Mikroreaktoren – Stromversorgung für kleine Netze
Veröffentlicht am
2021-04-25
Von Rainer Klute
Von Martin Rosenkranz
Kernkraftwerke sind bislang nur eine Option, die es im XL-Format gibt – mit Gigawatt an Leistung und Terawattstunden an Strom pro Jahr. Kurz gesagt: riesige Mengen Strom für dicht besiedelte Gebiete. In der Entwicklung sind nun aber auch Mikroreaktoren. Sie sollen für kleine Netze eine hohe Energieverfügbarkeit über lange Zeiträume hinweg gewährleisten.
Kleine, autarke Stromnetze gib es vor allem in sehr dünn besiedelten Regionen wie zum Beispiel in arktischen Regionen oder auf Inseln. Als Bedarfsträger für Miniaturkernkraftwerke haben sowohl die USA als auch Kanada kleine, lokale Netze in abgelegenen Gebieten im Blick. Auch Minenunternehmen interessieren sich dafür.
Kleine Stromnetze versorgen sich heute mit Dieselgeneratoren
In Alaska leben weniger als 750.000 Menschen auf einer Fläche, die fast fünfmal so groß wie Deutschland ist. Dort zählt man über 250 isolierte lokale Netze. Die benötigte Leistung ist recht unterschiedlich, angefangen bei 100 Kilowatt (kW) bis herauf zu 385 Megawatt (MW). Die kleineren Netze stützen sich praktisch ganz auf Dieselgeneratoren ab, größere auf Kohle oder Gas.
Und Alaska ist geradezu dicht besiedelt im Vergleich zu den drei nördlichsten Territorien Kanadas. Dort leben auf 3,5 Mio. km² – drei Viertel der Fläche der Europäischen Union – nur 125.000 Menschen. Es gibt in diesen Gebieten über 200 solcher entlegener Stromnetze, die mit Dieselgeneratoren betrieben werden.
Beide Länder haben vitale wirtschaftliche Interessen in ihren nördlichen Territorien. Gefördert werden neben Öl und Gas auch seltene Erze.
Die Versorgung dieser abgelegenen Ortschaften und Anlagen mit Dieselkraftstoff ist ausgesprochen aufwendig und teuer, das Verbrennen des Diesels zur Stromerzeugung umweltschädlich. Mikroreaktoren, die jahrelang ohne Brennstoffwechsel auskommen, sind eine preiswerte und umweltfreundliche Alternative.
Erneuerbare Energien sind nur begrenzt tauglich
Mini- oder Mikronetze finden sich aber auch in anderen dünn besiedelten oder autarken Gebieten. Das kann eine Insel wie El Hierro mit rund 11.000 Einwohnern sein. Sie ist die kleinste der Kanarischen Inseln im Atlantik und gehört zu Spanien. El Hierro sollte zu einem Vorzeigeprojekt werden, das sich mit Hilfe von Windkraftanlagen und eines Pumpspeicherwerks komplett aus erneuerbaren Energien versorgt, wie 2014 etwa GEO oder Telepolis berichteten. In der Praxis muss aber oft genug das Dieselkraftwerk einspringen, weil kein Wind weht und das Speicherbecken leer ist. Statt auf 100 Prozent Erneuerbare kommt El Hierro nur auf rund 60 Prozent.
Schwimmendes Kernkraftwerk liefert Strom und Wärme
Auf einen deutlich besseren Wert kommt die russische Kleinstadt Pewek mit knapp über 4.000 Einwohnern jenseits des Polarkreises im nordöstlichen Sibirien, wo Solarenergie ohnehin keine Option ist. Pewek wird seit Mai 2020 CO₂-frei durch das schwimmende Kernkraftwerk »Akademik Lomonosow« versorgt. Die Anlage löst ein altes Kohlekraftwerk ab. Sie liefert 64 MW Strom und 300 MW Fernwärme. Auch die »Akademik Lomonosow« wird wegen des Nachladens von Brennelementen für die beiden KLT-40S-Druckwasserreaktoren und und Wartungsarbeiten keine 100 Prozent erreichen. Aber gut 90 Prozent Verfügbarkeit dürften machbar sein. Außerdem sind die Betriebsunterbrechungen anders als bei Windkraft sehr viel seltener und in der Regel gut planbar.
