Reaktoren als Schiffsantrieb

In den letzten Monaten verstärkt sich international die Suche nach „alternativen“ Schiffsantrieben. Ursache sind immer strengere Umweltschutzvorschriften auch auf hoher See (Schwefeldioxid, Stickoxide, Ruß etc.) und der „Kampf gegen CO2 zur Weltenrettung“. Bisher gibt es drei Wege:

  1. Ausrüstung der Schiffe mit Wäschern, wie sie schon seit Jahren in Kraftwerken üblich sind. Diese nehmen aber viel Platz ein und sind aufwendig im Betrieb. Vorteil: Man kann weiterhin Kraftstoffe minderer Qualität (z. B. hoher Schwefelgehalt) verwenden.
  2. Die Umstellung auf Gas-Diesel-Motoren, die mit über 98% Erdgas gefahren werden. Wegen des kleineren Energiegehalts (≈65% von Diesel) erfordern sie jedoch größere Tankanlagen, die überdies auch noch für LNG (-164°C) geeignet sein müssen. Abgesehen von hohen Investitionen, schlechterer Infrastruktur und höheren Betriebskosten, ergibt das weniger Schadstoffe und auch weniger CO2. Bislang galt es deshalb als Königsweg. Bis – erfahrene Energietechniker ahnen es – die „Grünen“ die „schlechte Klimabilanz von Methan“ aus dem Hut zogen: In der üblichen Manier wurden nun so hohe Schlupfraten unterstellt, daß solche Schiffe angeblich noch „klimaschädlicher“ sind.
  3. Die Verwendung von „alternativen Kraftstoffen“, wie Methanol (≈50% von Diesel), Wasserstoff (≈20% von Diesel) oder gar Ammoniak (bei -33°C oder 9bar, ≈33% von Diesel). Sie sollen mittels „Grünstrom“ aufwendig produziert werden. Abgesehen von ihrer Giftigkeit (CH4 O, NH3) erscheint das als eine Schnapsidee. Wo sollen die gewaltigen Mengen „Grünstrom“ eigentlich herkommen? In Wirklichkeit doch aus Kohle und Kernenergie?

Es verwundert daher nicht, daß immer mehr Reeder Kernreaktoren als Antrieb wieder entdecken.

Der Istzustand

Man muß zwischen militärischer (U-Boote, Flugzeugträger, Kreuzer) und ziviler Nutzung unterscheiden. Bisher sind die USA, Russland, Frankreich, GB, China und Indien nukleare Seemächte. Es wurden mehrere hundert Reaktoren von diesen Staaten für solche Schiffe gebaut. Wegen der speziellen Anforderungen sind diese Reaktoren für die zivile Nutzung ungeeignet. Es wurden überwiegend Druckwasserreaktoren mit hoher Anreicherung (>93% U235) und auch schnelle Reaktoren von den USA (USS Seawolf SSN-575 mit Natrium zur Kühlung) und Russland (Alfa-Klasse mit Blei-Wismut als Kühlmittel) eingesetzt. Eindeutig dominiert jedoch der Druckwasserreaktor.

Die zivile Nutzung setzte frühzeitig mit der Savannah (USA, 1962–1972), der Otto Hahn (D, 1968–1997), der Mutsu (Japan, 1974–1992) und der Sevmorput (UDSSR, 1988–2007 und wieder seit 2016) ein. Letzterer ist ein Container/Lash-Carrier, der immer noch in Betrieb ist. Die anderen sind aus wirtschaftlichen Gründen einen frühen Tod gestorben. Eine Sonderstellung nehmen die russischen Eisbrecher ein: Die Lenin (1959–1989) und die Taimyr Sovetskiy Soyuz (1989–2014) sind nicht mehr im Dienst. Jedoch der Taimyr (1989), der Vaygach (1990), der Yamal (1992), der 50 Let Pobedy (2007) und der Arktika (2020). Weitere sind in Planung. Es gibt also genug Betriebserfahrung.

Anforderungen an einen Schiffsantrieb

Für alle Antriebe gelten folgende Gesichtspunkte:

  • Energiedichte: Jedes Schiff muß nicht nur sein komplettes Antriebssystem bei sich tragen, sondern auch den gesamten Kraftstoffvorrat. Das daraus resultierende Gewicht bzw. Volumen geht einem Schiffskörper als Fracht verloren.
  • Wirkungsgrad: Bezieht sich nicht nur auf die Umwandlung des Kraftstoffs, sondern auch auf den gesamten Antriebsstrang.
  • Umweltbelastung: Während des Betriebs (z.B. Abgase) und auch bei Unglücken (z. B. Ölverschmutzung).
  • Sicherheit: Feuer, Kollisionen etc. Auf einem Schiff kann man weder weglaufen noch einfach die Feuerwehr rufen.
  • Verfügbarkeit: Ausfall der Antriebsanlage bedeutet automatisch Seenot. Aber auch Liegezeiten für Wartungsarbeiten oder Sicherheitsüberprüfungen bedeuten keine Auslastung und meist hohe Kosten.
  • Lastwechsel und Anfahren: Schiffsantriebe müssen den gesamten Geschwindigkeitsbereich von Null bis Höchstgeschwindigkeit ohne all zu große Verluste verändern können und dies muß möglichst schnell geschehen (Revierfahrt). Die Zeit bis zur Einsatzfähigkeit (Hafen, Kanaleinfahrten etc.) soll möglichst klein sein.
  • Wirtschaftlichkeit: Hängt maßgeblich von den Investitionskosten und dem Brennstoffverbrauch über die gesamte Lebensdauer ab (Öltanker oder Kreuzfahrer). Dies ist nur schwer im Voraus kalkulier- und optimierbar. Schiffe haben meist eine relativ kurze Lebensdauer (ca. 20 Jahre).

Reaktoren

Kernreaktoren sind sehr klein und leicht verglichen mit einem Schiffsdiesel. Das notwendige Gewicht kommt aber von der notwendigen Abschirmung gegen Strahlung. Man muß von etwa 2000 Tonnen ausgehen. Hinzu kommt noch der eigentliche Antrieb in Form einer Dampf- oder Gasturbinenanlage nebst Hilfsaggregaten. Für Handelsschiffe kommen in absehbarer Zeit nur Druckwasser- (PWR), Hochtemperatur- (HTR) oder Salzschmelze-Reaktoren (SSR) in Betracht. Druckwasserreaktoren haben so geringe Temperaturen, daß nur eine Dampfturbine verwendet werden kann. Die beiden anderen könnten auch Gasturbinen verwenden. PWR und HTR stehen unter Druck und sind damit auf einen entsprechend großen Sicherheitsbehälter angewiesen. HTR auf der Basis von Helium als Kühlmittel sind voluminös. PWR erfordern etwa alle zwei Jahre einen mehrwöchigen Hafenaufenthalt zum Wechseln der Brennelemente. HTR als Kugelhaufenreaktoren könnten kontinuierlich „abgebrannte“ Kugeln ersetzen. SSR könnten sogar die gesamte Lebensdauer des Schiffs ohne Brennstoffwechsel auskommen.

Abgesehen davon, daß bisher noch kein HTR und kein SSR auf einem Schiff eingebaut worden ist, ist die Auswahl des Reaktortyps nur im Zusammenhang mit Schiffstyp und Antriebsstrang möglich.

Antriebssystem

Dampf- (Rankine-Prozess) und Gasturbinen (Brayton-Prozess) sind erprobte Schiffsantriebe. Sie wirken üblicherweise über ein Untersetzungsgetriebe direkt auf die Schiffsschraube. Solche Getriebe sind komplex, teuer und oft auch störanfällig. Die Reaktoranlage sollte aus Stabilitätsgründen mitschiffs eingebaut werden. Damit ergibt sich eine sehr lange Welle. Moderne Containerschiffe haben einen Bedarf an elektrischer Energie von etwa 25% der Antriebsleistung. Es stellt sich damit die Frage, ob man nicht gleich zu einem vollelektrischen Antrieb übergeht, durch den man konstruktive Freiheit gewinnt. Man hätte dann das kleine „Kernkraftwerk“ gut und sicher in der Mitte des Schiffs eingebaut und könnte sogar sogenannte „Pods“ verwenden. Das sind Elektromotoren in 360° drehbaren Gondeln unter Wasser. Solche Schiffe brauchen keine Ruderanlage.

Verwendet man Reaktoren mit höheren Betriebstemperaturen (HTR ca. 700°C, SSR ca. 580 °C) könnte man auf Gasturbinen übergehen. Es sind offener und geschlossener Kreisprozess zu unterscheiden. Bei offenen Gasturbinen wird Luft angesaugt, in der Brennkammer erhitzt und diese tritt nach getaner Arbeit als Abgas aus dem Schornstein aus. Solche Gasturbinen sind im Schiffbau Stand der Technik. Die eigentliche Turbine ist nur sehr klein, das erforderliche Beiwerk (z. B. Luftfilter) aber durchaus voluminös. Wollte man nun Kernenergie einsetzen, müßte man die Brennkammer durch einen geeigneten Wärmeübertrager ersetzen. Es empfiehlt sich, einen HTR mit möglichst hohen Temperaturen zu verwenden, da der Wirkungsgrad solcher Turbinen stark temperaturabhängig ist. Solch eine Turbine erscheint für den Betrieb eines Handelsschiffs eher ungeeignet.

Eine vielversprechende Alternative ergibt ein geschlossener Kreislauf mit überkritischem scCO2 (supercritical). Bei CO2 in einem Betriebsbereich oberhalb des Kritischen Punkts (31°C und 74bar) erhält man – verglichen mit Dampfturbinen – eine extrem kleine Turbine mit viel weniger Stufen, da das scCO2 eine Dichte wie die Flüssigkeit, aber gleichzeitig die (geringe) Viskosität des Gases, hat. Bei 550°C und 80 bar Druck, kann man theoretisch Wirkungsgrade von bis zu 50% – gegenüber nur etwa 30% bei kleinen Druckwasserreaktoren – erreichen. Allerdings laufen solche Turbinen mit 40 bis 75 Tausend Umdrehungen pro Minute. Es erscheint deshalb nur die Verwendung als vollelektrischer Antrieb möglich. Kosten und Betriebssicherheit könnte nur ein realisiertes Schiff zeigen.

Lastwechsel und Anfahren

Ein Schiff muß von Stillstand im Hafen bis volle Fahrt betrieben werden. Außerdem ergibt sich eine unterschiedliche Belastung, je nach Beladung (Ballast), Strömung, Seegang etc. Ein Schiff muß auch jederzeit (Reede) anfahrbar sein. Auch das ist keine triviale Forderung. Ein Dieselmotor ist in diesen Disziplinen unschlagbar – ein Grund, warum er auch bei großen Schiffen die Dampfturbine verdrängt hat (Vorwärmung). Heute liegt die Grenze bei Dieselmotoren für Containerschiffe bei rund 80 MW Wellenleistung. Wie weit das noch zu steigern ist (Fertigung), wird sich zeigen. Die verfügbaren Motoren begrenzen jedoch die (sinnvolle) Größe eines Handelsschiffes.

Druckwasserreaktoren von Kernkraftwerken lassen sich nicht einfach auf Schiffe übertragen. Ein wesentlicher Faktor ist das Wieder-Anfahren nach Abschaltung. Durch den Zerfall der Spaltprodukte Jod und Tellur bilden sich Xenon und Samarium – zwei Elemente mit außerordentlich großen Einfangquerschnitten für Neutronen. Abhängig von der „Überschußreaktivität“ kann sich eine Totzeit von mehreren Stunden ergeben, bis der Reaktor überhaupt wieder in Betrieb gehen kann. Dies ist mit ein Grund, warum Marine-Reaktoren eine so hohe – aber unerwünschte (Proliferation) – Anreicherung besitzen.

Sicherheit und Verfügbarkeit

Die Vorschriften, die Überwachung und die Ausbildung müssen genauso streng sein, wie bei Kernkraftwerken an Land. Insbesondere die US-Marine beweist seit Jahrzehnten, daß ein unfallfreier Betrieb möglich ist. Schlechtes Gegenbeispiel ist die russische Marine. Schlechte Ausbildung, Schlamperei und Mangelwirtschaft haben sogar zu mehreren Totalverlusten und unzähligen Unfällen geführt. Auf nuklearen Schiffen muß ausreichend Redundanz bei technischen Anlagen vorhanden sein. So sollten mehrere Notdiesel vorhanden sein, die das gesamte Schiff, den Reaktor und sogar einen kleinen Notmotor (für eine Langsamfahrt bis zum nächsten Hafen oder wenigstens in ein sicheres Gebiet) mit elektrischer Energie versorgen können.

Brennstoffwechsel, notwendige (umfangreiche) Wartungsarbeiten und Sicherheitsüberprüfungen ergeben über die Nutzungsdauer erhebliche Ausfälle und erzeugen damit beträchtliche Kosten. Russische Eisbrecher mit ihren Saisoneinsätzen haben diese Probleme nicht. Es sind daher Konzepte ohne Brennelementewechsel erforderlich. Auch hier weisen Marineschiffe den Weg: Dort ist der Brennstoffwechsel erst nach der halben geplanten Nutzungsdauer nach etwa 20 Jahren vorgesehen. Dieser wird mit einer generellen Überholung und Modernisierung des Schiffs kombiniert. Nach der mehrmonatigen Liegezeit verläßt praktisch ein „neues“ Schiff die Werft.

Umweltbelastungen

Bei konventionellen Schiffen sind diese in Form von Abgasen und Abwässern permanent. Hier hat sich zwar gewaltiges getan (Primärmaßnahmen oder Abgasreinigung, Müllverbrennung, Kläranlage usw.), aber wegen der hohen Anzahl sind sie immer noch deutlich spürbar. Es ist abzuwarten, was den „Ökos“ noch alles einfällt. Es sei nur an das Schicksal des Dieselmotors bei PKW erinnert. Darüber hinaus ist durch die Erschaffung neuer Abgaben (CO2 Abgabe, Energiesteuer) die Kostenschraube stets gezielt überdehnbar.

Die Angst vor einem „Atomunfall“ ist ziemlich unbegründet. Wie die Totalverluste mit U-Booten gezeigt haben, ist das Strahlenrisiko sogar weit geringer als an Land. Wasser ist eine nahezu ideale Abschirmung (siehe Abklingbecken) und es würden sich bei einer Freisetzung in den Weiten der Meere radioaktive Stoffe sehr schnell verdünnen (siehe Kernwaffenversuche sogar unter Wasser im Pazifik). Die biologischen Auswirkungen wären kleiner als bei den bekannten Tanker- und Bohrinsel Unglücken.

Rechtliche Situation

Grundsätzlich muß jedes Schiff durch eine Klassifizierungsgesellschaft zugelassen sein. Ansonsten ist es frei auf der Hohen See zu fahren. Allerdings kann jeder Hafen die Erlaubnis zum Einlaufen verwehren. Das ist in der Tat grundsätzlich und in bestimmten Fällen geschehen. Wie sich das entwickelt, wird die Zukunft zeigen. Würde den Einsatz aber nicht grundsätzlich verhindern, da die großen Handelsrouten ohnehin zwischen den „Atommächten“ verlaufen. Allerdings ist eine möglichst enge Abstimmung zwischen möglichst vielen Staaten der beste Garant für eine (schnelle) Verbreitung.

Die Wirtschaftlichkeit

Letztendlich hängt immer alles von der Wirtschaftlichkeit ab. Man sollte sich durch das Scheitern von Savannah, Otto Hahn und Mutsu nicht täuschen lassen. Das waren lediglich Demonstrations- und Werbeobjekte. Dies gilt insbesondere für die Savannah, die eher eine schnittige Jacht als ein Handelsschiff war. Sie haben allerdings alle drei unter Beweis gestellt, daß ein Handelsschiff mit Kernenergieantrieb möglich ist.

Die Investitionskosten können heute nicht sicher abgeschätzt werden. Sie sind mit Sicherheit höher als bei einem konventionellen Schiff. Andererseits wäre mit einer steilen Lernkurve zu rechnen. Laufen erstmal ein paar Schiffe erfolgreich, ist schnell mit größeren Bestellungen zu rechnen. Standardisierungen sind dabei sehr hilfreich. In diesem Sinne ergibt sich gerade auf dem Land mit den SMR (Kleine Reaktoren bis 300 MWel und Kleinstreaktoren bis 20 MWel) eine förderliche Situation: Umstellung der Genehmigungsbehörden auf „kleine“ Reaktoren und Aufbau einer Industrie mit „Massenfertigung“. Der Schritt – insbesondere für Nationen mit nuklearer Marine – aufs Meer ist dann nur noch kurz.

Es müssen Betriebsmannschaften ausgebildet werden. Auch hier haben die Nationen mit nuklearer Marine einen entscheidenden Vorteil: Sie verfügen über solche Ausbildungsstätten, haben jahrzehntelange Erfahrung und sogar erfahrene „Gediente“. Außerdem hat sich seit dem Jahrhundert der Savannah und Otto Hahn eine Menge auf dem Gebiet der Automatisierung und Überwachung (Computer) und Fernwirktechnik (Satellitenkommunikation) getan.

Der wesentliche Faktor für die Betriebskosten eines Schiffs ist der Brennstoff. Fossile Brennstoffe werden teurer werden – nicht zuletzt wegen Umweltauflagen. Bei Kernreaktoren hingegen, spielen die Brennstoffkosten (Uran, Anreicherung, Entsorgung) schon heute eine nahezu vernachlässigbare Größe. Gehen die „modernen“ Reaktoren, die heutigen „Atommüll“ weiter nutzen, erst einmal in Betrieb, werden die Brennstoffkosten absehbar noch weiter sinken.

