Kernkraftzwerge

„Für die Industrie kann der Einsatz eigener kleiner Kernkraftwerke sinnvoll sein“, urteilt Horst-Michael Prasser, emeritierter Professor für Kernenergie an der ETH Zürich, „allein deshalb, weil Industriebetriebe eine unterbrechungsfreie Stromversorgung brauchen.“ Hinzu kommt, dass die Lieferkosten für elektrischen Strom niedrig sind, wenn die Distanz zwischen Kraftwerk und Konsument kurz ist. Besonders für ständige Verbraucher wie Industriefirmen sei Kernkraft daher grundsätzlich gut geeignet, sagt Prasser – idealerweise in Kombination mit erneuerbaren Energiequellen wie Sonne oder Wind für sporadische Verbraucher wie Privathaushalte.

Das Prinzip aller Minireaktoren ist dasselbe wie auch bei anderen Kernkraftanlagen: Die Spaltung von Atomkernen setzt Energie frei, die Wasser erhitzt und verdampft. Der Dampf treibt eine Turbine an und erzeugt so letztlich elektrischen Strom. Doch es gibt Dutzende verschiedene Designs, die sich nicht nur in ihrer Bauform, sondern vor allem durch die verwendeten Kühlmittel und Brennstoffe unterscheiden. Laut der Internationalen Atomenergie-Organisation IAEA gab es schon vor fünf Jahren 72 unterschiedliche Konstruktionsformen. Der Natrium-Reaktor von Wyoming ist eine davon.

Kühlung mit Natrium statt Wasser

Er gehört einer neuen, der vierten, Generation von Kernreaktoren an. Ein wesentlicher Unterschied zu anderen Konzepten ist, dass die Brennstäbe nicht mehr – wie bei früheren Generationen – in Wasser, sondern in flüssiges Natrium getaucht werden. Das hat gleich mehrere Vorteile: Zum einen siedet Natrium erst bei 883 Grad Celsius. Deshalb muss der Reaktorbehälter kaum Druck aushalten, anders als bei einem Druckwasserreaktor wie Isar 2. Das Metall ist zugleich weniger korrosiv als Wasser, was den Mantel des Reaktors zusätzlich schont.

Diese Eigenschaften erlauben es, den Reaktorkern bei größerer Hitze zu betreiben und diese Hitze auch leichter per Dampferzeuger auf die Turbine zu übertragen. Und Natrium hat noch einen wichtigen Vorteil gegenüber Wasser. Die Kettenreaktion besteht immer darin, dass Neutronen, die bei der Spaltung von Atomkernen entstehen, weitere Spaltungen auslösen. Wasser bremst die zunächst schnellen Neutronen im Reaktorkern ab, was günstig ist für eine selbsterhaltende Kettenreaktion. Die Abbremsung erfolgt, wenn Neutronen mit den Kernen im Wasser enthaltenen Wasserstoffs zusammenstoßen. Wie die weiße Kugel beim Billard werden sie dabei langsamer, die schwarze Kugel – der Wasserstoff-Atomkern – hingegen wird angeschubst. Natrium hat keine solche Bremswirkung, weswegen in darauf basierenden Reaktoren unzählige schnelle Neutronen herumschwirren.

Daraus ergeben sich deutliche Unterschiede bei der Verwertung des Brennstoffs, dem Uran. Natürliches Uranerz besteht aus zwei Isotopen: zu 99,3 Prozent aus Uran-238 und nur zu 0,7 Prozent aus U-235. Bloß das rare Uran-235 ist mit abgebremsten Neutronen leicht spaltbar. In den fertigen Brennstäben braucht nur wenig davon enthalten zu sein, was den Brennstoff für wassergekühlte Reaktoren preiswert macht. Es genügen etwa drei bis fünf Prozent Uran-235. Den Großteil des Brennmaterials macht also das Uran-238 aus. Es lässt sich von langsamen Neutronen nicht spalten, fängt aber Neutronen ein. Danach verwandelt es sich in sogenannte Transurane.