Mobile Mikroreaktoren für Katastrophenhilfe und Militär
Eine weitere interessante Einsatzmöglichkeit für Mikroreaktoren ist ihr Einsatz als rasch verfügbare Energiequelle zur Katastrophenhilfe. Dazu muss der Reaktor mobil sein, zum Beispiel per Hubschrauber eingeflogen werden können und innerhalb kurzer Zeit in Betrieb sein.
An mobilen Mikroreaktoren hat aber gerade auch das US-Militär Bedarf. Die US-Streitkräfte verbrauchen 30 Terawattstunden (TWh) Strom pro Jahr und täglich 38 Millionen Liter Treibstoff. Durch Mikroreaktoren will man an den jeweiligen Einsatzorten unabhängiger werden vom lokalen Stromnetz – sofern überhaupt vorhanden – als auch vom umfangreichen Dieselnachschub. Weniger Nachschub bedeutet auch weniger Gefahr für die Versorgungskonvois.
US-Militär lässt Mikroreaktoren entwickeln
Doch das US-Militär wartet nicht einfach nur ab, was wohl an Mikroreaktoren kommen könnte, sondern ist selbst einer ihrer Wegbereiter. Bereits in den 1950er und 1960er Jahren hatte die Armee eine kleine Anzahl solcher mobiler Reaktoren. Die Technik war aber seinerzeit zu komplex und kein Erfolg.
Auf Basis von Technologien, die für die 4. Generation von Kernreaktoren in Entwicklung stehen, initiierte das US-Militär das »Project Pele«. Im März 2020 wurden drei Aufträge im Rahmen eines zweijährigen Designwettbewerbs vergeben.
Die Reaktoren sollen über einen Zeitraum von mindestens 3 Jahren eine Leistung von 1–5 MW liefern können. Der Transport soll per Containerfracht auf der Straße oder auch per Bahn oder Flugzeug möglich sein. Für die Inbetriebnahme am Einsatzort sind maximal drei Tage, für den Abbau maximal sieben Tage veranschlagt.
Im Rahmen von »Project Pele« soll im März 2022 ein Sieger gekürt werden. Im Sommer 2022 soll der Bau eines Prototypen beginnen. Tests unter Volllast sollen bereits Ende 2023/Anfang 2024 in Idaho erfolgen.
Als Favoriten kristallisierten sich zuletzt die beiden Unternehmen BWXT Advanced Technologies und X-energy heraus. Im März 2021 erhielten beide vom US-Verteidigungsministerium den Auftrag, baufertige Pläne für Prototypen mobiler Kernkraftwerke auszuarbeiten.
Zivile Entwicklung von Mikroreaktoren in den USA
BWXT Advanced Technologies und X-energy sind nicht nur im militärischen Bereich aktiv, sondern auch bei der Entwicklung ziviler Mikroreaktoren. Im Rahmen der Reaktorgeneration 4 werden sie vom US-Energieministerium (Department of Energy, DOE) bei der Entwicklung von TRISO-Brennstoffen und Reaktoren gefördert. Mehr zu TRISO im Kasten »TRISO-Kernbrennstoff«.
Um die gesetzten Ziele für Mikroreaktoren zu erreichen, bedarf es anderer Technologien als derer, die von traditionellen Leichtwasserreaktoren her bekannt sind.
Vom Standpunkt der Sicherheit aus ist eine Auslegung nötig, die einen schweren Betriebsunfall faktisch ausschließt. Dies müssen die physikalischen Eigenschaften der eingesetzten Brennstoffe und der Anlagenbauteile gewährleisten. Außerdem will man die missbräuchliche Verwendung des spaltbaren Materials oder eine mutwillige Freisetzung von Strahlung möglichst erschweren.