Bei Schiffen kommt noch eine Besonderheit hinzu: Die Antriebsleistung steigt mit der dritten Potenz (doppelte Geschwindigkeit, achtfache Leistung). Aus diesem Grund ist man in den letzten Jahrzehnten zu immer langsameren Schiffen übergegangen. Langsam, bedeutet aber weniger Umläufe pro Jahr (z. B. Shanghai – Wilhelmshaven – Shanghai) und das führt bei den Reedern zu mehr Schiffen und damit zu höheren Kosten. Ein weiterer Vorteil hoher Reisegeschwindigkeit sind kurze Transportzeiten. Es gibt genug Güter, wo das ein Kostenvorteil an sich ist. Deshalb gibt es Luftfracht oder Eisenbahntransporte sogar von China nach Duisburg. Mit steigenden Zinsen nimmt dieser Trend wieder zu. Insofern verwundert es nicht, daß man bereits Studien für ein nukleares Containerschiff mit 37,5 Knoten (über 1600 km pro Tag) gemacht hat. Solche Fahrzeiten müssen sogar gegen die Nutzungsgebühren und Passagedauern von Suez und Panama Kanal gegengerechnet werden. Dies ist nur ein Beispiel dafür, daß Wirtschaftlichkeit in der Logistik ein komplexes Thema ist.

Umrüsten von Kohlekraftwerken möglich?

In letzter Zeit tauchen immer wieder Pläne auf, ältere Kohlekraftwerke mit Kernreaktoren umzurüsten. Es erscheint notwendig, die Vor- und Nachteile etwas näher zu betrachten.

Der Ersatz

Bisher war es üblich, vollständig neue Kernkraftwerke zu errichten und anschließend ältere Kraftwerke still zu legen. Vorteil ist die freie Wahl des Standortes und die freie Gestaltung des Kernkraftwerks. Man erhält ein neues Kernkraftwerk (KKW) aus einem Guss. Allerdings ist dies auch die teuerste Lösung. Da der Neubau von KKW unter hohen Investitionen leidet, die zwar zu einem geringen Strompreis über die Laufzeit (heute mehr als 60 Jahre) führen, wird händeringend nach neuen Strategien gesucht. Als ein Weg erscheint die Umrüstung vorhandener Kohlekraftwerke mit SMR (Small Modular Reactor) als Wärmequelle. Man hofft dadurch die notwendigen Investitionen zu senken oder zumindest zu strecken. Grundsätzlich kann man schon jetzt festhalten, daß sich so etwas wahrscheinlich nur bei „jüngeren“ Kohlekraftwerken lohnt, bei denen noch eine Restlaufzeit von Jahrzehnten vorhanden ist. Volkswirtschaftlich dürfte es günstiger sein, diese Kraftwerke bis an ihre (wirtschaftliche) Lebensdauer weiter zu betreiben und erst dann still zu legen. Gleichwohl kann man auf jeden Fall den Standort „retten“ und weiter betreiben.

Der Standort

Jedes Kraftwerk braucht einen „Stromanschluss“, eine Wärmesenke, Betriebspersonal und diverse Infrastruktur. Das Kraftwerk muß seine erzeugte elektrische Energie in das vorhandene Stromnetz einspeisen. Bleibt man bei der vorhandenen Leistung, kann man die Hochspannungsleitungen und die notwendigen Schaltanlagen – sofern sie noch geeignet sind – weiter verwenden. Erste Schwierigkeit hierbei ist nicht technischer Art, sondern liegt in den speziellen Vorschriften für KKW. Der „Stromanschluss“ ist sicherheitsrelevant für die Notkühlung. Es müßten daher inhärent sichere Reaktoren verwendet werden, die keine aktive Notkühlung benötigen. Ähnliche Schwierigkeiten können bei der Genehmigung des alten Standorts entstehen – zumindest, wenn der Standort in unmittelbarer Nähe zu Wohngebieten liegt. Auch hierfür spielt die Sicherheitstechnik eine entscheidende Rolle.

Kraftwerke sind in ihren Gemeinden meist sehr beliebt: Sie bieten gut bezahlte Arbeitsplätze, die Gemeinde bekommt außergewöhnliche Steuereinnahmen und es fällt auch sonst noch einiges ab, um die gute Nachbarschaft zu fördern. Würde ein Kohlekraftwerk in ein KKW umgebaut werden, könnten alle Arbeitsplätze – sofern gewollt – erhalten bleiben. Viele könnten ohne Umschulung weiter arbeiten, einige müßten ihre Fachkenntnisse erweitern. Alles meist sehr kleine Unannehmlichkeiten im Vergleich zur Aufgabe. Wie die Erfahrung zeigt, wurden Gemeinden durch die Schließung überwiegend in den Abgrund gezogen: Die Preise für Immobilien sinken, viele Handwerker verlieren ihre Aufträge und die Einnahmen der Gemeinde sinken bei steigenden Ausgaben.

Jedes Kraftwerk braucht Kühlwasser. Es muß ein ausreichend großer Fluß vorhanden sein, ein See, ein Meeresarm oder eine ausreichende Wasserquelle für einen Kühlturm. Bleibt man in gleicher Größenordnung, kann man die vorhandenen Anlagen des Kohlekraftwerks weiter nutzen. Oft ist das Kühlwasser ein ganz wesentlicher Faktor bei der Standortsuche. Es muß nicht nur Wasser vorhanden sein, sondern es müssen auch alle Umweltauflagen erfüllbar sein. Was aber schon Jahrzehnte problemlos genutzt wurde, kann auch weiter genutzt werden.

Der Turbosatz

Im Turbosatz wird die Energie des Dampfes in elektrische Energie umgeformt. Der Generator wird durch die Turbine angetrieben. Turbine und Generator sind aufeinander abgestimmt (z. B. Drehzahl). Beide stehen auf dem elastisch gelagerten Turbinentisch (auf Federpaketen aus Stahlfedern). Wichtig dabei ist, daß alle drei Komponenten ein System bilden. Unterhalb befinden sich die Kondensatoren, in denen der Dampf durch das Kühlwasser niedergeschlagen wird. Ob Generator und Kondensatoren ohne große Umbauten weiterverwendet werden können, hängt von der Turbine ab.

Die Turbine ist für einen bestimmten Dampfzustand (Druck p und Temperatur t) und einen Massenstrom (kg/s) ausgelegt. Genau hier liegt die Problematik: Kohlekraftwerke sind für möglichst hohe Temperaturen und Drücke ausgelegt. Je höher die Dampftemperaturen, um so besser der Wirkungsgrad und damit um so geringer der Kohleverbrauch. Stellvertretend sei hier das Kraftwerk Boxberg Q genannt, das seit 2000 Strom ins Netz liefert. Es war seinerzeit das modernste Braunkohlekraftwerk mit einem Wirkungsgrad von 43% bei einer Leistung von 906 MWel. Hierfür ist ein Frischdampfdruck von 260 bar bei einer Temperatur von 540°C und einer Zwischenüberhitzung auf 580°C nötig. Damit ergeben sich bereits die Schwierigkeiten für eine Umnutzung durch Kernenergie:

  • Die Blockgröße erfordert mehrere SMR (Small Modular Reactor, definitionsgemäß mit einer Leistung < 300 MWel), die auf eine gemeinsame Turbine arbeiten müßten. Dies ist kein Vorteil, sondern eher ein Nachteil.
  • Die Austrittstemperatur der Reaktoren muß rund 600°C betragen. Damit fallen alle Leichtwasserreaktoren raus (Druckwasserreaktor 165 bar, 330°C; Siedewasserreaktor 71 bar, 286 °C ).
  • Wegen der notwendigen Austrittstemperatur von ungefähr 600°C kommen nur „zukünftige“ Reaktoren, wie z. B. aus den Familien: Gasgekühlt (z.B. HTR-PM, Xe-100), Salzschmelze (z.B. Kairos, Terrestrial Energy, Moltex Energy Waste Burner) oder Flüssigmetalle (BREST, TerraPower) in Frage. Es gibt noch unzählige andere Projekte, aber die aufgeführten Typen sind bereits auf dem Weg, den „Papier-Reaktor-Status“ zu verlassen. Realistisch betrachtet, dürften aber noch ein bis zwei Jahrzehnte bis zur Reife vergehen.
  • Hat man einen Reaktor gewählt, muß noch ein Dampferzeuger konstruiert werden. Keine einfache Aufgabe, denn auch dieser ist einmalig. Die Dimensionen sind bei der gesamten Dampfmenge von etwa 2400 to/h nicht zu unterschätzen. Sicherheitstechnisch problematisch ist die gewaltige Druckdifferenz von über 200 bar. Undichtigkeiten wirken hier immer in Richtung Reaktor. Es müssen bei der Paarung Kühlmittel des Reaktors / Frischdampf noch ganz neue Fragen bezüglich der Werkstoffe beantwortet werden.
  • Ein besonderer Stolperstein ist noch die bei Kohlekraftwerken übliche Zwischenüberhitzung: Wenn der Frischdampf aus dem Hochdruckteil der Turbine austritt, wird er noch einmal zum Kessel zurückgeschickt und wieder möglichst hoch erhitzt, bevor er in den Mitteldruckteil der Turbine zur weiteren Entspannung eintritt. Bisher hat so etwas noch keiner gebaut. Im Gegenteil, in den Anfangstagen der KKW hat man es mit einer fossilen Überhitzung versucht, da man mit Nassdampfmaschinen noch nicht so weit war.

Zusammenfassung

Die Größenordnung scheint verlockend: 2021 wurden 10244 TWh elektrischer Energie weltweit durch Kohlekraftwerke erzeugt (Stromverbrauch in Deutschland etwa 503,8 TWh). Dazu mußten fast 8,2 Milliarden to Kohle gefördert werden. Man muß es sich noch einmal in aller Ruhe deutlich machen: Weltweit wurde rund zwanzig mal so viel Strom aus Kohle gewonnen, wie ganz Deutschland in einem Jahr (2021) verbraucht hat! Schon das verdeutlicht die Unmöglichkeit, auch nur mittelfristig Kohle durch Kernenergie ersetzen zu wollen. Wenn es auch für manchen „Klimatologen“ eine bittere Erkenntnis sein mag, King Coal wird noch für Jahrzehnte – wenn nicht gar Jahrhunderte – dominieren, ob nun Deutschland aus der Kohleverstromung aussteigt oder nicht.

Jedes Kohlekraftwerk ist eine Milliardeninvestition. Hinzu kommt noch die Infrastruktur (Bergwerke, Massengutfrachter, Eisenbahnen etc.). Nur eine so dekadente Gesellschaft, wie die Deutsche, kann glauben, daß man ohne Konsequenzen einen solchen Kapitalstock vernichten kann. Andere Gesellschaften haben ganz andere Sorgen, als ausgerechnet die „Klimakatastrophe durch von Menschen freigesetztes CO2“. Der Rest der Welt, wird seine Kohlekraftwerke bis zu deren wirtschaftlichem Ende betreiben. Schließlich sind diese Teil der „Wohlstandsmaschine“, die zur weiteren Entwicklung zwingend nötig ist. Wenn es um die Einsparung von Kohle geht, bleibt auch noch der Weg, alte Kraftwerke mit geringem Wirkungsgrad durch neue zu ersetzen. Es wird sein, wie es immer war, erst wenn der Brennstoff so teuer wird, daß sich Alternativen lohnen, wird die Anzahl der Kohlekraftwerke schrumpfen. So bereits geschehen in den USA, wo (zeitweise) Erdgas günstiger war.

Realistisch betrachtet, kann höchsten der Zuwachs des weltweiten Strombedarfs durch Kernenergie abgedeckt werden. Eine Umrüstung erscheint bestenfalls in Einzelfällen sinnvoll. Die Entwicklung der Kernenergie wird davon unbeeinflußt weitergehen. Es werden weiterhin „große“ Leichtwasserreaktoren gebaut werden und die Entwicklung „kleiner“ Reaktoren wird ebenfalls weiter vorangehen. Sie werden vielmehr ganz neue Anwendungen (z. B Industrie, Nahwärme etc.) und die kostengünstige Beseitigung des „Atommülls“ erschließen. Sie werden somit auch an den Marktanteilen von Gas und Öl knabbern. Der Anteil von Wind und Sonne ist bereits (gerade in Europa) über das sinnvolle Maß hinausgeschossen – da hilft auch kein neues Schlangenöl aus „Grünem Wasserstoff“.

Kann die Ukraine Deutschland retten?

Deutschland rast immer schneller dem Abgrund entgegen. So geht das halt mit dem Interventionismus. Am Anfang stand die – wie immer gut gemeinte – Idee, „Alternative Energien“ nutzbar zu machen. Da diese aber keiner so richtig haben wollte, hat man sie mit Milliarden subventioniert. Das ganze wurde als Anschubfinanzierung verbrämt, so wie das gute Drogenhändler halt machen. Heute gibt es ein gigantisches Netzwerk von Schlangenölverkäufern und mitverdienenden Politschranzen. Um dem Ganzen noch die Krone aufzusetzen, verunglimpfen sie das auch noch als Marktwirtschaft. Hätten sie sich doch besser mal mit dem Fluch der Planwirtschaft nach dem Zusammenbruch der „DDR“ beschäftigt. Versuchen Laiendarsteller den Markt mit Dumpingpreisen und Zwangseinspeisungen auszuhebeln, werden sie zu Zauberlehrlingen. Damit die Illusion aufrecht erhalten werden kann, beginnt die Phase der Feinsteuerung: Heizungen sollen (im Sommer) „richtig eingestellt“ werden, das Duschen eingeschränkt usw. Gleichzeitig plant man Kernkraftwerke abzuschalten und damit noch mehr Strom aus Erdgas zu erzeugen. Schöne neue Welt der Deindustrialisierung. Welches Schräubchen sie auch immer drehen mögen, am Ende wird die Industrie ins Ausland abwandern müssen und breite Schichten der Bevölkerung verarmen.

Was kann und soll mit der Ukraine nach diesem Vernichtungskrieg geschehen? Bereits heute sehen große Gebiete wie viele deutsche Großstädte 1945 aus. Um dieses geschundene Land wieder aufzubauen, sind hunderte Milliarden nötig. Wird die „westliche“ Welt den Willen und die Kraft haben, Russland in die Verantwortung für seine Verbrechen zu nehmen und Reparationen verlangen? Eher wohl nicht – eher nur symbolisch. Dafür gibt es viel zu viele „Putinversteher“, wenn nicht gar Sympathisanten. Andererseits kann man ein so großes Land in unmittelbarer Nachbarschaft nicht einfach zur Wüste erklären. Wohl gemerkt, durchaus im Eigeninteresse. Allein die Ströme der Auswanderer würden Europa an seine wirtschaftlichen Grenzen bringen. Ein Nichtstaat mit all seinen Konsequenzen, würde Europa dauerhaft destabilisieren. Es bleibt gar keine Alternative, die Ukraine muß zum Erblühen gebracht werden. Die meiste Last wird dabei die Bevölkerung selbst tragen müssen, so wie in Deutschland, Japan und Korea einst auch. Der Weg wird auch der Gleiche sein. Nur über Exporte kann das benötigte Kapital ins Land kommen. Nur was sind in der Welt von heute noch die Marktlücken? Die reichhaltige Landwirtschaft sicher nicht, da sie schon vorher nicht für breiten Wohlstand reichte. Es kann nur eine – wie auch immer geartete – Industrie sein. Die Orks aus der Steppe können zwar das Land verwüsten, aber nicht die Gehirne der Menschen leeren. Die Basis für eine rasche (Re)Industrialisierung ist mehr als vorhanden. So verfügte die Ukraine z. B. schon vor dem Krieg über eine kerntechnische Industrie.

Deutschland als Kunde

Wenn Deutschland weiterhin seinem religiösen Wahn folgen will, ein Industrieland nur mit Wind und Sonne betreiben zu wollen, wird es auf seine Nachbarn zur Bereitstellung eines elektrischen Netzes angewiesen sein. Wohl gemerkt, nur um weiter zu existieren – von Wohlstand wird dann keine Rede mehr sein. Wer von unseren (westlichen) Nachbarn kann aber dafür in Frage kommen? Sie alle brauchen Neubauten als Ersatz für ihre alternde Kraftwerksflotte. Zusätzliche Kraftwerke ausgerechnet für die moralinsauren Deutschen, die doch vorangehen wollten? Die ihren Nachbarn (Belgien, Frankreich) immer Verantwortungslosigkeit vorgeworfen haben wegen ihrer „Schrottmeiler“ und „Atomruinen“. Hilfe und Wohlwollen ist nur aus dem Osten zu erwarten. Diese Länder waren immer positiv gegenüber der Kernenergie eingestellt und haben ihr Recht auf Kernenergie immer nachhaltig gegenüber den Bürokraten aus Brüssel verteidigt.

Polen

Polen ist ein sich weiter entwickelndes Land mit knapp 40 Millionen Einwohnern. Der Stromverbrauch betrug 2013 150 TWh. Er wurde zu rund 48% aus Steinkohle und rund 24% aus Braunkohle gewonnen. Polen ist Kohleland. Es verfügt über keine wesentlichen anderen Quellen. Wind- und Sonne ist aus geographischen Gründen nur eingeschränkt möglich. Die Förderung von Kohle ist durch immer ungünstigere Bedingungen und Umweltbelastungen nicht länger zu halten. Die staatlichen Subventionen belasten den Haushalt.

Polen hat sich folgerichtig für Kernenergie entschieden. Es wurde beschlossen sechs Reaktoren, an drei Standorten, mit einer Leistung zwischen 6 und 9 GW zu bauen. Darüberhinaus gibt es mehrere private Initiativen zum Bau von SMR zur Versorgung von Industrieanlagen. Westinghouse Electric Company führt bereits eine Grobplanung (Front-End Engineering and Design; FEED) auf der Basis ihres AP1000 durch, die von der United States Trade and Development Agency (USTDA) gefördert wird. Darüberhinaus sind auch die Franzosen und Koreaner zur Abgabe eines Angebots aufgefordert. Bechtel hat sich mit zwölf polnischen Unternehmen und Toshiba (für Turbosatz und Dampferzeuger) über die Bildung eines Konsortiums für den Bau verständigt. Parallel werden aktuell noch enge Beziehungen zwischen Westinghouse, Hyundai und Korea Electric Power Corp (KEPCO) bezüglich des AP1000 geknüpft. Ein Schelm, wer Zusammenhänge mit der aktuellen politischen Lage sieht.

Tschechien

In Tschechien werden bereits 34% der elektrischen Energie aus Kernenergie erzeugt. Die Kohleförderung soll aufgegeben werden. Als nördliches Binnenland scheidet Wind und Sonne praktisch aus. Deshalb wurde ein Ausbau der KKW Dukovany und Temelin beschlossen. Auch hier ist Westinghouse mit einer Absichtserklärung vertreten. Man hat sie mit zehn tschechischen Unternehmen zum Bau eines Blocks in Dukovani abgeschlossen.

