintergrund

China demonstriert mit seinem Export von Kernkraftwerken nach Pakistan einmal mehr Stärke und imperiales Gehabe im asiatischen Raum. Für China sind internationale Verträge nur so lange gültig, wie sie dem eigen Vorteil dienen. Sieht China auch nur eigene Interessen berührt – siehe die Haltung zum Giftgaseinsatz in Syrien – sind sie nicht das Papier wert, auf dem sie geschrieben stehen. Eine chinesische Grundeinstellung, für die sie bei allen asiatischen Nachbarn bekannt und gefürchtet sind. Eigentlich, verstößt China nicht nur gegen seine Verpflichtungen aus seiner Mitgliedschaft in der IAEA (International Atomic Energy Agency), sondern auch gegen die erst 2005 abgeschlossenen NSG (Nuclear Suppliers Group) Verträge. Dort hat sich China verpflichtet, keine weiteren Reaktoren (Chashma im Punjab mit 2 x 300 MWe) mehr an Pakistan zu liefern. Der Grund dieses Abkommens ist, daß Pakistan selbst ein Atomwaffenstaat ist und sich beharrlich weigert, den internationalen Abkommen zur Nicht-Weiterverbreitung beizutreten. Es hat durch den nachgewiesenen Handel mit „Atomwaffentechnik“ wiederholt unter Beweis gestellt, daß es eine ausgesprochene Außenseiterrolle einnimmt. Insbesondere sein Nachbar Indien fürchtet die zunehmende Islamisierung des Landes und weitere Übergriffe und Anschläge. China behauptet in seiner ihm eigen Art, daß es sich keinesfalls um den Bruch internationaler Abkommen, sondern lediglich um die Fortsetzung des Chashma-Projekts (Entfernung über 700 km) handelt. Man kann also davon ausgehen, daß China sich als der bevorzugte Lieferant für Kerntechnik für alle zweifelhaften Regime etablieren wird.

Die Energiepolitik in China

Zur Zeit hat China 15 Reaktoren in Betrieb und 30 im Bau. Weitere 51 Reaktoren befinden sich im fortgeschrittenen Planungsstadium und 120 in der Vorstudie. Die Ereignisse in Fukushima führten zu einer zwanzig Monate dauernden Bedenkzeit, in der erstmal keine weiteren Projekte in Angriff genommen wurden. Als Folge dieser Verzögerung wurde das Ausbauziel für 2020 von 80 GWe auf 58 GWe gesenkt. Gleichwohl wurde das Ausbauziel für 2030 mit 200 GWe unverändert gelassen. China hätte damit rund doppelt so viele Reaktoren wie die USA und etwa vier mal so viele, wie Frankreich. Wer solche Planzahlen vorgibt, ist dazu genötigt, eine kerntechnische Industrie von bisher nicht gekannter Größenordnung aufzubauen. Selbst wenn China gewillt und finanziell in der Lage wäre, diese Stückzahl zu importieren, wäre der Weltmarkt dazu gar nicht in der Lage – jedenfalls nicht ohne eine Preisexplosion.

Bisher erscheint das kerntechnische Programm sehr verzettelt. Man hat sich alle verfügbaren Reaktortypen am Weltmarkt zusammengekauft und entsprechende Kooperations- und Lizenzabkommen geschlossen. Andererseits war dies mit einer enormen Lernkurve verbunden. Vorbild war und ist jedoch Frankreich: Man möchte sich möglichst auf einen Reaktortyp beschränken und dadurch die vollen Skalenvorteile nutzen. Dies betrifft vor allem den Betrieb. Anders als in Deutschland, ist das oberste Staatsziel, möglichst viel elektrische Energie, zu möglichst geringen Preisen bereit zu stellen. Dies wird als notwendiges Fundament einer modernen Wohlstandsgesellschaft gesehen.

Der ursprüngliche Plan sah die konsequente Nationalisierung des ursprünglich von Frankreich importierten 910 MWe Reaktors M310+ vor. Er gipfelte in dem als CPR-1000 bezeichneten Reaktortyp, der faktisch ein Nachbau der 34 in Frankreich gebauten Reaktoren mit je 157 Brennelementen war. Von diesem Typ sollten 60 Stück in Serie gebaut werden. Doch Fukushima veränderte die Lage grundlegend. Man kam zum Schluß, in Zukunft nur noch Reaktoren der III. Generation zu bauen und die im Bau befindlichen Reaktoren der II. Generation nach Möglichkeit zu ertüchtigen. Durch diesen Beschluss wurde das Ausbauprogramm etwas durcheinander gewirbelt: Bisher sind nur zwei Typen der III. Generation (AP-1000 von Westinghouse und EPR von Areva) im Bau. Bis zur endgültigen Entscheidung, welcher Reaktor in Großserie gebaut wird, sollen noch erste Betriebsergebnisse abgewartet werden. Neben dem engen Zeitplan ergeben sich auch noch juristische Probleme in Bezug auf die Lizenzabkommen. Wahrscheinlicher Sieger dürfte der in Modulbauweise zu errichtende AP-1000 sein. Allerdings hat man mit Westinghouse erst eine gemeinsame Vergrößerung auf mindestens 1400 MWe (CAP-1400) beschlossen. Diese Neuentwicklung ist bereits vollumfänglich für den Export durch China freigegeben.