Der Reaktor soll sich ohne permanente Betreuung selbst steuern – und das möglichst über Jahre. Die Nutzung soll grundsätzlich sowohl als Strom- wie auch als Wärmequelle möglich sein.
Das DOE lässt an diesen Technologien schon seit mehr als einem Jahrzehnt forschen. Neben bedeutenden universitären Einrichtungen wie dem bekannten Massachusetts Institute of Technology (MIT) spielen dabei auch die großen staatlichen Laboratorien Oak Ridge und Idaho sowie das Los Alamos National Laboratory, der Y-12 National Security Complex und die Nevada National Security Site (NNSS) eine entscheidende Rolle. Siehe dazu auch den Kasten »Testeinrichtungen in US-Laboratorien«.
Neben einer größeren Anzahl an Supercomputern, Testreaktoren und Laboren stehen in diesen Einrichtungen auch freie Containments aus älteren Experimenten zur Verfügung. Darin kann man Reaktor-Prototypen unter Volllast testen, ohne die Umwelt zu gefährden.
Genehmigungsrechtliche Grundlagen schaffen
Doch auch im Genehmigungsrecht mussten die USA erst einmal die rechtlichen Grundlagen schaffen, um Kernreaktoren der Generation 4 überhaupt zulassen zu können.
Bis vor wenigen Jahren waren der Entwicklung fortschrittlicher Kernkrafttechnik enge Rahmenbedingungen gesetzt. Verboten waren andere Moderatoren als Wasser oder auch die Uran-Anreicherung auf mehr als drei Prozent. Die USA waren faktisch gesetzlich auf den Leichtwasserreaktor festgelegt. Diese Schranken wurden durch neue Gesetze aufgehoben. Diese Gesetze wurden durch beide Fraktionen des Kongresses getragen.
Die Gesetzesinitiative begann 2018 mit dem »Nuclear Energy Innovation Capabilities Act« (NEICA). 2019 folgte der »Nuclear Energy Innovation and Modernization Act« (NEIMA) und 2020 schließlich der »Nuclear Energy Leadership Act« (NELA).
Heute sind in den USA auch Kernkraftwerkstypen zulässig, die beispielsweise mit Grafit moderieren oder mit Salz, Gas oder Metall kühlen. Zivil zugelassen werden können auch Reaktoren, deren Brennstoff mit knapp unter 20 Prozent Uran-235 angereichert ist (HALEU, High-Assay Low-Enriched Uranium).
Moderne Reaktortypen
Besonders interessant: Das Energieministerium wurde gesetzlich verpflichtet, einen modernen Forschungsreaktor zu errichten, den Versatile Test Reactor (VTR). Außerdem soll das DOE bis 2025 mindestens zwei fortschrittliche Reaktoren erproben und bis 2035 zwei bis fünf weitere.
Der Gesetzgeber forderte außerdem von Verteidigungs- und Heimatschutzministerium den Abschluss langfristiger Lieferverträge für Energie aus fortschrittlichen Reaktoren.
Im November 2019 beauftragte das DOE die Firma Centrus Energy damit, eine Demonstrationsanlage zur Produktion von HALEU-Brennstoff im American Centrifuge Plant in Piketon, Ohio, zu errichten. Dieser Vertrag über 115 Mio. US-Dollar läuft drei Jahre. Er umfasst Lizenzierung und Konstruktion von AC-100M-Zentrifugen, die Errichtung der Anlage und die Produktion von HALEU-Brennstoff.
Kernkraft im Weltraum
Auch die NASA hat ihr eigenes Mikroreaktorprogramm. Am 16. Dezember 2020 erließ der damalige US-Präsident Donald Trump die Space Policy Directive 6 (SPD-6), die nationale Strategie für Kernkraft und nukleare Antriebe im Weltraum. Auch solche Projekte laufen bei der NASA schon seit Jahrzehnten und nähern sich der Umsetzung. Im März 2018 wurde das »Kilopower Reactor Using Stirling Technology« (KRUSTY) Experiment abgeschlossen.
