Kernkraftwerke im Kleinformat: Was steckt hinter SMR-Reaktorkonzepten?

23.09.2019

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Wenn es um die Weiterentwicklung von Reaktorkonzepten geht, taucht immer wieder auch das Kürzel SMR auf. Dieser Beitrag erläutert, was sich hinter dem Begriff verbirgt, gibt einen Überblick über einige der bekanntesten Konzepte und stellt die Arbeiten der GRS zu diesem Thema vor.

Definitionen SMR

Für SMR sind in Fachkreisen zwei Definitionen gebräuchlich. So fasst die Internationale Atomenergie-Organisation (IAEO) unter dem Begriff Small and Medium Sized Reactors Reaktoren kleiner und mittlerer Größe zusammen. Als klein werden dabei Reaktoren mit einer Leistung bis zu 300 und als mittel solche mit Leistungen zwischen 300 bis 700 Megawatt elektrischer Leistung bezeichnet.

Die zweite Definition wurde ursprünglich in Nordamerika geprägt. Hier steht SMR für die Bezeichnung Small Modular Reactor. Die zugrundeliegende Definition greift im Vergleich zur jener der IAEO zusätzlich den modularen Charakter der Anlagen auf. Bei Konzepten dieser Art ist vorgesehen, dass die wesentlichen Komponenten eines Primärkreises alle in einem einzigen Modul enthalten sind. Dahinter steckt neben der Transportfähigkeit die Idee, alles zusammen in einer Fabrik herzustellen und die Arbeiten auf der Baustelle zu minimieren. Einzelne Module mit geringer Leistung können dann zu einem größeren Kraftwerk zusammengefasst werden.

Bisherige SMR-Konzepte

Abbildung 1: Aufnahme des "schwimmenden Kernkraftwerks" Akademik Lomonossow im Juni 2019 nach Abschluss der Lackierung. Auf dem Schiff befinden sich laut Herstellerangaben zwei Druckwasserreaktoren vom Typ KLT-40S mit je 35 Megawatt Leistung. Außerdem soll die Akademik Lomonossow 50 Gigakalorien Wärmeleistung pro Stunde auskoppeln können. (Bild: rosenergoatom.ru).Bisherige SMR-Konzepte lassen sich größtenteils unter der Definition der IAEO zusammenfassen. Dabei handelt es sich in der Regel um modifizierte Leichtwasserreaktoren. Sie werden vorwiegend zur Stromproduktion auf beengtem Raum eingesetzt, etwa in Eisbrechern, U-Booten oder auf Flugzeugträgern.

Ein Beispiel für einen leichtwassergekühlten SMR ist auch das schwimmende Kernkraftwerk Akademik Lomonossow. Der russische Energiekonzern Rosenergoatom plant, damit ab Ende 2019 die entlegene Stadt Pewek in Sibirien sowie Gas- und Ölbohrinseln vor der Küste mit Strom und Wärme zu versorgen.

Neuartige SMR-Konzepte

Unter dem Label SMR aber werden auch Reaktorkonzepte gefasst, bei denen neben der Stromproduktion und dem modularen Charakter der Bauteile für die Entwickler noch weitere Aspekte von Interesse sind. So werden einige der Konzepte aufgrund ihrer hohen Kernaustrittstemperaturen neben der Stromerzeugung auch für die Auskopplung von Prozessdampf oder Prozesswärme für industrielle Anwendungen vorgesehen. Auch die Nutzung von Transmutation zur Reduzierung radioaktiver Abfälle, die Erbrütung von Brennstoff oder die Verbrennung waffenfähigen Spaltmaterials werden als mögliche weitere Anwendungen bestimmter SMR-Konzepte diskutiert.

Zudem erhoffen sich die Hersteller auch wirtschaftliche Vorteile beim Einsatz von in Fabriken gefertigten SMR Modulen und führen hierfür insbesondere niedrigere Investitionskosten, kürzere Produktionszeiten und die Möglichkeit der Serienfertigung einzelner Module an. Auch werden Bau, Betrieb und Rückbau solcher Anlagen als weniger personalintensiv als bei herkömmlichen Kernkraftwerken eingeschätzt.