Der ACP-1000

Hier kommt nun der ACP-1000 ins Spiel: Wie ein Kaninchen aus dem Zylinder, erscheint ein vollständig selbstständig entwickelter und vollständig durch eigene Rechte abgesicherter chinesischer Reaktor der 1000 MWe Klasse auf der (politischen) Bildfläche. Unverhohlen läßt man damit drohen, daß mindestens 60 % der ausländischen Firmen ihre chinesischen Aufträge ab 2020 verlieren könnten, wenn China den Weg dieser Eigenentwicklung beschreiten würde. Im Moment könnte man bereits 85% des Reaktors mit eigenen Produkten – ohne Lizenzgebühren – produzieren. Durch den hohen Eigenanteil, könnte man bereits heute 10 % günstiger als der Rest der Welt anbieten. Alles etwas vollmundig. Die zwei ersten Reaktoren überhaupt, sollen als Block 5 und 6 im Kernkraftwerk Fuqing in der Fujien Provinz errichtet werden. Baubeginn soll noch dieses Jahr sein. Im Zusammenhang mit einer angeblich vollständigen Eigenentwicklung ist dies etwas dubios. Bisher braucht in China, jedes als „Nuclear Grade“ deklarierte Bauteil (damit sind alle Komponenten gemeint, die für einen sicheren Betrieb ausschlaggebend sind), eine spezielle Zulassung der Genehmigungsbehörde. Um diese Zulassung zu erlangen, muß nachgewiesen werden, daß der Betrieb diese Komponente seit mindestens fünf Jahren produziert und sie in einem Kernkraftwerk erfolgreich eingesetzt wird. Letzteres muß durch den Verwender schriftlich bestätigt werden. Erstes bezieht sich sogar auf Fertigungsstätten ausländischer Firmen in China. Namhafte deutsche Hersteller sind an dieser Klausel gescheitert.

Bisher weiß man über den ACP-1000 nicht sehr viel. Es soll sich um eine Weiterentwicklung der französischen Standardbauweise mit drei Sekundärkreisläufen handeln. Seine Leistung soll 1100 MWe bei 3060 MWth betragen. Der Reaktorkern ist eine angeblich vollständige Eigenentwicklung mit 177 Brennelementen von 3,66 m Länge (Lizenzfrage?). Er ist für ein Wechselintervall von 18 Monaten bei einem Abbrand von 45000 MWd/tU ausgelegt. Ausdrücklich wird die hohe Lastfolgefähigkeit durch eine voll digitale Regelung erwähnt. Durch den Einsatz „passiver Elemente“ bei „modernster aktiver Sicherheit“ soll es sich angeblich um einen Reaktor der III+. Generation handeln. Einen vollständigen Einblick wird man erst erhalten, wenn dieser Reaktor durch eine westliche Genehmigungsbehörde zertifiziert wird. Angeblich, ist dies demnächst vorgesehen.

Konsequenzen

Die Träume vieler europäischer Konzerne, vom großartigen chinesischen Markt dürften ausgeträumt sein. Die deutsche Krabbelgruppenmentalität vom „solidarischen Umgang miteinander“ ist für chinesische Maßstäbe völlig widernatürlich. Im chinesischen Geschäftsleben gilt ausschließlich das Recht des Stärkeren. Wer nicht stets besser ist, hat nicht einmal ein Recht auf Anerkennung. China hat sich alle Reaktormodelle bauen und erklären lassen. Jetzt kommt die Phase der gnadenlosen Verwertung des erlernten. Wer jetzt noch etwas verkaufen will, müßte schon wieder besser sein. Das unendlich langsame Europa kann dieses Tempo nicht mithalten. Ein radikales Umdenken wäre erforderlich. Dafür fehlt es aber (bisher) am erforderlichen politischen Willen. Für die chinesische Führung sind Rüstungsindustrie, Nahrungsmittel- und Energieversorgung die drei zentralen Staatsbereiche. Zumindest in Deutschland, ist Energieverbrauch inzwischen etwas ganz böses und jede Energietechnik, die über den Stand des Mittelalters hinausgeht, eine beängstigende Vorstellung. Träum schön weiter, Michel!