Die Notwendigkeit solcher Technologien ergibt sich bei der NASA aus dem erwarteten Energiebedarf für bemannte Langzeitmissionen auf Mond und Mars. Mit Solarpaneelen kann man weder die 14-tägige Mondnacht überbrücken, noch kann auf dem staubigen Mars das dort sehr viel schwächere Sonnenlicht genug Energie aufbringen.
Noch in den 2020er Jahren will die NASA einen Reaktorprototyp der 10-kW-Klasse auf dem Mond landen.
TRISO-Kernbrennstoff
Den eigentlichen TRISO-Brennstoff bilden winzige Kugeln aus Urandioxid. Das Uran ist zu annähernd 20 Prozent angereichert. Die Kügelchen haben einen Durchmesser von unter einem halben Millimeter. Sie sind umschlossen von mehreren Schichten unterschiedlicher Materialien. Jede hat eine spezifische Aufgabe.
Die erste Schicht ist eine poröse Karbonschicht. Sie schafft Platz für die Spaltprodukte, die bei der Kernspaltung entstehen, damit diese nicht den umgebenden Mantel sprengen. Umgeben ist diese Kugel von zwei Schichten pyrolytischem Kohlenstoff (PyC), das wiederum eine Schicht Siliciumcarbid umgibt. Das Resultat ist ein Kügelchen mit einem Durchmesser von 0,8 mm. Es ist sehr dicht, extrem druckfest und stabil selbst bei Temperaturen von bis zu 1.800 °C. Diese »Partikel« werden zu Zehntausenden entweder in Kugeln mit 6 cm Durchmesser aus Grafit eingebettet oder in Blöcke oder Pellets. Diese kommen dann in den Reaktor.
Erstmals vorgeschlagen wurde TRISO-Brennstoff – abgeleitet von »TRistructural-ISOtropic« – vom Chemiker D. T. Livey in den 1950er Jahren. Er arbeitete für das britische Kernforschungsinstitut Atomic Energy Research Establishment. Für dessen experimentellen, heliumgekühlten Hochtemperaturreaktor Dragon wurde ein keramischer Brennstoff ohne metallische Umhüllung benötigt.
Versuchsanlagen mit TRISO-Brennstoff
Hergestellt und getestet wurde TRISO-Brennstoff auch in Österreich. Dies geschah unter Beteiligung der Planseewerke und der SGAE, der Österreichischen Studiengesellschaft für Atomenergie Ges.m.b.H. Ab 1963 wurden TRISO-Partikel im ASTRA-Forschungsreaktor in Seibersdorf bei bis zu 1.750 °C erprobt. Ab 1965 kam TRISO dann als Brennstoff im Dragon erstmals zum Einsatz, eingebettet in prismatische Grafit-Blöcke.
Bis in die 1980er Jahre liefen weltweit fünf Versuchs- bzw. Prototypanlagen mit TRISO. Neben dem Dragon in England und zwei Anlagen in den USA liefen auch zwei in Deutschland: der AVR in Jülich und der THTR-300 in Hamm – alle ohne kommerziellen Erfolg.
1995 nahm sich China dieser Technologie an und startete im Jahr 2000 einen Testreaktors an der Universität Tsingua. 2012 begann man in Shidao Bay mit dem Bau des HTR-PM, eines Reaktorblocks mit zwei gasgekühlten Hochtemperaturreaktoren, die eine gemeinsame Turbine speisen. Die Beladung mit TRISO-Brennstoff begann im Januar 2021.
TRISO-Entwicklung in den USA
2004 nahmen sich in den USA das Oak Ridge National Laboratory und das Idaho National Laboratory des Auftrags des US-Energieministeriums an, die TRISO-Technik zu erforschen und zu verbessern. Diese Vorhaben sollen noch bis 2024 laufen.