Ukraine

Die Ukraine verfügt über 15 Reaktoren an vier Standorten. Im Jahre 2016 erzeugten sie 153,6 Mrd. kWh. Sie verfügt damit über Betriebserfahrungen seit den 1970er Jahren. Alle Reaktoren sind Druckwasserreaktoren russischer Bauart. Seit einigen Jahren laufen sie mit Brennstäben aus schwedischer Fertigung. Die Bevölkerung ist der Kernenergie gegenüber positiv eingestellt. Das ist um so bemerkenswerter, da sie die schrecklichen Erfahrungen mit Tschernobyl machen mußte. Seit einem Monat ist das Netz von Rußland abgekoppelt und mit dem europäischen Netz synchronisiert.

Schon vor dem Krieg wollte man die Blöcke Khmelnitsky 3 und 4 mit der Hilfe von Westinghouse fertigstellen. Man wollte dabei auf eingelagerte Komponenten des gescheiterten Projekts V. C. Summer zurückgreifen. Im Juni 2022 führte man mit Westinghouse Gespräche über den Bau von 5 bis 9 Reaktoren des Typs AP-1000. Ferner soll ein nukleares Zentrum errichtet werden, mit einer Brennelementefabrik zur Versorgung aller ukrainischen Reaktoren. Durch den Zubau von 11 GWel könnte der Anteil der Kernenergie von derzeit 53% auf über 70% gesteigert werden.

Der gedachte Verbund

Fast man nun die Pläne von Polen, Tschechien und der Ukraine zusammen, kommt man auf rund 20 Reaktoren. Bezieht man den Bedarf von Deutschland an zuverlässiger und preiswerter elektrischer Energie ein, ergibt sich ein Ausbauprogramm wie weiland in Frankreich. Man könnte gestaffelt produzieren: Strom von der Ukraine nach Polen, Tschechien etc. und von dort Lieferungen an Deutschland. So käme man ohne neue Fernleitungen und große Transportverluste aus. Zusätzlich kann man noch die Zeitverschiebung nutzen.

Der volkswirtschaftliche Sinn für die Ukraine läge in der kurzfristigen Schaffung eines immer mehr gefragten Exportprodukts: Elektrische Leistung und Energie. Man könnte kurzfristig mit der Lieferung aus dem bestehenden Kraftwerkspark beginnen und alte Kraftwerke schrittweise durch den Zubau ersetzen. Wichtig dabei ist, daß möglichst schnell selbst verdiente Devisen ins Land fließen. Devisen, die dringend für den Wiederaufbau von Industrie und Infrastruktur (nach dem Ende des Krieges) gebraucht werden. Gleichzeitig schaffen die Arbeitsplätze der Exporte weitere Nachfrage im Inland. Man entsinne sich mal der Situation in Deutschland nach 1945: Zehntausende bauten den „Käfer“, einen Exportschlager, der ganze Regionen zum Wiedererleben erweckte. Jeder Reaktor erfordert schon während der Bauzeit mehrere Tausend Arbeitskräfte vor Ort, die irgendwo schlafen und essen und mit den Dingen des täglichen Bedarfs versorgt werden müssen. Solche Großbaustellen sind überall auf der Welt Oasen der Prosperität, die weit in ihr Umland ausstrahlen. Hinzu kommt, daß die Arbeitsplätze in der Kernenergie „gut bezahlt“ sind – bezogen auf das landesübliche Niveau. Die Frage ist nur, wieviel Kapital ist erforderlich und wie kann es beschafft und finanziert werden.

Overnight Capital Cost

Dies ist ein Begriff aus der Anlagentechnik, auch EPC-Kosten (Engineering, Procurement and Construction) genannt. Das ist der Preis für eine „Errichtung über Nacht“, also ohne Finanzierungskosten über die Bauzeit. Für den AP1000 gibt es Daten aus den Projekten Sanmen 1 und 2 FOAK (First Of A Kind) und Haiyang 1 und 2 in China und Vogtle 3 und 4 in USA. Die „Kosten über Nacht“ betrugen 2000 USD/kW in China und 4300 USD /kW in USA (Basis 2018). Auf den ersten Blick erkennt man die unterschiede im Lohn- und Materialpreisniveau zwischen China und USA. Vereinfachend wird hier einfach der Mittelwert und eine Netto-Inflation (Differenz zwischen Inflation und Einsparung durch Serienfertigung) von 20% angesetzt. Man kann so von 3800 USD/kW ausgehen.

Owner’s Cost

Irgendjemand muß für die Projektentwicklung, das Management der Baustelle mit all ihren Einrichtungen, der Organisation der Finanzierung, den Gebühren, den gegenseitigen Verbindungen usw. aufkommen. Letztendlich bezahlt das alles der Kunde. Diese Kosten können je nach Projekt und Land sehr unterschiedlich ausfallen. Aus Erfahrung im Kraftwerksbau wird hier ein Prozentsatz von 40% der EPC-Kosten angesetzt. Das ergibt rund 1500 USD/kW. Sodaß man von Errichtungskosten von rund 5300 USD/kW (ohne Finanzierung) ausgehen kann.

Die Finanzierung

Rechnungen werden über das gesamte Projekt ständig geschrieben. Sie müssen fristgerecht bezahlt werden. Es muß deshalb eine Kreditlinie für die gesamte Bauzeit aufrecht gehalten werden. Jeder ausgezahlte Betrag muß mit Zins und Zinseszins bis zur Fertigstellung und Übergabe an den Kunden aufsummiert werden. Hier spielt die Bauzeit eine entscheidende Rolle: Laufen Projekte wie Vogtle völlig aus dem Ruder, kommt es zu sehr viel höheren Kosten. Bauzeiten zwischen 60 und 100 Monaten erscheinen realistisch. Es liegen bisher schon die Erfahrungen von vier Reaktoren vor und weitere 2 in USA und vier (CAP1000) in China befinden sich noch im Bau. Baut man zeitlich versetzt (immer eine Doppelanlage) und hat erst mal qualifizierte Teams für alle Gewerke zusammen, sind Bauzeiten unter 5 Jahre leicht erzielbar. Wie gesagt, wirkt sich das ganz entscheidend auf die nötigen Investitionen aus.

Die teuerste Finanzierung ist eine, ausschließlich über Fremdkapital. Dies ist der (gescheiterte) Weg von Hinkley Point C. Die Banken verlangen hohe Risikoaufschläge. Bei der Übergabe an den Auftraggeber hat sich ein riesiger Schuldenberg (Zinseszinsen) angesammelt. Dieser Schuldenberg belastet bis dahin den Generalübernehmer (GÜ), der infolgedessen nur wenige Projekte gleichzeitig durchstehen kann. Am Ende ergibt sich für den Stromkunden ein unnötig hoher Preis. Er zahlt mit seiner Stromrechnung hauptsächlich für den Schuldendienst.

Aus diesem Grund kehrt man in GB bei dem Projekt Sizewell C wieder zu einem Bauherrenmodell zurück. Die angefallenen Baukosten werden zu vereinbarten Fertigstellungsterminen von dem Energieversorger bezahlt. Dem GÜ wird ein gewisser Prozentsatz für seine Leistungen eingerechnet. Dies entspricht einer Investition in Eigenkapital durch alle Stromkunden in ein Kernkraftwerk. Vorteil für die Stromkunden ist der Wegfall der enormen Finanzierungskosten. Nachteil ist die „Vorkasse“.

Im Zusammenhang mit der Situation in Deutschland könnte das Mankala-Modell, wie beim finnischen Kernkraftwerk Hanhikivi, besonders lukrativ sein. Dabei bilden mehrere Unternehmen eine Zweckgesellschaft zum Bau eines Kernkraftwerks. Sie übernehmen die Baukosten anteilig. Geht das Kraftwerk ans Netz, bekommt jeder Anteilseigner einen seiner Beteiligung entsprechenden Anteil elektrischer Energie zu einem Preis, der nur die angefallenen Kosten deckt. Er kann diese (kostengünstige) Energie selbst nutzen oder aber weiter verkaufen. Solche Anteile können auch sehr verlockend für z. B. Pensionskassen sein. Man erhält für seine Anlage einen stetigen, gut kalkulierbaren Zahlungsstrom über den Verkauf der Strommenge, an den Strombörsen oder an Stadtwerke etc.

Zusammenfassung

Es geht hier nur um einen Weg aus der verbockten Energiewende. Die Betonung liegt dabei auf „einen Weg“. Es gibt sicher noch viele andere, wenn man sich nur von der religiösen Fixierung auf Wind- und Sonne frei macht. Würde man 20 AP1000 Reaktoren bauen, käme man gerade auf den Betrag, den allein Deutschland als „Sondervermögen“ in die Bundeswehr steckt. Auf europäischer Ebene eher ein Trinkgeld. Bezüglich der Ukraine könnte „Der Westen“, vertreten durch USA, Korea, Japan und wer sonst noch will, seine Verbundenheit deutlich machen. Die Ukraine könnte – wie einst West-Berlin – zum Schaufenster der freien Welt gemacht werden – langfristig mit dem gleichen Effekt.

Man sollte auch die Binsenweisheit, daß die Ausgaben des einen, die Einnahmen der anderen sind, dabei nicht aus den Augen verlieren. Es wäre ein gigantisches Konjunkturprogramm für Osteuropa mit der Ukraine. Es liefert nicht nur preiswerte elektrische Energie, sondern schafft auch gut bezahlte Arbeitsplätze mit Zukunftsgarantie in einer Hochtechnologie-Branche.

Reaktoren mit Salzschmelzen

Wenn man Salze hoch genug erhitzt, schmelzen sie und werden dünnfüssig wie Wasser. Es besteht also die Möglichkeit auf dieser Basis Reaktoren mit flüssigem Brennstoff zu bauen. Die Handhabung und Messtechnik für Salzschmelzen wurde erst Anfang des 20. Jahrhunderts für die Aluminiumindustrie entwickelt. Bis heute handelt es sich um ein recht exotisches Teilgebiet der Technik. Bereits 1944 schlug L.W. Nordheim einen Brutzyklus zur Nutzung von Thorium (Th232 —> U233, zerfällt nach Neutroneneinfang in mehreren Schritten) als Brennstoff vor. Bereits 1949 schlug A.M. Weinberg einen Reaktor mit Uran und Thorium haltigen Salzen des Fluor als Betriebsmittel für Flugzeuge vor. Bis heute, ist der Name Weinberg mit einer kontroversen Philosophie über Kernreaktoren verbunden. In den USA gipfelte diese Entwicklung im MSRE (Molten Salt Reactor Experiment), der von 1965 bis 1969 in Betrieb war. Es ist also beileibe keine neue Erfindung, sondern eher die Wiederaufnahme einer alten Entwicklungsschiene, deren Vor- und Nachteile im weiteren etwas beleuchtet werden sollen.

Die Neutronenfrage

Die Wahrscheinlichkeit für eine Kernspaltung hängt maßgeblich von der Geschwindigkeit der Neutronen im Reaktor ab: Je langsamer sie sind, um so größer ist bei Uran und Plutonium die Wahrscheinlichkeit einer Kernspaltung (Spaltungsquerschnitt in barn). Aber Vorsicht, dies gilt nur für die ungeraden Isotope (U233, U235, Pu239 etc.). Will man auch die geraden Isotope spalten (U238 etc.) geht das nur mit schnellen Neutronen. Man kann sogar mit Natururan (0,7% U235) kommerzielle Reaktoren bauen (Deuterium oder Graphit als Moderator), aber schon bei Leichtwasser (Druckwasser- oder Siedewasserreaktor) muß man das Uran aufwendig anreichern (ca. 3–5% U235). Will man auch das U238 spalten, muß man zwingend schnelle Neutronen verwenden und braucht eine sehr viel höhere Anreicherung bzw. entsprechend viel Plutonium.

Warum diese Vorüberlegungen? Neutronen werden durch Zusammenstöße mit den Materialien des Reaktors zwangsweise abgebremst. Man ist also nicht mehr frei bei der Auswahl der Salze. Wählt man „leichte“ Salze aus Lithium und Beryllium ist die Abbremsung bereits so stark, daß man nicht mehr von schnellen Neutronen sprechen kann. Man baut automatisch einen Reaktor mit thermischem Neutronenspektrum. „Thermisch“ ist eine Geschwindigkeitsangabe über die Temperatur im Reaktor, da man wegen der Brownschen Molekularbewegung diese Geschwindigkeit nicht unterschreiten kann. Will man ein härteres (schnellere Neutronen) Spektrum, muß man zwingend auf „schwere“ Salze aus z. B. Chlor übergehen.

Die Salze

Standard ist immer noch das Molten Salt Reactor Experiment (MSRE). Der MSRE wurde 1960 geplant, wurde 1965 zum ersten Mal kritisch und lief bis 1969 mit verschiedenen Brennstoffen. Er hatte ein thermisches Neutronenspektrum und eine Leistung von 7,34 MW. Das Salz bestand aus 65% Li7 F, 29,1% BeF2, 5% ZrF4 und 0,9% UF4 (alles in Molenprozent). Man kann hier schon einige grundlegende Überlegungen ableiten:

  • Um ein thermisches Spektrum zu erhalten muß das Salz überwiegend aus „leichten“ Kernen gebildet werden (Li7, F19, Be9, Zr90). Trotzdem war auch hier noch ein zusätzlicher Moderator aus Graphit erforderlich. Die Salze dürfen auch nicht parasitär gegenüber den Neutronen sein (zu große Einfangquerschnitte). Dies gilt besonders, wenn man aus dem Thorium Uran erbrüten will.
  • Es handelt sich um eine Mischung aus Fluorsalzen. Fluor ist bei Raumtemperatur gasförmig. Es gehört zu den stärksten Oxidationsmitteln und reagiert mit fast allen Elementen sehr heftig. Dies ist wichtig, da ja bei jeder Kernreaktion auch die chemische Verbindung zerbricht und nahezu das gesamte Periodensystem neu entsteht. Die radioaktiven Spaltprodukte sollen auch im Salz gebunden (Sicherheit bei Störfällen) werden.
  • Der Anteil an spaltbaren Atomen ist mit unter einem Prozent recht klein. Das Salz ist quasi nur mit Brennstoff – und später den Spaltprodukten – „verunreinigt“. Das ist wichtig, da die Salzmischung mit allen möglichen Bauteilen des Reaktor in Kontakt kommt und zu Korrosion führt – bis heute ein Problem dieses Reaktortyps.

Man hat den MSRE mit U235 (Anreicherung 32%), U233(≈91,5%) und Pu239 F3 erfolgreich betrieben. Das letzte Salz führt unmittelbar zum „Waste Burner“, in dem man Reaktorplutonium und Minore Aktinoide aus Leichtwasserreaktoren verwendet.

In der Natur kommen die beiden stabilen Isotope Li6 (7,6 %) und Li7 (92,4 %) vor. Für einen MSR ist nur Li7 erwünscht, da aus Li6 durch Neutroneneinfang (großer Querschnitt) radioaktives Tritium entsteht. Generell gilt, daß die Salze sehr rein sein müssen, was sie teuer macht.

Will man ein schnelles Neutronenspektrum, darf das Salz nur wenig leichte Kerne enthalten. Chlorsalze sind die Favoriten. Sie sind insbesondere für Uran-Plutonium-Kreisläufe das Salz der Wahl. Sie stehen damit in unmittelbarer Konkurrenz zu „schnellen Brütern“ mit Natrium oder Blei als Kühlmittel. Natürliches Chlor besteht zu 75,76% aus Cl35 und 24,24% Cl37. Cl35 und Cl36 haben sehr viel größere Einfangquerschnitte als Cl37. Es empfiehlt sich daher, möglichst reine Chlorsalze aus nur dem Isotop Cl37 zu verwenden. Diese sind aber sehr teuer.

Die Entfernung der Spaltprodukte

Durch Kernspaltung und Neutroneneinfang bildet sich mehr oder weniger das gesamte Periodensystem. Man kann lediglich Wahrscheinlichkeiten für die Zusammensetzung angeben:

  • Die Spaltprodukte sind radioaktiv. Damit ergibt sich der simple aber durchschlagende Zusammenhang: Je mehr davon in einem Reaktor vorhanden sind, desto größer ist die (potentielle) Freisetzung bei einem Störfall.
  • Die Art und Anzahl der Spaltprodukte bestimmt die Nachzerfallswärme nach Abschaltung des Reaktors und damit die erforderliche Notkühlung.
  • Die Spaltprodukte gehen neue chemische Verbindungen ein. Dies macht den Korrosionsschutz so komplex. Die neu gebildeten Verbindungen haben aber auch andere physikalische Eigenschaften (Schmelztemperatur, Dampfdruck etc.). Dadurch kann es auch bei Zwangsumlauf zu Ablagerungen und Ausgasung kommen.
  • Durch z. B. Gasblasen ändert sich der neutronenphysikalische Zustand im Reaktor. Deshalb sieht man mindestens eine kontinuierliche Gasabscheidung vor. Was alles gasförmig ist, hängt stark von der Betriebstemperatur ab. Beileibe treibt man durch das sog. Strippen mit Edelgas nicht nur die gewünschten, sondern auch andere Verbindungen aus, die sich dann in kalten Bereichen niederschlagen. So hat man z. B. beim Abbruch amerikanischer Salzbadreaktoren unerwartete Konzentrationen von Uranfluoriden in Abgasfiltern gefunden.
  • Reaktoren werden über die verzögerten Neutronen geregelt. Das sind Neuronen, die erst beim Zerfall gewisser radioaktiver Elemente frei werden. Dies macht zumindest die Berechnung kompliziert, da sich nicht nur ein zeitliches, sondern auch ein örtliches Problem ergibt. Anders als bei Reaktoren mit Brennelementen, bewegen sich die Kerne mit der Strömung des Salzes weiter. Sie werden unter Umständen an Stellen frei, wo man sie nicht braucht oder gar nicht haben will.