Abbildung 2: Ein großer Teil der neuartigen SMR-Konzepte basiert auf einem integralen Design, bei dem sich die Hauptkomponenten, wie der Reaktorkern, der Dampferzeuger und der Primärkreislauf, innerhalb des Reaktordruckbehälters befinden. Das US-Unternehmen NuScale plant mit seinem NuScale Power Module gebrauchsfertig lieferbare Reaktormodule mit einer Leistung von jeweils 60 Megawatt elektrisch (Quelle: wikimedia commons/NuScale).

SMR-Konzepte, deren Funktionsweise nicht auf dem Prinzip eines Leichtwasserreaktors beruhen, lassen sich anhand des eingesetzten Kühlmittels unterteilen:

1. Schwerwassermoderierte und -gekühlte SMR-Konzepte
Sogenanntes schweres Wasser enthält das Wasserstoffisotop Deuterium. Deuterium absorbiert weniger Neutronen als leichter Wasserstoff und ist somit ein effizienterer Moderator. Statt angereichertem Uran könnte daher in schwerwassermoderierten SMR auch Natururan als Brennstoff eingesetzt werden.

2. Gasgekühlte SMR-Konzepte
Gasgekühlte SMR-Konzepte setzen auf die Verwendung von Gasen, wie zum Beispiel Helium oder Kohlendioxid, als Kühlmittel. Sie erreichen im Vergleich zu anderen SMR-Typen wesentlich höhere Kühlmitteltemperaturen (bis zu 1.000 °C) und könnten daher zur Erzeugung von Prozesswärme in der chemischen oder petrochemischen Industrie eingesetzt werden. Niedertemperaturprozesse, zum Beispiel zur Fernwärmenutzung, könnten bei diesem Konzept nachgeschaltet werden.

3. Flüssigmetallgekühlte SMR-Konzepte
In SMR-Konzepten mit Flüssigmetallkühlung sollen als Kühlmittel Blei, Blei-Bismut sowie Natrium eingesetzt werden. Die Metalle zeichnen sich durch eine hohe Siedetemperatur und eine hohe Wärmekapazität. Als Brennstoff soll Uran in Verbindung mit Plutonium oder anderen Transuranen genutzt werden. Um zu verhindern, dass kontaminiertes Primärkühlmittel mit dem Wasser-Dampfkreislauf reagiert, sehen diese Konzepte meist einen Zwischenkreislauf vor. Die Kernaustrittstemperaturen sollen bei etwa 750 °C liegen. Dampf und Wärme ließen sich dann in einem Temperaturbereich von 500 °C bis 700 °C für weitere Zwecke auskoppeln.

4. Salzschmelzegekühlte SMR-Konzepte
Weitere SMR-Konzepte sehen schließlich Salzschmelzen sowohl als Kühlmittel wie auch als Träger des Brennstoffs vor. Man geht davon aus, dass die bisher erprobten Schmelzen bis zu Temperaturen von 1.400 °C stabil sind. Durch die Wärmetransporteigenschaften der Salzschmelzen sollen die Reaktoren bei gleicher Leistung im Vergleich zu gasgekühlten Reaktoren mit deutlich kleineren Abmessungen gebaut werden können. Die hohen Betriebstemperaturen sollen hohe Wirkungsgrade sowie die Wärmeauskopplung für industrielle Hochtemperaturprozesse ermöglichen. 

Neuartige SMR und Sicherheit

Entwickler sehen bei neuartigen SMR-Konzepten sicherheitstechnische Vorteile gegenüber großen Kernkraftwerken. Als maßgeblich dafür werden unter anderem auch deren passive Sicherheitsfunktionen aufgeführt, wie sie teilweise auch bei herkömmlichen Kernkraftwerken zum Einsatz kommen. Diese Systeme benötigen für ihre Aktivierung und zum Betrieb keine elektrische Energie, sondern werden beispielsweise durch Schwerkraft angetrieben. In bestimmten SMR sollen passive Sicherheitssysteme die automatische Abschaltung ermöglichen, ohne dass eine externe Stromversorgung oder menschliche Eingriffe erforderlich sind. Auch die Kühlung soll passiv durch Schwerkraft, Konvektion und Verdampfung und damit ohne die Verwendung von elektrisch betriebenen Pumpen zum Umwälzen der Kühlflüssigkeit möglich sein. Letzteres würde allerdings wiederum eine bestimmte Bauhöhe erfordern.   