Bisher wurden und werden insgesamt sieben verschiedenen Chargen von Kugeln untersucht, die in den Laboratorien selbst hergestellt oder durch die Industrie geliefert wurden. Charge 7 befindet sich seit 2018 im Reaktor.
Durchgeführt werden chemische Test zur Optimierung des Brennstoffs, physische und thermische Belastungstest, Bestrahlungen und Analysen des Abbrandverhaltens. Es wurden auch bewusst fehlerhafte Partikel produziert, um sowohl die automatisierten Qualitätskontrollen zu testen als auch die Folgen abschätzen zu können, falls hochradioaktive Spaltprodukte einzelne oder alle Schichten durchbrechen sollen. Zu Vergleichstests erhielten die US-Laboratorien übrigens auch Kugeln deutscher Produktion aus den 1980er Jahren. Diese schnitten bemerkenswert gut ab.
Die Resultate der Kugelserien 1 und 2 liegen bereits vor. Mit Resultaten für die Serien 3 und 4 wird 2023 gerechnet, für die Serien 5, 6 und 7 im Jahr 2025.
Testeinrichtungen in US-Laboratorien
MAGNET ist ein thermohydraulisches Testmodul, das das Verhalten und den Energieausstoß eines Mikroreaktors simuliert. Temperaturverteilung, thermische und physische Belastung, Lebensdauer der verwendeten Materialien sowie die Effektivität der Heatpipes und der Wärmetauscher lassen sich damit analysieren.
MAGNET steht im Energy Systems Lab des Idaho National Laboratory (INL) als Teil eines Mikronetzes, mit dem Echtzeitsimulationen durchgeführt werden, unter anderem für Thermospeicher, Wasserstoffelektrolyse, Stromspeicher, kabelloses Laden, Schnellladen von Elektroautos usw.
SPHERE (Single Primary Heat Extraction and Removal Emulator) dient der Erforschung und Verbesserung von Heatpipes bei Mikroreaktor-Anwendungen.
Mikroreaktor MARVEL soll neue Konzepte testen
Das INL wird darüber hinaus Ende 2022, Anfang 2023 einen kleinen natrium- und kaliumgekühlten thermischen Mikroreaktor namens MARVEL in Betrieb nehmen. Der Brennstoff ist HALEU aus Uran-Zirkonium-Hydrid. MARVEL hat 100 kW thermischer und 20 kW elektrischer Leistung via Stirling-Motoren. Die Kühlung des Testreaktors erfolgt mittels natürlicher Zirkulation bei Temperaturen von 500–550 °C. Die erwartete Lebensdauer des Kerns beträgt 2 Jahre. MARVEL wird es ermöglichen, die in MAGNET simulierten Abläufe durch einen echten Mikroreaktor zu verifizieren und neue Konzepte der automatischen Temperatursteuerung sowie alle Prozesse bis hin zur Energieerzeugung zu testen.
Um mit Mikroreaktorprototypen und -vorseriengeräten reale Volllasttests durchführen zu können, ohne die Umwelt zu gefährden, wurden beim Idaho National Laboratory zwei Containments aus älteren Forschungsprogrammen vorbereitet. Die Kuppeln des EBR-II und des Zero Power Physics Reactor wurden mit entsprechenden Zugängen und Einrichtungen wie zum Beispiel Kränen ausgestattet, um Prototypen in Schiffscontainergröße Platz zu bieten.
Titelbild: Mikroreaktor eVinci. Quelle: Westinghouse
Martin Rosenkranz (geboren 1968 in Wien) ist Journalist und Autodidakt für Luftfahrt-, Militär- und Technologiethemen. Er war Chefredakteur des Luftfahrtportals www.airpower.at, hat viele Jahre die Ausschreibung und Beschaffung der Eurofighter Typhoon sowie die Nachwehen journalistisch begleitet, militärische Verbände und Rüstungsunternehmen im In- und Ausland besucht und war bei Fachseminaren eingeladen.
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