Verringerung des Inventars zur Sicherheit

Salzbadreaktoren sind nahezu drucklos. Dies ist gegenüber Leichtwasserreaktoren ein Vorteil. Platzt z.B. eine Rohrleitung, führt das nur zu einem Auslaufen und nicht zu einer „Explosion“. Hochdruckdampf hat enorme zerstörerische Kräfte. Es wird auch immer damit argumentiert, daß der geringe Druck zu dünnen Wänden und damit einer billigeren Konstruktion führt. Dies gilt es gegen die aggressive Chemie des heißen Salzes abzuwägen. Es wird wohl kaum gelingen, jemals 60+ Jahre Betrieb – wie bei modernen Leichtwasserreaktoren – zu erreichen.

Das Risiko eines Unfalls hängt immer von der Wahrscheinlichkeit (überwiegend eine Folge von Konstruktion und Betriebsumständen) und dem Schaden (überwiegend das Inventar an radioaktiven Stoffen zum Zeitpunkt des Unfalls) ab. Bei allen Reaktoren ergibt sich maßgeblich das radioaktive Inventar aus der (bis zum Unfall) produzierten Energie. Pauschale Urteile sind sinnlos. Werden unterschiedliche Reaktoren diesbezüglich verglichen, sind z.B. sehr genau die Wechselintervalle des Brennstoffs zu berücksichtigen. Bei heutigen Leichtwasserreaktoren wird jeweils ein Drittel des Brennstoffs jährlich entnommen. Demgegenüber gibt es bei Salzbadreaktoren Konzepte, bei denen diese zig Jahre laufen sollen und dann am Stück ausgetauscht werden.

Bei Salzbadreaktoren ist zumindest theoretisch eine kontinuierliche Wiederaufbereitung während des laufenden Betriebs möglich. Dies kann durch Abzweigen eines kleinen Teilstroms und Wiederaufbereitung in einem angeschlossenen chemischen Prozess geschehen. Andere Konzepte sehen ein Abscheiden durch Verdampfung im Vakuum vor. Man geht dabei von der Annahme aus, daß die Gase nur Spaltprodukte und keinen Brennstoff enthalten. Verbindliche Aussagen wird man erst nach vielen Betriebsjahren in vielen Reaktoren machen können. Leichtwasserreaktoren haben bezüglich der Genehmigung in diesem Sinne einen unschlagbaren Vorteil. Entscheidend ist nicht zuletzt die Frage ob der Kunde (meist gestandene Kraftwerker) sich mit soviel Chemie anfreunden kann.

Sicherheit

Reaktoren mit Salzschmelze sind inhärent sicher: Meint, sie brauchen kein System zur Schnellabschaltung. Sie gehen von selbst aus, wenn die Temperatur ansteigt, weil dadurch die Kettenreaktion in sich zusammenbricht. Sie können darüberhinaus auch noch „walk away“ sicher gebaut werden. Durch die große Wärmespeicherkapazität und dem großen Abstand zum Siedepunkt (Druckanstieg) ist eine dauerhafte Kühlung für die Nachzerfallswärme ohne ein (aktives) Notkühlsystem möglich. Unfälle, wie z. B. in Fukushima, scheinen damit physikalisch ausgeschlossen.

Ob allerdings MSR vollkommen ohne Regelstäbe etc. auskommen können, wird der Genehmigungsprozess zeigen. In der Öffentlichkeit geistert immer ein Pfropfen umher, der eine Rohrleitung verschließt und bei zu hoher Temperatur aufschmilzt und den Weg in einen Sicherheitstank frei gibt. Diese Vorstellung ist sehr laienhaft. Um einen solchen gefrorenen Pfropfen zu erzeugen, muß dieser im Betrieb dauerhaft aktiv gekühlt werden. Das ist gar nicht so einfach und es ergibt sich ein recht komplexes Bauteil. Trotzdem sind bei den Versuchsständen immer Undichtigkeiten aufgetreten. Im Ernstfall muß diese Verstopfung – auch nach jahrelangem Betrieb – sicher und schnell aufschmelzen. Auch das keine einfache Aufgabe. Es handelt sich nach längerer Zeit nicht mehr um das ursprünglich eingefrorene Salz. Es ergeben sich Schichtungen, Kristallisation usw. Jedenfalls hat die Praxis gezeigt, daß solche Pfropfen 10 bis 15 Minuten brauchen, bis sie den Weg in den Tank freigeben. Etliche Entwürfe sehen deshalb zusätzlich aktive Ventile vor.

Wertung

Es gibt nicht den einzig selig machenden Reaktortyp. Jedes Prinzip hat ganz spezifische Vor- und Nachteile. Es hängt alles vom Anwendungsfall ab:

  • Will man nur elektrische Energie erzeugen, wird der MSR genauso wenig die Leichtwasserreaktoren verdrängen, wie die Wärmepumpe den Heizkessel.
  • Braucht man sehr hohe Temperaturen, sind die gasgekühlten Hochtemperaturreaktoren die Wahl.
  • Will man auch das U238 nutzen, sind mit Natrium oder Blei gekühlte schnelle Reaktoren zumindest bisher unübertroffen. Sie sind auch hervorragend geeignet um die Minoren Aktinoide zu beseitigen und die Entsorgungsfrage ganz neu zu stellen.
  • Will man auch Thorium als zusätzliche Energiequelle nutzen, sind die Schwerwasserreaktoren eine echte Alternative.
  • Braucht man einen nuklearen Schiffsantrieb, bleiben (wahrscheinlich) nur Druckwasserreaktoren und MSR. Sie sind die einzig kompakten Reaktoren ohne freie Oberflächen.
  • MSR sind von Natur aus für „nicht ganz so hohe Temperaturen“ (<600°C) hervorragend geeignet. Spätestens nach dem Krieg gegen die Ukraine ist klar geworden, wie wichtig Wärme für die Industrie ist.

Gleichwohl ist es dringend nötig, endlich mal einen SMR zu bauen. Es macht einfach keinen Sinn, ewig nur über Vor- und Nachteile zu philosophieren. Man muß in der Technik praktische Erfahrungen sammeln. Schließlich sehen die heutigen Leichtwasserreaktoren der Generation III+ auch anders aus, als deren erste Generation. Am Ende entscheidet immer der Markt. Wir haben doch bei unseren Autos auch eine ganze Palette unterschiedlicher Antriebssysteme zur Auswahl.

Was ist los in Dänemark?

Was geschieht im schönen Dänemark, daß sich gleich zwei junge Unternehmen (Seaborg Technologies und Copenhagen Atomics) mit der Entwicklung von Kernreaktoren der Generation IV beschäftigen? War doch bisher für alle „Ökos“ Dänemark das Paradies für Windkraft und Bioenergie. Konnte man sich doch bisher einen schlanken ökologischen Fuß machen, da die Bevölkerung nicht einmal doppelt so groß ist wie die von Berlin und 76% der Arbeitnehmer in der Dienstleistung tätig sind und damit 79% des BIP erwirtschaften. Das bisschen Stahl für die Windmühlen, den Dünger für die intensive Landwirtschaft und die paar Autos konnte man sich bequem auf dem Weltmarkt zusammen kaufen. Die damit verbundenen Umweltbelastungen und der Energieverbrauch gehen halt auf das Konto der Erzeuger. Apropos Autos: Unsere grüne Verkehrssenatorin in Berlin bekommt immer leuchtende Augen, wenn sie von der „Fahrradstadt“ Kopenhagen schwärmt. Warum sollte man auch nicht in Kopenhagen Fahrrad fahren, ist doch annähernd so groß wie Bremen und genauso flach. Allerdings gibt es dort in der Innenstadt Hauptverkehrsachsen mit 3 Fahrspuren + 1 Busspur + 1 Fahrradspur. Nur die Fußgänger müssen sich etwas anpassen, da diese Magistralen nur mit zweimal grün zu überqueren sind. Schön sind auch die Nahverkehrszüge mit großen Fahrradabteilen. Trotzdem stehen die Pendler von und nach Kopenhagen (Großraum über 1,5 Millionen) täglich im Stau. Man kann eben nicht alles haben: Billige Wohnung und gut bezahlter Arbeitsplatz in Bullerbü geht nirgends auf der Welt.

In Dänemark ist aber ein weiteres dickes Ende abzusehen: Bereits heute wird schon oder erst – je nach Blickwinkel – die Hälfte der elektrischen Energie durch Windkraft erzeugt. Ein Netz mit so hohem fluktuierenden Anteil überhaupt am Laufen zu halten, geht nur mit der Wasserkraft in Norwegen, der Kernenergie in Schweden und der Kohle in Deutschland. Da aber alle „Ökos“ in Europa glauben, sie könnten ihre Stromlücken problemlos beim Nachbarn auffüllen, ist damit bald Schluß. Was bleibt, sind die hohen Stromkosten und wahrscheinliche Zwangsabschaltungen. Absehbar zeichnen sich die Grenzen des Wachstums der Windindustrie ab. Die immer größer werdenden Konflikte mit Umweltschützern und den belästigten Anwohnern haben die Schlangenölverkäufer bereits auf die Nord- und Ostsee hinausgetrieben. In einem in der Menschheitsgeschichte bisher nie da gewesenen Ausmaß und Tempo wird das Meer industrialisiert. Es ist halt wie mit den Schornsteinen der frühen Industrialisierung: Einige wenige waren ein willkommenes Fortschrittssymbol, aber ab einem gewissen Ausmaß zeichnete sich der Fluch der Luftverschmutzung ab. Einige wenige „Vogelschredder“ steckt die Natur locker weg, aber eine voll gepflasterte Nordsee wird zur ökologischen Katastrophe für Fauna und Flora. Wer gegenteiliges behauptet, ist ein Ignorant und hat nichts aus der Technikgeschichte gelernt.

Klein und smart passt gut zusammen

Es ist kein Zufall, daß sich gerade die dünner besiedelten Staaten für kleine und „moderne“ Reaktoren interessieren:

  • Ihre (lokalen) Netze sind meist zu klein, um konventionelle Reaktoren wirtschaftlich betreiben zu können.
  • Sie verfügen über keine Schwerindustrie, die die erforderlichen großen Bauteile (z. B. Reaktordruckbehälter) herstellen kann. Es sind deshalb besonders „drucklose“ Konzepte von Interesse.
  • Sie verfügen über zahlreiche kleine fossile Kraftwerke mit Kraft-Wärme-Kopplung (Fernwärme, Industriebetriebe) die ersetzt werden müssen.
  • Dänemark verfügt über eine beachtliche Flotte großer Containerschiffe (Maersk) für die neue Antriebskonzepte gefunden werden müssen (synthetische Brennstoffe und/oder nuklear).
  • Die skandinavischen Länder betreiben seit Jahrzehnten Leichtwasserreaktoren, die bereits eine Menge abgebrannter Brennelemente angehäuft haben – aber zu wenig für eine konventionelle Wiederaufbereitung. Die derzeitige Lösung, der dauerhaften unterirdischer Zwischenlagerung in Bergwerken, schreit förmlich nach neuen Ansätzen.

Geht man von diesen Rahmenbedingungen aus, ist es nicht verwunderlich, daß sich gleich zwei Unternehmen mit der Entwicklung von Reaktoren mit Salzschmelzen beschäftigen.

Salzschmelze-Reaktoren

Wenn man geeignete Salze auf einige hundert Grad erhitzt, werden sie flüssig wie Wasser. Andererseits sind sie dann noch weit entfernt zu verdampfen und damit Druck aufzubauen. Mit einfachen Worten: Man kann einen Reaktor bauen, der beachtliche Temperaturen (bis etwa 700°C) bereitstellt und trotzdem nahezu drucklos bleibt. Wenn man nun Salze aus Uran, Thorium, Plutonium und Minoren Aktinoiden (das sind die, die eine so langfristige Lagerung des Atommülls erforderlich machen) bildet und unter die Salzlösung mischt, erhält man einen Brennstoff, der gleichzeitig der Wärmeträger ist. Also anders als bei konventionellen Reaktoren, wo fester Brennstoff in Hüllrohre verpackt, mit Wasser, Natrium etc. zur Kühlung umgeben wird. Beide Konstruktionsweisen haben spezifische Vor- und Nachteile, die hier nicht näher diskutiert werden. – wie immer in der Technik, wo es grundsätzlich nur Optima gibt und nicht (nur) das Gute oder Schlechte. Selbst wenn man die Reaktortechnik auf Salzschmelzen einengt, ergeben sich noch dutzende verschiedene Konstruktionen. Es empfiehlt sich daher, vorab Gedanken zu machen, welche Anwendungen man anstrebt.

Die Gemeinsamkeiten der Dänen

Sowohl Seaborg, wie auch Copenhagen Atomics streben langfristig eine Serienproduktion an. Dafür müssen die Reaktoren so klein (Gewicht und Abmessungen) sein, daß sie sich komplett fertigen und transportieren lassen. Seaborg will sie auf Bargen in Werften installieren und anschließend betriebsbereit über den Wasserweg zum Verbraucher schleppen. Copenhagen Atomics geht noch einen Schritt weiter und will die komplette Anlage mit Pumpen, Wärmeübertragern und allem notwendigen Zubehör in einen handelsüblichen 40-Fuß-Container einbauen. Es geht also in die Richtung „Autofabrik“ und weit weg von der verfahrenstechnischen Großbaustelle heutiger Kernkraftwerke. Das kann die Kosten senken und vor allem ganz neue Märkte erschließen: Seit dem Krieg gegen die Ukraine wird auch hier breiten Schichten die Bedeutung von „Wärme“ und nicht nur elektrischer Energie für eine Industriegesellschaft bewußt. Es gibt einen riesigen Bedarf für Wärme mit „ein paar hundert Grad“ z. B. in der chemischen und verarbeitenden Industrie. Man stelle sich einmal vor, man könnte die tausende Kessel (< 100 MWth), die überwiegend aus teurem Erdgas und Heizöl nur Warmwasser und Dampf für die Produktion herstellen, durch „Nukleare Container“ ersetzen. Angeliefert und aufgestellt in wenigen Tagen, gemietet und betreut (die Reaktoren laufen voll automatisch) von Service Unternehmen, die für ein paar Cent die erforderliche Wärme bereitstellen. Welch verlockende Perspektive gegenüber dem irren Umweg aus „Grünem Wasserstoff“ Niedertemperaturwärme machen zu wollen.

Es gibt aber noch ein weiteres Anwendungsfeld, das sich Laien nicht so ohne weiteres erschließt, aber Reedern unter den Nägeln brennt: Seeschiffe geraten durch strengere Umweltschutzvorschriften und explodierende Treibstoffpreise immer mehr unter Druck. Langfristig bleibt nur der nukleare Antrieb als Ausweg, wenn man „fossil“ nicht mehr will. Egal ob bei großen Schiffen durch Reaktoren an Bord oder durch voll elektrischen Antrieb bei kleineren Schiffen mit „nuklearen Tankstellen“ auf dem Meer. Viele Reeder setzen auch auf Ammoniak als Treibstoff. Diesen Sektor hat auch Copenhagen Atomics in seinen Überlegungen.

Salzschmelze, zwei Fliegen mit einer Klappe?

Wenn man auf der Basis von Thorium arbeitet, erschließt man sich einen neuen Brennstoff, der noch viel häufiger als Uran vorkommt und zur Zeit schlicht weg Abfall (z. B. bei der Gewinnung seltener Erden) ist. Thorium erzeugt im Gegensatz zum Uranzyklus heutiger Leichtwasserreaktoren praktisch keinen langlebigen Atommüll (Plutonium-Isotopen, Minore Aktinoide). Im Gegenteil, man kann mit ihnen den Reaktor starten und sie so gewinnbringend vernichten. Copenhagen Atomics bezeichnet ihren Reaktor deshalb auch als „Waste Burner“. Gestartet wird der Reaktor mit einem Gemisch aus Thoriumfluorid und Plutoniumfluorid. So wie sich das Plutonium aufbraucht, wird gleichzeitig aus dem Thorium spaltbares Uran-233 „erbrütet“. Wichtig dabei ist, daß man – anders als für Mischoxid-Brennelemente für Leichtwasserreaktoren – kein möglichst reines Plutonium benötigt, sondern es kann durchaus mit Spaltprodukten verunreinigt sein (Proliferation) und soll sogar alle Minoren Aktinoide mit umfassen. Man kommt so zu wesentlich einfacheren Aufbereitungsverfahren für den zwischengelagerten „Atommüll“. Angestrebt sind hier eher reine (kurzlebige) Spaltprodukte, die einfach endgelagert werden können – kleine Menge (< 5%) und kurze Zerfallszeiten, die schnell zu schwach strahlendem „Restmüll“ führen. Ist der Gleichgewichtszustand erreicht, wird nur noch Thorium verbraucht.

Arbeiten wie bei Rickover

Man kann es sich heute gar nicht mehr vorstellen: Das erste Atom-U-Boot überhaupt, die USS Nautilus, wurde in nur fünf Jahren „erfunden“ und gebaut – und das mit den Hilfsmitteln der frühen 1950er Jahre. Dies war nur durch einen ingenieurtechnisch streng pragmatischen Ansatz möglich. An diese Vorgehensweise fühlt man sich bei Copenhagen Atomics erinnert. Werkstoffprobleme (Korrosion in heißem Salz) werden durch Tests gelöst. Zu diesem Zweck hat man sich eigene Prüfstände entwickelt, in denen vollautomatisch verschiedene Salzmischungen und (handelsübliche) Werkstoffe unter Betriebsbedingungen untersucht werden. Nicht „kaufbare“ Komponenten, wie z. B. die Umwälzpumpen sind selbst entwickelt und getestet worden. Das Gleiche betrifft die gesamte Instrumentierung und die notwendige Regelung. Salzmischungen in der erforderlichen Reinheit sind zumindest nicht in den erforderlichen Mengen zu kaufen. Deshalb wurde eine eigene Salzproduktion aufgebaut. Man ist jetzt an dem Punkt angekommen, einen „nicht nuklearen“ Reaktor in Originalgröße in Betrieb zu nehmen und damit Dauertests durchzuführen zu können.