Vollständige Nutzbarkeit des Urans

Zu den Transuranen zählt Plutonium-239. Das lässt sich ebenso wie Uran-235 gut spalten. Je länger ein herkömmlicher, „langsamer“ Reaktor läuft, desto mehr Plutonium entsteht in den Brennstäben. Jeder Reaktor produziert also zusätzlichen Brennstoff selbst – jedoch immer viel weniger, als Uran-235 dabei verbraucht wird. Genau da setzen die neueren, schnelleren Reaktoren wie vom Typ „Natrium“ noch einen obendrauf: Bei einer Spaltung, die von schnellen Neutronen ausgelöst wird, entstehen mehr neue Neutronen, die dann auch mehr Uran-238 in Plutonium umwandeln können. So lässt sich im Prinzip alles vorhandene Uran zur Energieerzeugung nutzen – und nicht nur der kleine Anteil von Uran-235 wie in wassergekühlten Reaktoren.

Doch das Konzept hat einen Haken: Ohne Abbremsen der Neutronen ist es schwieriger, die Kettenreaktion aufrecht zu erhalten. Deshalb braucht es Brennelemente mit deutlich mehr Uran-235, sogenannte HALEU-Brennstäbe. Im Gegenzug erzeugt der Reaktor mehr neuen Spaltstoff, als er verbraucht, und er kann mit einer einzigen Beladung bis zu fünf Mal so lange laufen wie ein langsamer Reaktor. Insgesamt lässt sich so aus der gleichen Menge Uran bis zum Hundertfachen an Energie gewinnen.

Das Risiko einer Wasserstoff-Explosion

Spätestens hier drängt sich die Frage auf: Wenn Reaktoren mit Natrium und im Kleinformat so vorteilhaft sind, warum wurden sie nicht flächendeckend schon früher eingesetzt? Immerhin ist das Konzept seit den 1950er-Jahren bekannt. Ein wichtiger Grund ist die chemische Reaktion, wenn Natrium mit Wasser in Berührung kommt. Dabei bildet sich Wasserstoff – und der kann zu Explosionen führen. Tritt ein Leck auf, dann darf das nicht im Inneren des Reaktors passieren. Deshalb übertragen Natrium-Kernkraftwerke die Wärme nicht direkt an einen Wasserkreislauf, sondern an ein zweites Rohrleitungssystem, in dem sich ebenfalls Natrium befindet.

Sollte je ein Leck auftreten, käme also kein Natrium mit Wasser in Berührung. Der eigentliche Dampferzeuger liegt außerhalb, in einem speziellen Bunker. Über das zweite Rohrsystem läuft das heiße Natrium in diesen Bunker hinein und überträgt erst dort die Wärme an einen Wasserkreislauf. Ein mögliches Leck könnte daher allenfalls im Bunker eine Explosion auslösen und würde keine radioaktiven Stoffe freisetzen. Dieses System hat sich bereits in früheren Versuchskraftwerken bewährt.

Bei Bill Gates’ Natrium-Reaktor gehen die Entwickler noch einen Schritt weiter. Der Natrium-Kreislauf gibt seine Wärme an eine extern gelagerte Salzschmelze ab, die nicht chemisch mit dem Kühlmittel reagiert. Außerdem wird diese „Batterie“ gleich auch zum Speichern von Energie benutzt. Wenn etwa tagsüber reichlich die Sonne scheint und das zur Gewinnung von Solarstrom genutzt wird, kann die Anlage einen Teil der Reaktorwärme in der Salzschmelze zwischenspeichern. Nachts lässt sich dann mehr Nuklearstrom produzieren, als der Reaktor selbst liefern könnte. So ergänzen sich erneuerbare Energiequellen und Nuklearkraftwerke gut.

Der zweite Grund dafür, dass Natrium-Reaktoren bislang ein Schattendasein führten, ist ökonomischer Art. Viele Designs sind Neuentwicklungen, auch der Natrium-Reaktor. Für die Fertigung ihrer Bauteile müssen neue Fabriken errichtet werden, und weil Kraftwerke in dieser Form bislang nicht existieren, braucht es dafür erst einmal Lizenzen und Zulassungen. All das zieht die Bauzeit in die Länge. Viele SMR-Konzepte greifen deshalb auf die Technik herkömmlicher wassergekühlter Kernkraftwerke zurück. Sie sind gewissermaßen „Schrumpfversionen“ eines herkömmlichen Designs, versehen mit neuen Sicherheitselementen sowie dem Merkmal der Modularität. Auf diese Weise können sie schneller eine Zulassung erreichen und auch eher in Betrieb gehen.