Durch die Verwendung alternativer Kühlmittel und die Verwendung passiver Sicherheitssysteme können in einigen SMR-Konzepten bestimmte Störfallszenarien, die bei herkömmlichen Kernkraftwerken zu berücksichtigen sind, ausgeschlossen werden. Auch wird das Schadenspotenzial eines unterstellten schweren Unfalls gegenüber großen Kernkraftwerken insofern reduziert, als dass SMR mit deutlich geringeren Mengen an Kernbrennstoff ausgestattet sein sollen – entsprechend geringer ist die Menge an radioaktiven Stoffen, die bei einem Unfall in die Umgebung freigesetzt werden könnte. Diesen potenziellen Vorteilen stehen jedoch – je nach Konzept – neue sicherheitstechnische Herausforderungen gegenüber.

Bei dem Konzept eines natriumgekühlten SMR muss beispielsweise sichergestellt werden, dass das metallische Natrium nicht mit Sauerstoff in Kontakt kommt, da es sich leicht entzündet. Auch die stark korrosive Wirkung von Salzschmelzen stellt besondere Anforderungen an die Eigenschaften der Materialien, die etwa für den Bau der Kühlmittelleitungen verwendet werden sollen. Bei innovativen Konzepten ist schließlich auch die im Vergleich zu klassischen Leichtwasserreaktoren nur sehr geringe Betriebserfahrung zu berücksichtigen. Viele der sicherheitstechnischen Verbesserungen, die für Leichtwasserreaktoren entwickelt wurden, gehen auf die Auswertung von Ereignissen zurück. Entsprechende Erfahrungswerte liegen für eine Reihe der neuen SMR-Konzepte naturgemäß nicht vor.

Arbeiten der GRS zu SMR

Im Rahmen ihrer Forschungs- und Gutachtertätigkeit hat die GRS sich auf konzeptioneller Ebene mit der Sicherheit von SMR-Konzepten befasst. In einer durch das Bundeswirtschaftsministerium geförderten Studie wurde beispielsweise unter anderem der Forschungsbedarf für die Weiterentwicklung bestehender Simulationsprogramme untersucht, die für die Bewertung der Sicherheit von Kernkraftwerken eingesetzt werden.

Eine Bewertung der Sicherheit von SMR ist aus verschiedenen Gründen nur eingeschränkt möglich. Zwar lassen sich Aussagen darüber treffen, ob ein bestimmtes SMR-Konzept in seiner sicherheitstechnischen Auslegung plausibel ist und anerkannten Prinzipien entspricht. Alleine auf der Grundlage von Konzepten lassen sich allerdings keine belastbaren Aussagen darüber treffen, ob eine auf Grundlage des Konzepts errichtete Anlage im Sinne des heutigen Stands von Wissenschaft und Technik beziehungsweise nach dem jeweils anzuwendenden Regelwerk genehmigungsfähig wäre.

Derartige Bewertungen erfordern eine Vielzahl von Informationen, die alleine einem Konzept nicht zu entnehmen sind beziehungsweise noch nicht vorliegen. Dazu gehört in erster Linie die konkrete technische Umsetzung des Konzepts, beispielsweise die genaue technischen Beschaffenheit der sicherheitsrelevanten Komponenten und der verwendeten Werkstoffe. Maßgeblich für die Sicherheit einer kerntechnischen Anlage sind aber beispielsweise auch Eigenschaften des konkreten Standorts, etwa im Hinblick auf seismische Aktivität oder mögliche Überflutungen und Ähnliches.

Weitere Informationen

GRS-Bericht zur Untersuchung von SMR-Konzepten
IAEO-Veröffentlichung „Deployment Indicators for Small Modular Reactors“
IAEO-Veröffentlichung „Status of Small and Medium Sized Reactor designs“
Beitrag in der atw (Vol. 64 2019): SMRs – Overview on International Develompents and Safety Features