Die Philosophie dahinter ist, nicht Unmengen von Papier und Berechnungen zu produzieren, mit denen man zu einer Genehmigungsbehörde geht und jahrelange theoretische Diskussionen führt, bis endlich mal etwas gebaut wird. Sondern ein konkretes Objekt vorzuzeigen und damit in den Genehmigungsprozess einzusteigen – quasi den Spieß umzudrehen. Was augenscheinlich funktioniert, muß mit starken Argumenten sicherheitstechnisch entkräftet oder eben zugelassen werden. Heute ist es eher üblich, bei theoretischen Diskussionen für jedes gelöste Problem drei neue aufzuwerfen. So kommt es, daß bei allen SMR-Projekten dreistellige Millionenbeträge der Investoren verbrannt sind, bevor der erste Spatenstich erfolgt. Das ist auch nicht verwunderlich, wenn man Genehmigungsverfahren als Stundenlohnarbeiten durchführt.

Bauen, statt nur Papier zu produzieren, hat noch einen weiteren Vorteil. So ist es Copenhagen Atomics gelungen, Gerätschaften die sie für den eigenen Reaktor entwickelt haben, bereits an andere Unternehmen und Forschungseinrichtungen zu verkaufen. Dies generiert nicht nur Umsatz während der Entwicklungsphase, sondern ermöglich ganz natürlich die Zusammenarbeit mit anderen Unternehmen und Forschungseinrichtungen. Darüberhinaus wird so sehr schnell aus einem Startup eine Marke.

Der schwierige Übergang in die nukleare Phase

An diesem Beispiel zeigt sich, in welch fatale Lage sich Europa selbst gebracht hat. Es mangelt nicht an klugen Köpfen, die sich für Kerntechnik begeistern. Immer mehr junge Leute gehen wieder den anspruchsvollen Weg eines Studiums der Kerntechnik. Das Bild von einer Jugend der „Freitagshüpfer“, die irgendwas aus den Weiten der „Genderwissenschaften“, dem „Klimaschutz“ oder sonstigen „Geschwätzwissenschaften“ studieren, um möglichst schnell eine Stellung im Staatsdienst zu ergattern, ist eine Erfindung der (meisten) Medien. Es wäre auch genug privates Kapital vorhanden, trotz aller Subventionen für „Grüne Technik“. Es klemmt heute an ganz anderen Dingen.

Ein Extrembeispiel ist Deutschland. Hier wäre ein Genehmigungsverfahren neuer Reaktoren gar nicht mehr möglich. Was ist, wenn Plan A, wir machen alles mit Wind, Sonne und Erdgas einfach nicht funktionirt? Wie lange glaubt man die Bevölkerung noch auf Kurs halten zu können, wenn die Energiepreise weiter steigen und Massenarbeitslosigkeit die Folge wird? Seit Minister Trittin hat man die deutschen Fachbehörden systematisch ruiniert, indem man frei werdende Stellen stets nach ideologischer Grundhaltung besetzt hat. Man hat sogar – im Gegensatz zu unseren Nachbarn – alles, was irgendwie nach Kerntechnik aussieht, an den Universitäten „auslaufen“ lassen. Was nicht sein darf, kann auch nicht sein.

Wie wird man in Dänemark reagieren, wenn im nächsten Schritt mit radioaktiven Stoffen gearbeitet werden müßte? Welche Behörden haben den Willen und die Fähigkeiten den Bau eines „Forschungsreaktors“ zu genehmigen und zu begleiten? Wahrscheinlich wird dieses Projekt, wie viele andere, Europa Richtung USA oder Asien verlassen müssen. Europa ist in Fragen von Wissenschaft und Technik zu einem mittelalterlichen Kirchenstaat verkommen. Erforscht oder gar gebaut werden darf nur noch, was das Wohlgefallen der „geistigen Obrigkeit“ findet.

Das Ende einer endlosen Geschichte

Am 21. Dezember um 3:22 wurde der Reaktor Olkiluoto 3 endlich kritisch. Dies ist international der Zeitpunkt, an dem (definitionsgemäß) ein Kernkraftwerk fertiggestellt ist. Gleichwohl schließt sich noch eine stufenweise Leistungssteigerung (5%, 30%, 100%) mit entsprechenden Tests unter den Augen der STUK (Finland’s Radiation and Nuclear Safety Authority) vor Ort an, bis das Kraftwerk endgültig an den Kunden übergeben wird. Nach Plan beginnt die Stromeinspeisung ins Netz bei 30% Leistung Mitte Februar und ab Juni 2022 der Regelbetrieb. Der Direktor Marjo Mustonen von TVO (Teollisuuden Voima Oyj) bemerkte treffend: „Dieser Moment wird für immer in Erinnerung bleiben, an die geleistete harte Arbeit um dieses Projekt zu verwirklichen.“

Die Geschichte

Das finnische Parlament beschloss 2002 den Bau eines weiteren Reaktors neben den zwei Siedewasser-Reaktoren (2 x 880MWel, Inbetriebnahme 1982) in Olkiluoto. Damit sollte der Anteil der Kernenergie von derzeit 14% auf 40% gesteigert werden. Im Dezember 2003 wurde der Vertrag über den schlüsselfertigen Bau eines EPR (1600 MWel) mit der Arbeitsgemeinschaft aus Areva und Siemens abgeschlossen. Baubeginn war 2005, geplante Fertigstellung 2009. Damit nahm das Elend seinen Lauf. Schon im Dezember 2008 hat diese Arbeitsgemeinschaft ein Schiedsverfahren vor der Internationalen Handelskammer (ICC) eingeleitet. Ein ungewöhnlicher Schritt, der die Atmosphäre nicht gerade verbessert haben dürfte. Bis Juni 2011 hat Areva/Siemens seine Forderungen gegenüber TVO auf 3,4 Milliarden hochgeschraubt. Darin waren 1,4 Milliarden Strafzinsen bis 2015 enthalten und 140 Millionen entgangener Gewinn (?). TVO hielt mit 2,6 Milliarden für Verluste und zusätzliche Kosten dagegen. Die Arbeitsgemeinschaft sollte gesamtschuldnerisch haften, da Areva ausgegründet wurde und Siemens das Kernkraftgeschäft aufgab. Zur Verteidigung behauptete Areva/Siemens, daß TVO für einige Verzögerungen verantwortlich sei.

Im März 2018 wurde schließlich ein Vergleich – ziemlich leichtfertig, wie sich später herausstellte – geschlossen. Die Arbeitsgemeinschaft mußte 450 Millionen an TVO als Entschädigung für die (mehrfach) nicht eingehaltenen Termine zahlen. Areva verpflichtete sich, alle technischen und finanziellen Ressourcen für die Fertigstellung bereit zuhalten. Kann die Arbeitsgemeinschaft die Anlage bis Ende 2019 nicht fertigstellen – was eingetreten ist – sollen zeitabhängig Verzugsstrafen bis maximal 400 Millionen von Areva/Siemens zusätzlich an TVO gezahlt werden.

Ist Olkiluoto nun teuer, wenn ja, für wen?

Kein Unternehmen ist gezwungen Kernkraftwerke zu bauen. Jedes Unternehmen muß seine Preise voll verantwortlich selbst kalkulieren. Dies gilt für den kleinen Handwerksmeister, wie für internationale Konzerne. Wird auf eine Ausschreibung ein Angebot abgegeben, so gelten die Preise der Konkurrenten ohne wenn und aber. Wäre das nicht so, könnte man sich (sehr aufwendige) Ausschreibungen komplett sparen. Solche Ausschreibungen kosten Hunderttausende. Alle Verlierer können sich ihre Kosten in den Schornstein schreiben. Deshalb viel der Spruch der ICC so eindeutig aus: Selbst in einer zehnjährigen Auseinandersetzung konnte die Arbeitsgemeinschaft keine gerechtfertigten Nachträge nachweisen und deshalb gilt der Preis und die vereinbarten Termine. Ein Schaden ist allerdings dem Kunden durch die mehrfach verzögerte Fertigstellung (Stromkauf, Personalkosten etc.) entstanden. Deshalb die zugesprochene Entschädigung über 450 (Termin 2009) und zusätzlich 400 Millionen (Termin 2019) für TVO.

Fairerweise muß man erwähnen, daß die Kombinatsleitung von Siemens schon frühzeitig erkannte, daß sie nicht (mehr) in der Lage war, solche Projekte durchzuführen. Sie zog sich auf die Ebene der Zulieferung von Komponenten und „angepaßte Technik“, wie Windmühlen, zurück. Ob dieser Weg erfolgreich sein kann, wird die Zukunft zeigen. Framatome (Areva) kämpft sich unter gewaltigen Kosten in den Markt zurück. Hinkley Point C scheint die Wende zu bringen – zumindest was die Einhaltung von Terminen betrifft. Ob allerdings jemals eine konkurrenzfähige Kostenstruktur erreicht wird, steht auf einem anderen Blatt. Wahrscheinlicher ist das das Ende dieses Reaktortyps.

Was bitte, soll an einem Preis (Fertigstellung 2009) von 3,2 Milliarden Euro für ein Kernkraftwerk mit 1600 MWel (2000 EUR/KW) teuer sein? Ich glaube, wenn TVO könnte, würden sie gern noch einmal ein solches Kraftwerk bauen. Selbst wenn man die zusätzlichen Personal- und Finanzierungskosten, Umbauten etc. mitrechnet, kommt man auf etwa 5,5 Milliarden Gesamtkosten (3400 EUR/KW) für das Projekt. Zufällig die gleiche Größenordnung wie das Kernkraftwerk in den Vereinigten Emiraten mit einem spezifischen Preis von umgerechnet 3167 EUR/KW. Das alles für eine Energiequelle mit mindestens 60 Jahren Lebensdauer, einer Arbeitsauslastung von wahrscheinlich 90% und stets die geforderte Leistung liefernd – auch des Nachts und bei Flaute.

Lehrreich ist nun, was die „Atomexperten“ und ihre Haltungsjournallie – ganz besonders im Staatsfernsehen – immer aus Olkiluoto machen. Sie überbieten sich in „Geschätzten Kosten“, zitieren sich dabei immer gegenseitig und kommen unisono zum (gewünschten) Ergebnis, daß „Atomenergie“ die teuerste von allen ist. Sie sind dabei so beratungsresistent geworden, daß sie sogar verdrängen, daß die Stromkosten überall dort gering sind, wo der Anteil der Kernenergie hoch ist. Sie sind bei ihren Vergleichen aber so schlau, daß sie immer nur von „geschätzt“ sprechen, munter Leistung und Arbeit durcheinander wirbeln oder dreist „Externe Kosten“ erfinden, damit man sie nicht als Lügner bezeichnen kann.

Versuch einer Ursachenanalyse

Es wurden mehrfach neue Termine für eine Fertigstellung genannt und immer wieder überschritten. Schon diese Tatsache spricht für sich. Ganz offensichtlich gab es keine funktionierende Bauplanung. Man hatte ganz offensichtlich nicht einmal eine Vorstellung vom erforderlichen Arbeitsaufwand und den nötigen Abläufen. Es ging zu, wie beim Bau des Berliner Flughafen (BER). Das es auch ganz anders gehen kann, stellen russische, koreanische und chinesische Firmen immer wieder unter Beweis.

Die mangelnde Dokumentation führte immer wieder zu Konflikten mit der Genehmigungsbehörde STUK. Ein Beispiel hierfür ist das Drama um die Großkomponenten. Nachdem Areva selbst Mängel in der französischen Schmiede festgestellt hatte, wurden genauere Dokumentationen und Nachprüfungen von der STUK verlangt. Zum Glück waren keine Neuanfertigungen nötig, da z. B. das Reaktordruckgefäß noch aus Japan geliefert worden war. Um nur mal ein Gefühl für den Aufwand zu geben, sei beispielhaft der Antrag des Betreibers TVO für die Betriebsgenehmigung von der STUK genannt: Er umfaßte 130 000 Seiten und die STUK benötigte 18 Monate für die Prüfung.

Bereits im April 2016 begann der Übergang von der Bau- zur Testphase auf der Baustelle. Man glaubte damals noch, alle Elektro- und Rohrleitungsarbeiten bis Ende 2016 abschließen zu können. Im Juni 2017 begannen die Kalttests (Druckprobe, Pumpenstart etc.). Im Oktober 2017 wurde der Fertigstellungstermin von Ende 2018 auf Mitte 2019 wegen Umstrukturierungen bei Areva verschoben – wohl eher eine Umschreibung für einen abgewendeten Konkurs.

Im Dezember 2017 begannen die Warmtests. Das Verhängnis nahm seinen Lauf. Ein Konstruktionsfehler im Druckhaltesystem führte zu Rohrleitungsschwingungen. So etwas dürfte eigentlich nicht passieren, denn Rohrleitungsbau ist kein Hexenwerk. Es mußten Schwingungsdämpfer konstruiert und getestet werden und alles neu berechnet werden. So etwas dauert Monate und anschließend müssen auch noch alle Tests wiederholt werden. Personalmangel ist vorprogrammiert, denn Spezialisten sind überall gefragt. Dadurch dauerten die Tests zwei Monate länger als gedacht. Unzählige Änderungen am Elektro-, Instrumenten- und Steuerungssystem wurden erforderlich. Es wurden Ventile mit Rissen gefunden, die Notstromdiesel hatten diverse „faule“ Teile. All das zeugt von mangelhafter Qualitätskontrolle. Die Ersatzteile brauchten Monate. Das wiederum löst weitere Verzögerungen aus. Auf Grund der langen Stillstandszeiten sind zusätzliche Wartungsarbeiten nötig. So traf die Inbetriebnahme der Dampfturbine weitere drei Monate Zusatzarbeiten.

Ausblick

Man kann nur wünschen, daß die Franzosen möglichst schnell in Tritt kommen. Einen Ausreißer wie Olkiluoto kann man sich erlauben, wenn man ihn als Prototyp wertet. Ein zweiter – offensichtlich noch schlimmerer – Fall wie Flamanville, ist schon unverzeihlich. Nur ein Staatsbetrieb kann so etwas überhaupt wirtschaftlich überleben. Auffällig ist, daß die beiden EPR in China relativ glatt liefen. Offensichtlich ist das auf die Qualität der chinesischen Ingenieure und Facharbeiter zurückzuführen. Wenn jetzt nicht die Baustelle in GB endlich durchläuft – Kostenüberschreitungen liegen schon vor – braucht Frankreich an den kommenden Ausschreibungen in Polen und Tschechien gar nicht erst teilnehmen. Da würde dann nicht einmal ein Dumping-Angebot helfen. Eher können sie mit einem überhöhten Preis starten, um wenigstens das Gesicht zu wahren und Zeit für einen Neuanfang zu gewinnen.

Bill Gates Weg zu Natrium

Bill Gates hat schon frühzeitig die Bedeutung der Energieversorgung erkannt. Anders, als viele andere, hat er auf die Zukunft der Kernenergie gesetzt und bereits 2006 sein Unternehmen TerraPower gegründet. Es sollte kein Reaktorhersteller, sondern ein Unternehmen für Innovationen sein. Heute, nach eineinhalb Jahrzehnten scheint sich seine Vision durch den Bau eines Kernkraftwerks zu verwirklichen. Bill Gates war immer eine Verkaufskanone, der die Nachfrage des Marktes sehr gut einschätzen konnte. Er brachte die Betriebssysteme MS-DOS und Windows zum Betrieb von Schreibtisch-Computern über uns – ein Milliardengeschäft und es entstand eine ganz neue Industrie. Übertragen auf die Kernenergie lautete sein Konzept:

  • Weg von dem zentralen Großkraftwerk, hin zu dem „persönlichen“ Kleinreaktor in der Gemeinde.
  • Weg von der durch Hollywood verunglimpften Megawatt-Maschine des Leichtwasser-Reaktors, hin zu einer unvorbelasteten (neuen) Technik.
  • Umschiffung der „Atommüll-Problematik“.
  • Kein Kampf gegen die populäre Wind- und Sonnenenergie, sondern deren Vereinnahmung durch die Ausnutzung ihrer grundlegenden Schwäche der Dunkel-Flaute.
  • Geringer Preis durch große Serien.

Der Traveling Wave Reactor (TWR)

Der TWR spukt schon seit den 1950er Jahren durch die Fachwelt. Das Konzept geht von einer Spaltung mit schnellen Neutronen aus. Der Trick besteht nun darin, eine Zone mit hoher Anreicherung zu betreiben, die von abgereichertem Uran umgeben ist. Der Neutronenüberschuss in dieser Spaltungszone erbrütet in der angrenzenden Zone mit abgereichertem Uran Plutonium. So wie Spaltstoff verbraucht bzw. erbrütet wird, wandert die Welle durch den Reaktorkern. Bei einer linearen Anordnung wird gern die Analogie einer abbrennenden Kerze benutzt. Bei einer klassischen Anordnung mit Brennstäben in konzentrischer Schichten wird der Wanderweg noch komplexer und schwieriger vorhersehbar. Der Charme liegt nun darin, daß man theoretisch einen Reaktor bauen könnte, der mit nur einer Beladung versehen ist und sein Uran vollständig aufbrauchen könnte. Es würde keine Wiederaufbereitung benötigt und es bliebe nur (wenig) „nukleare Asche“ zur Endlagerung übrig. Leider konnte bisher niemand einen solchen Reaktor bauen.

Eine beträchtliche Vereinfachung kann man durch den Übergang zu einer „stehenden Welle“ erzielen. Dabei werden in bestimmten Zeitabständen die Brennelemente – wie bei einem Leichtwasserreaktor – umgelagert, aber nicht ausgelagert. Die Spalt- und Brutzonen bleiben dadurch örtlich definiert. Diese Umlagerung geschieht mit einer Lademaschine im Reaktor, ohne diesen öffnen zu müssen. Der gesamte Brennstoff verbleibt für (geplant) 40 Jahre im Reaktor. Es befinden sich sogar einige „frische“ Brennelemente mit abgereichertem Uran im Reaktor als Reserve, für den Fall, daß beschädigte Brennelemente ersetzt werden müssen. Während dieses ein bis zwei Wochen dauernden “fuel shuffling” muß der Reaktor allerdings außer Betrieb bleiben. Das gezielte Durchmischen der Brennelemente dient drei Zwecken:

  1. Der Kontrolle der Leistungsverteilung im Reaktorkern und des Abbrandes, damit die Brennstäbe stets in ihrem sicheren Betriebsbereich verbleiben. Eine technische Herausforderung ist dabei die unterschiedliche Wärmeproduktion in den Spalt- und Brutzonen, die zu unterschiedlichen lokalen Kühlmitteltemperaturen führen. Um diese zu vergleichmäßigen, müssen die Strömungsgeschwindigkeiten entsprechend angepaßt werden. Die Feineinstellung soll durch verstellbare Drosselkörper in den Brennelementen geschehen.
  2. Durch die Bildung von Plutonium verändert sich (lokal) die Reaktivität. Das Umsetzen in Verbindung mit Regelstäben sorgt für die Einhaltung der Betriebszustände.
  3. Die Lebensdauer des Kerns wird vergrößert. Sie hängt maßgeblich von der Anzahl der Brennelemente mit abgereichertem Uran im Kern ab.