Ein Beispiel dafür ist der „NuScale“-Reaktor, der mit Leichtwasser gekühlt wird. Acht Jahre lang hatte das US-Unternehmen am Design einer kleinen Kernkraftanlage im US-Bundesstaat Idaho getüftelt. Darin sollten sechs kleine Reaktorkapseln stecken, die parallel geschaltet 462 Megawatt generieren könnten. Die Konstruktion war von den Behörden bereits zugelassen, der Baubeginn für 2026 geplant. Das Energieministerium in Washington steckte 1,4 Milliarden Dollar Fördergeld in das Projekt. Doch Ende 2023 stiegen viele lokale Unterstützer aus, und das Projekt platzte. Der Grund: zu hohe Kosten wegen der gestiegenen Inflation.

„Darüber wurde zwar prominent berichtet“, sagt Joshua Schlegel, Kerntechnik-Professor an der Missouri State University in Springfield. „Doch daraus lässt sich nicht schließen, dass SMR unökonomisch sind.“ Schließlich seien im selben Zeitraum auch zwei große Windparks in den USA gescheitert, ebenfalls am Geld, betont Schlegel, der in einem Buchkapitel aktuelle SMR-Designs unter die Lupe genommen hat. Tatsächlich hat auch der schwedische Energieversorger Vattenfall den Bau eines großen Offshore-Windparks vor Großbritannien wegen stark gestiegener Kosten gestoppt.

Grundsätzlich gilt: Nuklearstrom kostet pro Megawattstunde deutlich mehr als Solar- oder Windstrom. Das liegt zu einem Großteil daran, dass die Kosten für Solarpaneele und Windkraftanlagen in den letzten zehn Jahren stark gesunken sind, während die für Nuklearenergie gestiegen sind. Eine finnische Studie hat die Gesamtkosten der G20-Staaten für Energie aus erneuerbaren, fossilen oder nuklearen Quellen von 2015 bis 2030 verglichen und hochgerechnet. Das eindeutige Fazit der Autoren lautet: Erneuerbare Energie wird bis 2030 deutlich günstiger sein als fossile oder Nuklearenergie.

In die Berechnung flossen die Kosten der Anlagen über ihre gesamte Lebensdauer ein, inklusive Bau sowie gegebenenfalls Brennstoff und Rückbau. Auch externe Kosten, etwa für die CO₂-Emissionen, bezieht die Studie mit ein. Andere Studien liefern ähnliche Ergebnisse, auch wenn sie nicht alle Kosten berücksichtigen. Warum also gibt es dennoch so viele neue Konzepte für Kernkraftwerke, wenn sich der Strom daraus nicht rechnet? Kerntechnik-Experte Schlegel sagt, die Kalkulationen seien zwar richtig, vernachlässigten aber wichtige Punkte.

Die Feinheiten beim Kostenvergleich

„Man darf nicht nur auf die Kosten je Megawattstunde schauen, sondern muss auch berücksichtigen, wie viele Anlagen zu bauen sind“, sagt der Forscher und nennt ein Beispiel: „Wird eine Leistung von einem Megawatt benötigt, sollte dafür ein Kernkraftwerk mit 1,1 Megawatt gebaut, also etwas mehr Leistung eingeplant werden. So lässt sich ein Ausfall beim Nachladen neuer Brennstäbe puffern.“ Bei der Stromgewinnung aus Wind seien zwar die Kosten pro Megawattstunde kleiner. Doch für jedes Megawatt an Windkraftleistung sei die vier- oder fünffache Menge an Anlagen zu bauen – weil eben nicht jeden Tag der Wind weht. Ähnlich ist es bei Solarstrom.