Der Betrieb und die Konstruktion von TWR ist erst durch die heute (kostengünstig) verfügbare Rechenleistung möglich. Üblicherweise muß der Kern in 20 000 bis 40 000 Zellen örtlich unterteilt werden. Für jede Zelle wird über Monte-Carlo Simulationen die Absorption der Neutronen berechnet. Dabei müssen die Querschnitte von mehreren hundert Spaltprodukten und deren Zerfallsketten (etwa 3400 Nuklide) zeit- und energieabhängig berücksichtigt werden. TerraPower verwendet dafür ein Computer-Cluster mit 1104 Kernen, die parallel rechnen können.

Einschub: Die Nachhaltigkeit

Was auch immer mit dieser Förster Erkenntnis bei der Kernenergie genau gemeint sein mag, beziehen sich doch „Atomkraftgegner“ meist auf die Uranvorräte und die Energiekosten. Bekannt ist der Werbeslogan: „Die Sonne schickt keine Rechnung“ – ganz neben bei, die Uranlagerstätte auch nicht. Bei einem Preis von $50 für ein pound Yellocake (U3 O8), entsprechend $130 pro kg Uran, ergibt das Kosten von $0.0025 pro kWhel bei einem Leichtwasserreaktor. Dies macht lediglich einen Anteil von 5% an den Strom-Gestehungskosten aus. Selbst bei einem TWR ohne Wiederaufbereitung können etwa 50% des abgereicherten Urans genutzt werden. Daraus folgt eine rund 50fache bessere Ausnutzung des Natururans. Der Urananteil sinkt auf vernachlässigbare $0,00005 pro kWhel .

Jetzt zu den Beständen: In 2009 gab es bereits 1 500 000 to abgereichertes Uran und 270 000 to abgebrannter Brennelemente. Bisher „Atommüll“, aber in schnellen Reaktoren nutzbar. Allein im Meer sind 4 Milliarden to Uran gelöst (3,3 Mikrogramm pro Liter). Praktisch eine unerschöpfliche Quelle, da allein die Flüsse über 10 000 to Uran jährlich in die Meere spülen, wiederum gespeist aus der Verwitterung der Erdkruste. Unter Einbeziehung einer Wiederaufbereitung reichen die Vorkommen für mehr als eine Milliarde Jahre, um den gesamten Energiebedarf der heutigen Menschheit zu liefern. Ist das nachhaltig genug? Von Thorium ist bisher noch keine Rede gewesen. Die Sonne brennt auch nur noch 10 Milliarden Jahre, hat aber bereits in ca. 5 Milliarden Jahren die Erde verbrannt.

Der Natrium-Reaktor

Der TWR mutet als ein etwas theoretisches Konzept an, war aber ausreichend genug, um die chinesische Regierung darauf anspringen zu lassen. Im Jahr 2015 unterzeichnete TerraPower mit China National Nuclear Corporation einen Vertrag über den Bau eines TWR als Versuchsanlage nördlich von Peking. Ein genialer Schachzug. Im Jahr 2019 wurde der Vertrag auf Druck der US-Regierung wegen des Diebstahls geistigen Eigentums wieder aufgelöst. Allerdings war nun die US-Regierung unter Zugzwang, zumal TerraPower bereits eine halbe Milliarde in die Entwicklung investiert hatte.

Der Natrium-Reaktor unterscheidet sich von üblichen schnellen Brütern durch einen zusätzlichen Kreislauf aus Solarsalz (Natriumnitrat etc.). Das hat einen sicherheitstechnischen und betriebstechnischen Vorteil: Die Brennstäbe werden durch Natrium gekühlt, das dabei kurzzeitig radioaktiv wird. Noch im Reaktorbehälter befinden sich Wärmeübertrager, die die Energie an einen sekundären Natriumkreislauf übertragen, der nicht mehr radioaktiv ist. Beide Kreisläufe sind nahezu drucklos. Bei einem konventionellen Brüter wird nun die Energie im Dampferzeuger an den unter hohem Druck stehenden Dampfkreislauf übertragen. Durch den hohen Druck kann bei einem Schaden das Wasser in den Natriumkreislauf eindringen und heftig mit dem Natrium reagieren. Beim Natrium-Reaktor gibt der sekundäre Natriumkreislauf seine Energie an einen ebenfalls drucklosen Kreislauf aus Salzschmelze ab. Damit hat man eine klare sicherheitstechnische Schnittstelle: Ab dem Solarsalz ist alles konventionelle Kraftwerkstechnik. Ein entscheidender Kostenfaktor. Der nukleare Teil – mit all seinen Genehmigungs- und Überwachungsanforderungen – ist bei so einem SMR nur klein. TerraPower geht z. B. für seinen Reaktor mit 80% weniger „nuklearem Beton“ aus.

Ein weiterer Grund ist das geplante Eindringen in den Markt für Solarkraftwerke. Schon heute haben die Solarkraftwerke, z. B. in Kalifornien, ernsthafte wirtschaftliche Schwierigkeiten. Da für alle der Sonnenstand gleich ist, produzieren alle zur Mittagszeit den meisten Strom und des Nachts gar nichts. Dies führt zu entsprechend geringen Preisen bei der Netzeinspeisung. Derzeitiger Trend ist daher die Installation von Batteriespeichern, um wenigstens eine Zeitverschiebung von etwa zwei Stunden – weg von der maximalen Produktion, hin zu der Spitzen-Nachfrage im Netz („duck curve“) – zu erzielen. Mehr ist mit Batterien kaum sinnvoll. Hier setzt TerraPower an: Der Natrium-Reaktor soll eine Nennleistung von 345 MWel haben. Er kann aber auch bis auf etwa 240 MWel (z. B. in Schwachlastzeiten in der Nacht) zurück genommen werden, indem er die Wärme teilweise in den Salzspeicher einlagert. In den Zeiten hoher Preise an der Strombörse, kann er für etwa 5 1/2 Stunden die Leistung auf 500 MWel durch zusätzliche Entnahme aus dem Speicher steigern (Hinweis für Connaisseure: Eine Dampfturbine läßt sich im Bereich von 50% bis 100% nahezu ohne Einbußen beim Wirkungsgrad betreiben.).

Wer steht hinter dem Natrium-Reaktor?

Nachdem das China-Abenteuer beendet war, sind GE Hitachi Nuclear Energy und Bechtel massiv in das Projekt eingestiegen. Alle drei zusammen haben sich gemeinsam für das Advanced Reactor Demonstration Program (ARDP) beworben. TerraPower ist der „Erfinder“, GE Hitachi hat Jahrzehnte Erfahrung mit natriumgekühlten schnellen Reaktoren (z. B. PRISM) und Bechtel ist ein erfahrener „Erbauer“ zahlreicher Kernkraftwerke – nicht zuletzt stehen Milliarden Kapital und zehntausende Fachkräfte dahinter. TerraPower und GE Hitachi sind auch mit dem Idaho National Laboratory wegen des Neubaus des „Versatile Test Reactor“ eng verbunden.

Beim Kühlmittel Natrium bietet sich die Verwendung einer metallischen Uran-Zirkon-Legierung für die Brennstäbe an. Anders als bei Leichtwasserreaktoren, die Uranoxid verwenden. Außerdem erfordert die Erstausstattung eine Anreicherung von bis zu 20% U235 in der Spaltzone („Zündung“). Dafür lassen sich diese Brennstäbe später besonders elegant durch Aufschmelzen (Abscheidung aller leicht flüchtigen Spaltprodukte) und elektro-chemische Verfahren reinigen. Man erhält ein Uran-Plutonium-Gemisch, das zu neuen Brennstäben verarbeitet werden kann. Darüberhinaus sind die Plutonium-Isotopen, wegen der langen Verweilzeit im Reaktor, ohnehin völlig ungeeignet zur Waffenproduktion (Proliferation). Fürs erste hat man sich mit Centrus Energy für die Brennstoffentwicklung zusammen getan. Centrus verfügt in seinem Werk in Piketon, Ohio bereits über AC-100M Zentrifugen, die für das Department of Energy (DOE) HALEU (High Assay Low Enriched Uranium) produzieren.

Bereits als potentielle Kunden und Betreiber sind die Versorger PacifiCorp, (eine Tochter des legendären Investors Warren Buffett’s mit seinem Berkshire Hathaway Fond; Großinvestor in Sonnenenergie), Energy Northwest und Duke Energy als Stromversorger mit an Bord.

Kemmerer, Wyoming: Kohle zu Kernkraft

Kemmerer ist eine Kleinstadt, etwa 100 km nordöstlich von Salt Lake City. Das dortige Kohlekraftwerk Naughton (3 Blöcke, 823 MWel) soll 2025 stillgelegt werden. Aus vier Standorten wurde dieses Kraftwerk für den ersten Natrium-Reaktor ausgewählt. Die vorhandene Infrastruktur (Hochspannungsnetz, Kühlwasser etc.) kann weiter genutzt werden. Ferner beabsichtigt man das Betriebspersonal nach erfolgter Umschulung weiter zu beschäftigen. Für den Bau werden etwa 2000 Menschen benötigt, später etwa 250 Dauerarbeitsplätze im Kernkraftwerk geschaffen. Es ist also nicht verwunderlich, daß TerraPower mit offenen Armen empfangen wurde. Wyoming produziert rund 40% der Kohle in den USA, aber die Förderung ist in 2020 um 1/3 gegenüber 2018 eingebrochen.

Man meint es immer noch sehr ernst mit der Weiterentwicklung der Kerntechnik in den USA. Es gibt kaum einen Unterschied zwischen Trump und Biden. Im Oktober 2020 wählte das DOE zwei Typen (Natrium und Xe-100) für sein Advanced Reactor Demonstration Program (ARDP) aus. Diese beiden bekommen jeweils etwa die Hälfte der Baukosten als Fördermittel für ihren ersten Reaktor im kommerziellen Betrieb. Der Pferdefuß dabei ist, sie müssen innerhalb von fünf bis sieben Jahren am Netz sein – von der Konstruktion über das Genehmigungsverfahren bis zur Montage. Ein enormer wirtschaftlicher Druck, für ein Projekt mit geschätzt über fünf Milliarden Kosten. TerraPower hat im März 2021 den Vertrag mit Fertigstellungstermin 2028 unterschrieben. TerraPower erwartet die Baugenehmigung 2023 und die Betriebsgenehmigung 2026.

Der Bundesstaat Wyoming hat ein Gesetz erlassen (House Enrolled Act 60), das es erlaubt Kohle- und Erdgaskraftwerke durch SMR mit gleicher Leistung zu ersetzen. Es ist bereits die Stilllegung der PacifiCorp Kraftwerke: Dave Johnston (922 MWel), Jim Bridger (2442 MWel), Naughton (832 MWel) und Wyodak (402 MWel) beschlossen.

Generation IV aus Kanada

Das kanadische Unternehmen Terrestrial Energy Inc plant den Bau eines Small Modular Reactor (SMR) auf dem Gelände des bestehenden Kernkraftwerks Darlington.

Der Reaktor

Der IMSR400 ist ein Reaktor mit einer thermischen Leistung von 400 MWth. Bei reiner Stromerzeugung kann er damit etwa 195 MWel liefern. Brennstoff und Kühlmittel sind Fluoride (Salzschmelze) mit und ohne Uran. Das „I“ bedeutet, daß sich alle wesentlichen Komponenten (Salzschmelze, Pumpen, Regelstäbe, Wärmeübertrager etc.) in einem hermetisch verschlossenen Behälter befinden. Dieser hat ungefähr eine Höhe von 7m und einen Durchmesser von 3,6m. Er kann relativ dünnwandig sein, da er nahezu drucklos ist. Die komplette Einheit soll in einer Fabrik vorgefertigt werden und verbleibt sieben Jahre im Kraftwerk in Betrieb. Dieser „Topf“ wird in einen weiteren Behälter im Kraftwerk gestellt, der die Funktion eines Containment übernimmt. Zwei dieser Behälter befinden sich in einem unterirdischen Silo. Nach sieben Betriebsjahren – wenn der Brennstoff erschöpft ist – wird der Reaktor auf den zweiten frischen Reaktor umgeschaltet. Der erste verbleibt im Silo, bis die Strahlung entsprechend abgeklungen ist. Dann wird die radioaktive Schmelze abgepumpt und der entleerte Reaktorbehälter in ein Zwischenlager auf dem Kraftwerksgelände abgestellt. Während des siebenjährigen Betriebs wird – im Gegensatz zu heutigen Leichtwasserreaktoren – der Reaktorbehälter nicht geöffnet.

Der Reaktor ist selbstregelnd. Steigt die Temperatur an, erlischt die Kernspaltung (negativer Temperaturkoeffizient) selbsttätig. Über die eingebauten Umwälzpumpen kann die Leistung – wie bei einem Siedewasserreaktor – sehr schnell verändert werden. Wird mehr Salzschmelze durch den Graphit-Moderator gepumpt, wird entsprechend mehr Uran (Anreicherung <5%) gespalten und die Leistung steigt. Soll der Reaktor dauerhaft abgeschaltet werden, fahren Regelstäbe in den Moderator ein. Vor einer unbeabsichtigten Leistungsexkursion schützen Kapseln mit löslichen Neutronenabsorbern, die beim Schmelzen in die Salzschmelze frei gesetzt werden.

Die Nachzerfallswärme wird über den Reaktorbehälter und das „Containment“ passiv an die Umgebungsluft abgeführt. Der Reaktor wäre damit „walk away“ sicher. Der Reaktor besteht wärmetechnisch aus drei Kreisläufen: Die im Brennstoff entstandene Energie wird durch Wärmeübertrager an einen sekundären Kreislauf aus gleichem Salz, aber ohne Uran und Spaltprodukte abgegeben. Dieser überträgt die Energie an einen tertiären Kreislauf aus „Solarsalz“ außerhalb des Reaktors. Diese etwas umständlich anmutende Anordnung garantiert, daß nur nicht radioaktive Salzschmelze den Reaktorbereich verläßt. Diese heiße Schmelze kann gespeichert werden, unmittelbar zur Dampferzeugung (konventionelle Anlagentechnik) verwendet oder als Fernwärme industriellen Prozessen zugeführt werden. Damit ergibt sich eine bisher nicht gekannte Flexibilität. Der Reaktor kann stets mit voller Leistung laufen (optimale Kosten) und die erzeugte Wärme den Anforderungen entsprechend aufgeteilt werden. Dies ermöglicht völlig neue Konzepte mit Wind- und Sonnenenergie. Ein ähnlicher Ansatz wurde bereits bei Solar-Turm-Kraftwerken probiert (daher der Name Solarsalz). Man kann das heiße Solarsalz (etwa 600°C) direkt einem Dampferzeuger zuführen oder in isolierten Tanks lagern. Wenn keine Sonne scheint, wird die gespeicherte Energie über einen konventionellen Dampfkreislauf zur Stromproduktion genutzt. Neben einer industriellen Nutzung (Heizwärme hoher Temperatur) zielt dieses Reaktorkonzept darauf ab, die immer größer werdenden Mengen an „Flatterstrom“ (Photovoltaik und Windmühlen) doch noch einer sinnvollen Verwendung zu führen zu können. Es ist daher kein Zufall, daß gerade die Großinvestoren (z. B. Berkshire Hathaway), die Milliarden Subventionen für „Erneuerbare“ abgegriffen haben, brennend an solchen Reaktorkonzepten interessiert sind, um ihre „gestrandeten Investitionen“ wieder flott zu machen. Sind die Subventionen abgelaufen, kann nur noch der Börsenpreis erzielt werden. Wie wir bereits in Deutschland sehen, reicht dieser aber meist nicht aus, um die Anlagen wirtschaftlich weiter zu betreiben. Die Sonne schickt zwar keine Rechnung, aber sie gibt auch kein Geld für die Betriebskosten.

Der Standort Darlington

Darlington liegt im Südosten von Kanada, nahe der Grenze mit den USA. Das Kernkraftwerk Darlington ging 1992–1993 in Betrieb und besteht aus vier Schwerwasser-Reaktoren vom Typ CANDU 850 mit je 878 MWel Nettoleistung. Eine hervorragende kerntechnische Infrastruktur ist also vorhanden. Die kanadische Regierung beschloss deshalb auf dem Gelände den ersten SMR in Kanada bauen zu lassen. Eine Genehmigung für den Standort (Umweltschutz etc.) liegt bereits vor. Es stehen drei Reaktortypen zur Auswahl: GE Hitachi’s BWRX-300 (Siedewasserreaktor), X-energy’s Xe-100 (Helium- Hochtemperaturreaktor) und der IMSR400 (Salzschmelze). Beste Aussichten haben wahrscheinlich zwei IMSR400 (Zwillingsanlage) mit zusammen 380 MWel, da sie eine rein kanadische Entwicklung sind. Kanada hofft auf bessere Exportmöglichkeiten, wenn alle Rechte kanadisch sind. Der Weltmarkt für den Ersatz alter Kohlekraftwerke in dieser Leistungsklasse ist riesig. Kanada hat traditionell Exporterfolge in Ländern, die nicht so gut mit den USA standen und gegenüber russischer Technik abgeneigt waren. Nur kauft heute kein Land mehr einen Papier-Reaktor. Es müssen Referenzkraftwerke vorgezeigt werden. Gleichwohl verzichtet die CNSC (Canadian Nuclear Safety Commission) nicht auf die jahrzehntelangen Erfahrungen in den USA und kooperiert mit der NRC (Nuclear Regulatory Commission) seit 2019 in einem gemeinsamen Zulassungsverfahren. Der IMSR (Integral Molten Salt Reactor) ist damit der erste unkonventionelle Reaktor, der gleichzeitig gemeinsam untersucht wird.

Kerntechnik heute

Kerntechnik ist heute mehr denn je ein internationales Geschäft. Je früher man zusammen arbeitet, umso leichter geht später der Verkauf und Bau in unterschiedlichen Ländern und Kulturen. Ebenso läßt sich der enorme Kapitalbedarf besser schultern. Außerdem sind Unternehmen der Kerntechnik ausnahmslos Spezialisten mit jahrzehntelanger Erfahrung und Know How. Für „Newcommer“ ist der Einstieg in diese Welt mit ihrer ausgeprägten Sicherheitskultur nur schwer möglich.

So entwickelt Terrestrial den Graphitmoderator zusammen mit Frazer-Nash, einem britisch-australischen Ingenieurunternehmen. Frazer-Nash bringt die praktischen Erfahrungen aus mehreren Jahrzehnten mit den 14 AGRs (Advanced Gas-cooled Reactors) in GB ein. Getestet wird das Reaktorgraphit seit 2020 von der niederländischen NRG (Nuclear Research and Consultancy Group) in deren Hoch-Fluss-Reaktor in Petten.

L3Harris liefert einen Simulator für den IMSR. Er dient nicht nur für die Ausbildung der zukünftigen Betriebsmannschaft (Orchid), sondern unterstützt schon die Entwickler mit der Simulations-Software MAPPS (hoch auflösende Simulation und Visualisierung aller Komponenten). L3Harris ist ein US-Unternehmen, der Simulator wird aber in Kanada entwickelt und gebaut.

Terrestrial Energy hat das kanadische Ingenieurunternehmen Hatch (9000 Mitarbeiter) mit der Planung, Ausschreibung, Bauplanung und der Kostenschätzung beauftragt. Hatch hat bereits eine Studie über den volkswirtschaftlichen Nutzen des Projekts veröffentlicht. BWXT Canada wurde mit der Planung des Dampfkreislaufs beauftragt. Der Entwicklung des Dampferzeugers (Solarsalz / Wasser) kommt dabei eine zentrale Bedeutung für das Projekt zu. Für den späteren Betrieb wurde Ontario Power als lokaler Versorger einbezogen. Selbst mit dem deutschen Pumpenhersteller KSB sollen Pumpen für den Primärkreislauf (Salzschmelze mit Uran) des IMSR entwickelt werden.

Durch die frühe Einbeziehung von Spezialisten als Partnerunternehmen für bestimmte Baugruppen, kann nicht nur die Entwicklungszeit, sondern insbesondere auch das Genehmigungsverfahren beschleunigt werden.

Brennstoff

Insbesondere für einen etwaigen Export müssen komplett neue Safeguards (Maßnahmen zur Überwachung von Nuklearmaterial) für diese Uran-Salze entwickelt werden. Dies geschieht in enger Zusammenarbeit mit dem CNL (Canadian Nuclear Laboratories) und der IAEA (International Atomic Energy Agency).

Für Brennstoffe in der Form von Salzschmelzen muß ein kompletter neuer Brennstoffkreislauf aufgebaut werden. Um die Sache nicht noch komplizierter zu machen, beschränkt sich Terrestrial Energy auf Uran mit einer Anreicherung von unter 5% U235 – also Brennstoff, wie er heute weltweit in Leichtwasserreaktoren verwendet wird. Damit kann man alle Vorstufen (Urangewinnung, Konversion und Anreicherung) bis zur Herstellung von Brennelementen komplett übernehmen. Erst mit der Herstellung der Uransalze scheiden sich die Wege. Dabei darf man auch die aufwendigen Transportketten nicht außer Acht lassen. Es ist deshalb beim IMSR auch kein Wechsel der Brennelemente vorgesehen. Der komplette „Reaktor“ soll nach sieben Betriebsjahren komplett durch einen „frischen Reaktor“ ausgetauscht werden. Man muß also nach sieben Jahren keine abgebrannten Brennelemente, sondern die ganzen „Töpfe“ mit all ihren Einbauten als „Atommüll“ zwischenlagern. Dies geschieht wohlwissend anfangs durch stehen lassen im Silo. Wenn die Strahlung auf ein handhabbares Maß abgeklungen ist, werden die „Töpfe“ in ein Zwischenlager auf dem Kraftwerksgelände abgestellt. Eine Wiederaufbereitung des Brennstoffs und eine Dekontamination der alten Reaktoren ist bis auf weiteres nicht vorgesehen. Prinzipiell ist dies möglich, aber erst sinnvoll, wenn man eine größere Anzahl verbrauchter „Reaktoren“ hat.

Partner beim Aufbau einer kompletten Kette für die Brennstoffversorgung ist Centrus Energy. Darüberhinaus gibt es auch eine Zusammenarbeit mit dem Brennstoffkonzern Cameco (Uranförderung, Reinigung, Konversion, Brennelemente für CANDU-Reaktoren etc.). Cameco möchte in den Bereich SMR diversifizieren und zusammen mit Terrestrial den Weltmarkt bedienen. Parallel gibt es eine ähnliche Zusammenarbeit mit Orano und Westinghouse für den Brennstoffkreislauf. Ziel ist es von Anfang an mit einer möglichst breiten Zulieferindustrie zu starten, um potentiellen Kunden eine unabhängige Versorgung zu ermöglichen. Die Energieversorger sind es heute gewohnt, über Systemgrenzen hinweg, Brennelemente für ihre Leichtwasserreaktoren einkaufen zu können. Versorgungssicherheit ist stets ein Killerkriterium.

Auch treten die engen Bindungen zwischen Kanada und GB wieder hervor: Das NNL (UK National Nuclear Laboratory) übernimmt viel Entwicklungsarbeit für den Brennstoff. In Bezug auf die notwendigen Tests der Brennstoffsalze greift man auf die jahrzehntelange Erfahrung in den USA zurück. Das ANL (US Department of Energy’s Argonne National Laboratory) übernimmt eine zentrale Rolle. Dies ist insbesondere für den Bau eines IMSR in den USA von ausschlaggebender Bedeutung, da bei diesem Reaktor das Brennstoffsalz der Kernbereich eines Genehmigungsverfahrens sein dürfte.

Politik

Die kanadischen Regierungen (auf Bundes- und Landesebene) stehen voll hinter dem Projekt. Es wurde nicht nur der unmittelbare Sinn der Energiegewinnung, sondern auch der industriepolitische und volkswirtschaftliche Vorteil erkannt. Kanada will ein unabhängiges Industrieland bleiben. Kerntechnik ist eine Schlüsseltechnologie, die alle anderen „High Tech Bereiche“ (Werkstofftechnik, Automatisierung, Software, usw.) nutzt und vor sich her treibt. Sie schafft jede Menge hochqualifizierter und gut bezahlter Arbeitsplätze. Überall in der Welt liegt das Lohnniveau deutlich über dem Durchschnitt.

Kanada hat schon immer – anders als in Deutschland – auf eine große Zustimmung in der Bevölkerung geachtet. So ist es sicherlich kein Zufall, daß Terrestrial nicht nur ein Grundsatzabkommen mit der FNPA (First Nations Power Authority) abgeschlossen hat, sondern auch Mitglied geworden ist. Die FNPA ist die einzige gemeinnützige Organisation im vollständigen Besitz und unter der Kontrolle der Indianerstämme (First Nations) in Nordamerika. Längst haben die Ureinwohner erkannt, daß es wenig Sinn macht, sich nur mit ein paar Arbeitsplätzen in den Bergwerken auf ihren Gebieten abspeisen zu lassen. Sie wollen gezielt in die Stromproduktion investieren, um die Lebensumstände ihrer Stämme zu entwickeln und gut bezahlte Arbeitsplätze für ihre Kinder zu erschaffen. SMR bieten für sie eine völlig neue Chance.

Der kanadischen Regierung ist es ernst. So hat sie im Oktober Terrestrial einen Zuschuss von umgerechnet 14 Millionen Euro gegeben, damit sie über 200 zusätzliche Mitarbeiter einstellen können, die das Genehmigungsverfahren beschleunigen sollen. Dieser Betrag wird als Investition des nationalen Innovationsfonds verbucht. Es ist weiterhin Ziel, bis 2028 den ersten IMSR ans Netz zu bringen. Dabei sollte man beachten, daß die kanadische Regierung durchaus nicht alle Eier in einen Korb legt. Parallel wird an noch zwei ausgewählten SMR gearbeitet: Dem nicht so exotischen Xe-100 von X-energy’s, einem Helium-Hochtemperaturreaktor und dem nahezu baufertigen Siedewasserreaktor BWRX-300 von Hitachi. Darüberhinaus werden natürlich die CANDU-Reaktoren modernisiert und weiter entwickelt. Kanada setzt voll auf Kernkraft.

Kernenergie in Tschechien

Hin und wieder empfiehlt es sich, mal einen Blick auf seine „kleinen“ Nachbarn zu werfen. Dies gilt ganz besonders für die, die glauben immer voran gehen zu können – sonst könnten die irgendwann feststellen, daß sie ganz allein dastehen, umzingelt von Andersdenkenden. Tschechien war und ist Kohlenland. Zwar ist der Primärenergie-Anteil nach dem Zusammenbruch des Ostblocks schon deutlich geringer geworden (1990–63,2%, 2020–30,3%), aber immer noch sehr hoch. Im Ostblock war Tschechien sogar Nettoexporteur. Der Energieverbrauch an Kohle betrug 2019 rund 14 Mtoe (Millionen Tonnen Öläquivalent), von dem etwa 74% für Wärme und Stromerzeugung eingesetzt wurden. Der Anteil an Steinkohle an der inländischen Förderung ist nur noch gering und soll bis 2023 vollständig auslaufen. Bei Braunkohle sieht es noch anders aus: Die Jahresproduktion betrug 2020 über 31 Millionen Tonnen. Die laufenden Tagebaue verfügen noch über Reserven von knapp 600 Mto. Allerdings kommt der Bergbau auch in Tschechien an seine wirtschaftlichen Grenzen und die Kohleimporte nehmen stetig zu. Der Löwenanteil wird – wie in Deutschland auch – in elektrische Energie umgewandelt. Eine Besonderheit ist, daß jährlich 2 bis 3 Millionen Tonnen Braunkohle für die Gebäudeheizung verwendet werden – überwiegend in Fernwärmenetzen in den Städten – und nur in geringem Umfang als Brikett in ländlichen Regionen.

Der Druck aus Brüssel

Braunkohle ist ein heimischer Energieträger, der dem Staat sogar noch direkte Einnahmen über Royalties und indirekte über die Arbeitsplätze verschafft. Brüssel nimmt nun diese Industrie auf mehreren Wegen in die Zange:

  • Durch den Emissionshandel ETS verteuert sich der heimische Energieträger Braunkohle rapide gegenüber dem importierten Erdgas (aus Russland).
  • Die strengen Abgasvorschriften der EU für Kraftwerke zwingen Tschechien zu einem teueren Nachrüstungsprogramm oder sogar zur Schließung der Kraftwerke. So sollen bis 2023 knapp 1,6 GW Braunkohle-Kraftwerke vom Netz gehen. Das sind etwa 14% der Gesamtleistung. Konsequenz ist, daß der Kohlestrom schon 2025 nur noch 25% und ab 2030 wahrscheinlich nur noch 12,5% betragen soll. Eine enorme Bürde für ein so kleines Land mit seiner leidvollen Geschichte.

Die sozialen Verwerfungen der „Großen Transformation“ werden gewaltig sein. Wie weltfremd und absurd Brüssel dabei vorgeht, zeigt sich z. B. an den zu erwartenden Heizkostensteigerungen in den sozialen Brennpunkten der Großstädte: Man unterwirft die Heizkraftwerke der vollen ETS-Abgabe, während Individual-Heizungen davon befreit bleiben – wehe wenn Zentralismus und „Sozialpolitik“ aufeinander treffen. Die Zeche zahlen nicht nur die Mieter in den Plattenbausiedlungen, sondern letztlich auch noch die Natur, denn Kraft-Wärme-Kopplung ist einer der umweltfreundlichsten Formen der Heizung. Immerhin werden ungefähr die Hälfte der Bevölkerung durch Fernwärme versorgt.

Die Alternativen

Tschechien hat 10,7 Millionen Einwohner auf einer Fläche von 79 000 km2. 75% der Einwohner leben in Städten. „Bioenergie“ kann deshalb keine Alternative, bestenfalls eine Ergänzung sein. Offshore-Wind geht in einem Binnenstaat auch nicht. Mit Sonnenenergie ein Industrieland in solch nördlichen Breiten versorgen zu wollen ist absurd. Die totale Abhängigkeit von russischem Erdgas will auch keiner, die Verschandelung der Höhenzüge mit Windmühlen geht mangels Platz und fehlender Speicher auch nicht. Es bleibt also nur mit voller Kraft voraus ins Kernenergiezeitalter. Keine neue Erkenntnis, die Bevölkerung war und ist immer positiv gegenüber Kernkraftwerken eingestellt. Daran hat dort auch keine Flutwelle im fernen Japan etwas ändern können.

Dukovani und Temelin

Tschechien besitzt die Kernkraftwerke Dukovani (vier Blöcke mit zusammen 2040 MW) und Temelin (zwei Blöcke mit zusammen 2250 MW). Die Reaktoren in Dukovani (VVER-440/213) gingen zwischen 1985 und 1987 ans Netz. Die Reaktoren in Temelin (VVER-1000/320) wurden 2002 und 2003 – also erst nach dem Zusammenbruch des Ostblocks – fertiggestellt. Bemerkenswert ist die Kontinuität im Bau von Kernkraftwerken über alle System-Brüche hinweg. Alle Reaktoren sind noch sowjetische Konstruktionen. Sie wurden aber auf westliche Sicherheitsstandards nachgerüstet bzw. durch Westinghouse zu Ende gebaut. Verständlich, daß man sich nach dem „Prager Frühling“ gegenüber Russland etwas distanziert verhält. 2020 produzierten diese Kraftwerke etwa 37,5% der elektrischen Energie bzw. 19,5% der Primärenergie.

Bemerkenswert ist die Versorgung mit Fernwärme für zwei Nachbarstädte von Temelin. Der Ausbau für die 26 km entfernte Stadt České Budějovice (100 000 Einwohner) ist in Arbeit. Der Ausbau der Fernwärme um den Standort Dukovani in Planung (Brno mit 380 000 Einwohnern, 40 km entfernt). Ein so konsequentes Bekenntnis für Kernenergie zur Gebäudeheizung findet man sonst nirgendwo (noch nicht) in Europa.

Die tschechischen Kernkraftwerke wurden nicht nur sicherheitstechnisch auf internationalen Standard nachgerüstet, sondern auch beständig modernisiert. So wurde die Leistung des Kraftwerks Dukovani bis 2021 um 12% auf 2040 MWel gesteigert. Ein ähnliches Programm für Temelin läuft noch. Das alles ist möglich, weil Tschechien über eine bemerkenswerte Forschungs- (3 Forschungsreaktoren) und Ausbildungskapazität verfügt. Skoda war schon im Ostblock ein angesehener Lieferant für Kraftwerkskomponenten.

Neubauprogramm

In den letzten Jahrzehnten wurde immer wieder der Ausbau befürwortet und Angebote eingeholt. 2015 wurde im Rahmen eines Langzeitprogramms für die kerntechnische Industrie der Zubau von drei Reaktoren an den alten Standorten genehmigt. Priorität hat Dukovani 5 als Ersatz für die vorhandenen Blöcke nach (bisher geplant) 60 Jahren Betriebszeit. Geplant ist der Baubeginn für 2029 und die Fertigstellung 2036. Aufgerufen sind nur Modelle mit nachgewiesener Betriebserfahrung. Favorisiert werden der französische EPR, der koreanische APR1400 und der AP1000 aus den USA. Die endgültige Entscheidung wird für den Herbst 2021 – nach den Parlamentswahlen – erwartet.

Die neu gegründete Zweckgesellschaft Elektrárna Dukovany II geht von Baukosten von 6 bis 7 Milliarden USD aus (5000–5833 USD/kWe ohne Finanzierungskosten). Die tschechische Regierung beschloss 2020, daß 70% der Investitionskosten durch einen staatlichen Kredit finanziert werden, der während der Bauzeit zinslos ist und nach Inbetriebnahme mit 2% verzinst wird. Darüberhinaus verabschiedete 2020 die tschechische Regierung ein Gesetz, das es dem Staat erlaubt, ein festes Kontingent (>100 MWel) für mindestens 30 Jahre vom Erzeuger abzukaufen. Diese Energiemenge wird über den Großhandel verkauft. Etwaige Verluste oder Gewinne werden über den Einzelhandelspreis umgelegt. Bei Lichte betrachtet, entspricht dieser Ansatz einer öffentlichen Investition – z. B. für eine Autobahn, einen Kanal etc. – die zu einem Festpreis (das Risiko von Kostensteigerungen während der Bauzeit geht voll zu Lasten des Lieferanten) vergeben wird und die Nutzung (Preis der kWh) meistbietend versteigert wird. Dies ist eine besonders intelligente Lösung, wenn man bedenkt, daß Temelin z. B. nur 60 km von der deutschen und 50 km von der österreichischen Grenze entfernt ist. Diese beiden Länder können sich gern bei Dunkelflaute Strom in Tschechien (zu hohen Preisen wegen der Nachfrage) ersteigern, der „Profit“ kommt dann unmittelbar dem tschechischen Stromkunden zu gute. Energiepolitik einmal ohne Ideologie, dafür aber clever. Sie ist nicht gegen die eigene Bevölkerung gerichtet. Anders als z. B. in Deutschland, wo alle Risiken über das EEG von der Allgemeinheit (den Stromkunden) voll getragen werden müssen, die Gewinne aber ausschließlich garantiert in die Taschen der Sonnen- und Windbarone fließen.