Günstige Wärme aus dem Reaktor

Man dürfe auch nicht vergessen, dass sich der Preis unterscheidet, je nachdem wer ein Kernkraftwerk nutzt, sagt Schlegel: „Viele Unternehmen brauchen Energie nicht in Form von elektrischem Strom, sondern als Wärme.“ Besonders die Pharma- und die Stahlindustrie schielen dabei auf Reaktorabwärme. Diese direkt zu nutzen, sei wesentlich günstiger, als zuerst aus Wärme elektrischen Strom und dann aus dem Strom wieder Wärme zu machen – so wie es viele Chemie- und Stahlwerke derzeit praktizieren. Der US-Chemiekonzern Dow Chemical hat daher einen eigenen SMR-Reaktor beauftragt, der ein Werk in Texas direkt mit Energie versorgen soll.

Die Nähe zum eigenen Minikraftwerk vor der Haustür spart zusätzlich Kosten für Transport und Lieferung des Stroms. Je nach Einsatzzweck können sich SMR also rentieren. Doch das hängt noch von weiteren Faktoren ab. Grundsätzlich gilt: Je mehr kleine Reaktoren desselben Typs vom Band laufen, desto eher schreiben Unternehmen, die sie nutzen, schwarze Zahlen. Laut einem Gutachten des Freiburger Öko-Instituts für das Bundesamt für die Sicherheit der nuklearen Entsorgung (BASE) über Small Nuclear Reactors könnte die magische Grenze bei bis zu 3.000 Exemplaren liegen.

Jirí Krepel, Forscher am Paul Scherrer Institut (PSI) im schweizerischen Villingen, warnt vor Schwarz-Weiß-Denken: „Es geht nicht um die Frage: großes Kraftwerk oder SMR, sondern darum, wie beide sich am besten gegenseitig ergänzen“, sagt der Experte für nukleare Brennstoffe. Das zeige sich am Beispiel des Energieversorgers CEZ in seiner Heimat Tschechien. CEZ werde noch zwei neue, große Kernreaktoren mit Druckwassertechnik bauen. „Doch zugleich sind neuartige, kleinere SMR in Zusammenarbeit mit dem Energietechnikunternehmen Rolls Royce geplant. Sie könnten künftig einige Kohlekraftwerke ersetzen und zudem Fernwärme liefern.“

Der Forscher selbst hat eine Solaranlage auf seinem Haus sowie einen großen Batteriespeicher. „Damit habe ich für bis zu acht Monate im Jahr Strom“, sagt Krepel. „Doch was ist in den anderen vier Monaten? Das zeigt das ganze Dilemma.“ Wind und Sonne könnten nicht die Versorgung aller Verbraucher und vor allem nicht jederzeit abdecken – auch, weil es noch an großen Batteriespeichern dafür fehle. Dann muss der elektrische Strom anderswo herkommen – aus der Verbrennung von Öl, Kohle oder Erdgas oder eben aus der Spaltung von Uran.

Bei den Treibhausgasemissionen ist Nuklearenergie vergleichbar mit der Windkraft und liegt sogar knapp vor Wasserkraft und Sonnenlicht. Das zeigt eine Übersichtsarbeit der italienischen nationalen Agentur für neue Technologien, Energie und nachhaltige wirtschaftliche Entwicklung (ENEA). Die Forscher resümieren nach der Analyse von 69 Studien, dass „sowohl erneuerbare als auch nukleare Energie dazu beitragen können, dass die EU ihr Netto-Null-Ziel bis 2050 erreicht“.

Die Zeichen stehen auf Renaissance

Welche Rolle SMR dabei spielen, wird sich wohl bis 2030 herauskristallisieren. Dann sollen die ersten Kraftwerke in den USA in Betrieb gehen, darunter auch Bill Gates’ Natrium in Wyoming. China und Russland sind schon weiter. Dort laufen bereits zwei SMR-Kraftwerke und füttern elektrischen Strom ins Netz. Mit Verspätung hat auch die EU eine Allianz aus Nuklearindustriepartnern gegründet, die im Oktober 2024 erste neun SMR-Projekte ausgewählt hat. Darunter ist auch eines von NuScale. Das Unternehmen ist zwar in Idaho gescheitert, hat aber nun einen neuen, größeren Vorschlag mit gleich zwölf Reaktoren gestrickt und dafür prompt eine Zulassung erhalten.

Es deutet also vieles darauf hin, dass Kernkraftwerke dank der neuen, modularen Bauweise eine kleine Renaissance erleben werden – als emissionsarme Ergänzung zur Nutzung von Windkraft und Sonnenlicht. ■

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