Tschechien geht aber auch mit der Zeit. Frühzeitig wurden Kooperationen für Small Modular Reactors (SMR) mit GE Hitachi (300 MWel Siedewasserreaktor), NuScale (77 MWel Druckwasser-Module) und Rolls-Royce (477 MWel Leichtwasserreaktor) geschlossen. Kleine Reaktoren können für die Kraft-Wärme-Kopplung und die Industrie eine sinnvolle Ergänzung darstellen. Außerdem kann sich die heimische Industrie (Skoda) besser in die Lieferketten einbringen. Der Eigenanteil könnte wesentlich höher sein.

Konsequenzen für Deutschland

Man kann die Ausbaupläne mit einem lachenden und einem weinenden Auge betrachten. In Deutschland werden die Strom- und Heizkosten weiter explodieren – die momentanen Preissteigerungen bei Erdgas sind nur das Wetterleuchten. Wer auf Wind und Sonne zur Energieversorgung setzt, setzt in Wirklichkeit auf Erdgas, wenn er aus Kohle und Kernenergie aussteigt. Immer, wenn der Wind nicht weht oder die Sonne nicht scheint (ausgerechnet im Winter bis zu 16 h täglich) müssen die Erdgaskraftwerke ran. Wasserstoff aus der Nordsee oder Batterien sind in diesem Sinne reines Schlangenöl. Die Bayern können sich glücklich schätzen, wenn Tschechien vor ihrer Tür neue Kernkraftwerke baut. Teurer Strom ist immer noch besser, als gar kein Strom. Teuer wird er werden, denn der Preis richtet sich immer nach Angebot und Nachfrage, nicht nach den Produktionskosten. Warum sollte Tschechien auch Mitleid mit Deutschland haben? Der ein oder andere Deutsche kann vielleicht sogar als Gastarbeiter über die Grenze gehen, wenn er entsprechend qualifiziert ist. Glückliches Bayern, mit Rindviechern und Biobauern.

Kernenergie als Schiffsantrieb

Auch der Schiffsverkehr gerät neben Stromerzeugung und Autoindustrie unter gewaltigen Druck. So hat die IMO (United Nations International Maritime Organisation) bereits eine Verringerung der CO2-Emissionen um 50% bis 2050 (bezogen auf 2008) beschlossen. Das erfordert eine gewaltige Kraftanstrengung die unser aller Lebenshaltungskosten betrifft. Der Seehandel ist das Herz des Welthandels. Die Größe dieses „Industriezweigs“ ist der Öffentlichkeit meist gar nicht bewußt. Immerhin machen die Reedereien, Hafenbetriebe, Versorger, Werften etc. jährlich einen Umsatz von rund 7000 Milliarden US-Dollar – das ist fast das Doppelte des Bruttoinlandsprodukts von Deutschland. An einem solchen Wirtschaftsgiganten schraubt man nicht mal eben herum. Man vergleiche dies mal mit den Versuchen einer „Dekarbonisierung“ der Autoindustrie und der Stromversorgung in Deutschland. Trotzdem sind Schiffe schon heute ein sehr umweltfreundliches Verkehrsmittel. Sie haben einen Anteil am Welthandel von über 90%, bei einem Anteil von nur etwa 3% an der „Luftverschmutzung“.

Situation heute

Dominierender Antrieb bei allen Frachtschiffen ist der Dieselmotor in all seinen Varianten. Er zeichnet sich durch einen geringen Verbrauch (Wirkungsgrad bis über 50%) bei ausgesprochener Robustheit aus. So hat er auch die Dampfmaschinen bei großen Schiffen abgelöst und ist deshalb selbst im Marineschiffbau eine Ergänzung zur Gasturbine. Er konnte bisher auch – wenn auch zu erhöhten Kosten – alle Anforderungen an die Luftreinhaltung (Ruß, Stickoxide) erfüllen. Wegen seiner Robustheit war er wirtschaftlich konkurrenzlos. Bislang konnte er mit billigem Schweröl (ein anderes Wort für Raffinerierückstände) betrieben werden. Dies geschieht in vielen Gegenden noch immer – ob legal oder illegal. Ein großes Containerschiff verbraucht über 200 to Öl pro Tag. Das entspricht in etwa dem Tankinhalt von drei Mittelklassewagen pro Minute.

Will man nun dem Klimaschutz-Wahn folgen, müssen diese etwa 600 to CO2 pro Schiff und Tag mindestens um die Hälfte verringert werden. Ein schwieriges und extrem kostenträchtiges Unterfangen. Im Moment sind folgende Strategien in der Erprobung:

  • verflüssigtes Erdgas LNG (CH4), welches problemlos in konventionellen Schiffsdieseln mit verfeuert werden kann. Allerdings nehmen die Kryotanks einen erheblichen Raum ein, der als Frachtraum verloren geht. Dies ist deshalb nur eine Übergangslösung bzw. nur für die Küstenschifffahrt geeignet.
  • Methanol (CH3 OH), das wenigstens bei Umgebungsbedingungen flüssig ist und damit in den Brennstofftanks gelagert werden kann. Leider ist der Heizwert nur halb so hoch, wie der von Diesel. Deshalb auch weniger für lange Reisen geeignet.
  • Soll es CO2-frei sein, ist Ammoniak (NH3) im Gespräch. Es ist giftig, aber wenigstens bei moderaten Bedingungen (bei 20°C etwa 9 bar erforderlich oder drucklos bei -33°C) flüssig zu lagern. Allerdings ist auch sein Energiegehalt nur etwa halb so groß, wie der von Diesel. Dies bedeutet bei Langstrecken einen erheblichen Verlust an Laderaum.
  • Gänzlich ungeeignet ist der Wasserstoff als Treibstoff. Wegen seiner extrem niedrigen Temperaturen (-253°C) und seines geringen Energiegehaltes pro Volumen. Man kommt schnell in die Verlegenheit, einen Flüssiggastanker mit Containerstellplätzen zu entwerfen. Wasserstoff ist – wenn überhaupt – nur für die Küstenschifffahrt geeignet. Wahrscheinlich sogar – wegen des ungünstigen Zündverlaufs für einen Verbrennungsmotor – über den Umweg einer Brennstoffzelle als Elektroantrieb.

Außerdem sollte man neben den Kosten auch nicht die Gesamtbilanz der CO2-Freisetzung vernachlässigen. Alle CO2 freien oder armen Brennstoffe sind chemische Produkte, die mit großem Energieaufwand hergestellt werden müssen. Die Herstellung mittels Wind und Sonne ist eine eher romantische Vorstellung. Die CO2– Abscheidung und Endlagerung wiederum ist für alle „Ökos“ Teufelswerk. Auch wer diesen Weg einschlagen will, landet daher zwangsläufig bei der Kernenergie. Wird der Wasserstoff nicht über Kernenergie hergestellt und die enormen Energiemengen zur Synthese von NH3 (hoher Druck und hohe Temperaturen notwendig) nicht ebenfalls durch Kernenergie abgedeckt, wird die „Dekarbonisierung“ ein Rohrkrepierer: Es würde mehr CO2 freigesetzt, als bei der direkten Verfeuerung von Diesel. Noch absurder ist die Verwendung von Methanol, welches aus Fossiler-Energie (z. B. Erdgas) gewonnen werden muß. Auf Phantasmen, wie die Gewinnung von CO2 aus der Luft – welches wohl an anderer Stelle bei der Energiegewinnung in die Luft geblasen wurde (?) – braucht man gar nicht einzugehen.

Der Schritt zur Kernenergie

Auch bei Containerschiffen gilt eine Kostendegression mit der Größe. Vorläufig ist das Ende der Fahnenstange bei 24 000 TEU (Twenty-foot Equivalent Unit) erreicht. Interessant ist, daß nicht die Hafenwirtschaft, sondern der Antrieb die technische Grenze vorgibt. Diese Ultra Large Container Vessel (ULCV) haben etwa eine Länge von 400m, eine Breite von 61m bei einer Tragfähigkeit von 230000 tdw. Die Grenze bei Schiffsdieseln liegt heute bei über 80 MW (z. B. Emma-Maersk-Klasse mit 14 770 TEU, 14 Zylinder-Zweitakter, Höchstgeschwindigkeit 27 kn (50 km/h) dauerhaft). Containerschiffe müssen schnell sein, damit sie sich in die eingespielten Umlaufzeiten für die Perlenketten der Logistik-Branche einreihen können. Darin ist das Problem der erforderlichen Antriebsleistung begründet: Die Antriebsleistung steigt mit der 3. Potenz der Geschwindigkeit. Verdoppelt man die Geschwindigkeit, verkürzt sich zwar die Reisezeit auf die Hälfte, aber die erforderliche Antriebsleistung steigt um das Achtfache und der Energieverbrauch somit um das Vierfache. In der Tat hat der Zwang der hohen Treibstoffpreise zu längeren Umlaufzeiten geführt, was wiederum die Anzahl der notwendigen Containerschiffe erhöht hat. Selbstverständlich führt auch das zu höheren Frachtraten und damit zu steigenden Konsumentenpreisen.

Genau an dieser Stelle kommt die Kernenergie in die Sichtweise der Reeder: Die Investition für ein Schiff mit Kernreaktor dürfte wesentlich höher sein, als die für einem Dieselantrieb. Der Brennstoffverbrauch (Uran, Thorium) ist aber demgegenüber zu vernachlässigen. Plötzlich senkt die Geschwindigkeit auch noch die anteiligen Investitionskosten. Heutige Hüllen sind bereits für 30 kn (56 km/h) gut. Mit dieser Reisegeschwindigkeit verkürzt sich eine Pazifik-Überquerung von 12 Tagen auf etwa 7 Tage. Eine Rotterdam-Korea-Rundreise von heute etwa 80 bis 85 Tagen auf etwa 45 Tage. Würde man dann statt dessen den Umweg um Afrika nehmen, könnte man die 1,5 Millionen USD Transitgebühren für den Kanal von Suez plus einem notwenigen Tankstopp in Singapore sparen.

Der wahrscheinliche Weg

Kernenergie und Schiffe ist überhaupt nichts neues. Man denke nur an die unzähligen Atom-U-Boote und Flugzeugträger etc. Schließlich fing mit dem Bau der Nautilus die moderne Reaktortechnik an. Die kommerzielle Nutzung ist in USA, Deutschland und Japan allerdings kläglich gescheitert. Diese Schiffe waren mehr als Werbeträger, denn als Frachtschiffe gedacht – schön aber unbrauchbar. Eine Sonderstellung nehmen noch die erfolgreichen russischen Eisbrecher ein.

Für Containerschiffe müssen neue Reaktorkonzepte her. Sie müssen ihre gesamte Brennstoffladung (30 Jahre für 30 kn) von Anbeginn mit an Bord haben. Es ist kein Brennelementewechsel in „normalen“ Häfen möglich. Dafür gibt es eine Reihe von Gründen. So müßten solche Häfen und deren Länder alle Anforderungen an Nuklear-Staaten erfüllen. Wegen der Nutzungsdauer (2×25 Jahre) werden z. B. die Druckwasserreaktoren der US-Marine mit hoch angereichertem Uran betrieben. Mit solchem waffengrädigen Uran darf nur in den einschlägigen Marine-Werften in den USA umgegangen werden. Für Handelsschiffe wäre das aus Gründen der Proliferation ein Killerkriterium.

Im Moment werden Flüssigsalzreaktoren in der Fachpresse favorisiert. Es ist kein Zufall, daß auch in Dänemark – von dem in Deutschland immer gern das Bild eines Öko-Bullerbüs gezeichnet wird – gleich zwei Konsortien an der Entwicklung solcher Reaktoren arbeiten. Schiffsdiesel (MAN B&W Diesel) und Container-Reederei (Maersk) sind traditionelle Branchen in Dänemark, in denen die Dänen immer international in der Spitzenklasse vertreten waren und die Entwicklung maßgeblich mit vorangetrieben haben.

Der Schiffsantrieb mit Reaktoren hat noch einen Nebeneffekt. Schiffe brauchen auch im Hafen beträchtliche Mengen elektrischer Energie (Kühl-Container, Anlagentechnik usw.). Heute ist es daher üblich, zumindest Hilfsdiesel auch während der Liegezeiten weiter zu betreiben. Die Versorgung mit „Landstrom“ ist eine Totgeburt wegen der enormen Spitzenleistungen für den Hafen. Im Gegenteil könnten die Schiffe mit Reaktoren, umweltfreundlichen Strom während der Liegezeiten preiswert für die Häfen liefern.

Sicherheit

Reaktoren für Schiffe müssen inhärent sicher sein. Sie müssen einen wachfreien Betrieb ermöglichen und extrem wartungsarm sein. Auf Hoher See muß sich bei Störungen die Betriebsmannschaft mit Bordmitteln selber helfen. Es sind deshalb Seeleute mit speziellen Kenntnissen über Reaktortechnik auszubilden und entsprechende Überwachungsregime zu entwickeln. Zumindest in der Anfangszeit sollten nukleare Schiffe nur unter der Flagge von Staaten mit Kernenergie betrieben werden dürfen. Eine ausgiebige Fernüberwachung ist zu entwickeln und (international) zu praktizieren. Nur so kann den Seefahrern Hilfestellung geleistet werden und Vertrauen in der Öffentlichkeit erhalten werden.

Kernreaktoren können gut geschützt (Kollisionen) und gut abgeschirmt (Schutz der Besatzung vor Strahlung) im Innern von Schiffen eingebaut werden. Sie müssen selbst bei einem Untergang in einem gesicherten Zustand verbleiben. Mit heutigen Mitteln könnten sogar versunkene Reaktoren in der Tiefsee ferngesteuert geborgen werden. Entsprechende Konstruktionen (Haltepunkte) und Hilfsmittel (z. B. zur Fernortung) sind vorzusehen. Schiffsunglücke wird man nie ausschließen können. Wie allerdings die gesunkenen Atom-U-Boote zeigen, geht auch von untergegangenen Reaktoren nur eine sehr geringe Gefahr aus. Das Meer selbst ist eine sehr gute Abschirmung.

Versicherung und Klassifizierung

Gerade im Transportgewerbe ist die Versicherung von speziellen Risiken Alltagsgeschäft. Man ist gewohnt im Schadensfall mit außergewöhnlich hohen Summen umzugehen. So wurde z. B. für Tanker als Konsequenz des Exxon Valdez Unglücks in Alaska eine unbegrenzte Haftung eingeführt (Pollution Act of 1990, OPA90). Damit sich Versicherungen auf so etwas einlassen können, sind genaue Sicherheitsvorschriften und deren Überwachung erforderlich. Bei Schiffen sind hierfür die Klassifikationsgesellschaften maßgeblich. Sie erarbeiten Konstruktionsvorschriften, führen die Bauüberwachung durch und erstellen die Betriebsvorschriften. Ferner führen sie regelmäßig Wiederholungsprüfungen durch. Daneben führen die nationalen Küstenschützer bei jedem Einlaufen Kontrollen durch. So gilt die US-Coast-Guard beispielsweise als besonders pingelig und ist von vielen Seeleuten gefürchtet. Bei Verstößen drohen hohe Geldstrafen für die Reeder bis hin zu (oft praktizierten) Gefängnisstrafen für das verantwortliche Personal.

Der Stand der Dinge

Es geht bei diesem Thema wieder einmal nicht darum, was irgendwelche „Experten für alles und nichts“ in Deutschland glauben darüber zu wissen, sondern was der Rest der Welt denkt und will. Die Thematik der nuklearen Schiffsantriebe ist bei der UNO angesiedelt, bei der Deutschland ohnehin meist nur eine Statistenrolle einnimmt. Es gibt drei internationale Abkommen unter der Aufsicht der IMO: SOLAS (Safety of Life at Sea), MARPOL (Prevention of Polution from ships) und STCW (Standards of Training, Certifikation and Watch keeping of Seafarers). Bereits das Kapitel 8 der SOLAS bezieht sich auf Schiffe mit nuklearem Antrieb. Es wurde bereits 1981 einstimmig verabschiedet. Es ist allerdings sehr speziell für Druckwasserreaktoren geschrieben (Stand der Technik vor 40 Jahren). Die IMO arbeitet bereits daran, diese Regeln für „modernere“ Reaktoren zu erweitern. Noch älter ist die ≫Convention on the Liability of Operators of Nuclear Ships≪ aus dem Jahre 1962. Gleichwohl ist dies eine ausbaufähige Basis. Bis 2023 soll die Klassifikation für Containerschiffe mit Nuklearantrieb fertig sein. 2025 soll ein ≫proof-of-concept≪ für einen Flüssigsalzreaktor vorliegen. Ab 2024/25 soll die Arbeit bei der IMO mit dem Ziel eines ersten Schiffs um 2030 aufgenommen werden.

Aussicht auf Erfolg

Man arbeitet in verschiedenen Ländern an Flüssigsalzreaktoren (MSR). Bisher schien ein Eindringen in den Markt der Stromerzeugung eher unwahrscheinlich. Zu etabliert sind dort die Leichtwasserreaktoren. Hier liegt aber ein völlig neuer Markt im Zusammenhang mit Handelsschiffen vor. MSR scheinen für diese Anwendung entscheidende Vorteile zu besitzen. Der Markt wäre alles andere als klein. Die beständig wachsende Weltflotte besteht heute schon aus über 100 000 Schiffen über 100 to. Dabei sind die größten 7000 verantwortlich für 50% der Luftverschmutzung. Ein Schiffsreaktor wäre deshalb schlagartig ein Massenprodukt. Eine völlig neue Situation für die kerntechnische Industrie. Hält der Klima-Wahn an, wird kaum ein anderer Weg bleiben. Die Herstellung „CO2armer“ Kraftstoffe kann nur für kleinere Schiffe eine notwendige Krücke sein.

Reeder sind und waren sehr innovativ. Viele Reedereien sind immer noch Familienbetriebe. Dies ist ein nicht zu unterschätzender Vorteil gegenüber Staatsbetrieben oder Großkonzernen. Wenn man eigenes Geld einsetzt, ist man sehr erfolgsorientiert. Andererseits sind Großreedereien in der Lage, sehr schnell auch dreistellige Millionenbeträge zu mobilisieren. Risikokapital gibt es genug, es muß jedenfalls nicht zwingend in das x-te Startup für „Digitalisierung“ oder „Fahrradkuriere“ gepumpt werden.