Small Modular Reactors (SMR): Kernkraftwerke im Kleinformat

Wenn es um Weiterentwicklungen in der Kerntechnik und um neue Reaktorkonzepte geht, taucht immer wieder 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.

Definition SMR

Nach der heute gängigen Definition steht die Abkürzung SMR für Small Modular Reactor, also kleine modulare Reaktoren. „Klein“ bezieht sich in diesem Zusammenhang üblicherweise auf eine elektrische Leistung von bis zu 300 Megawatt (MWe). Reaktoren mit einer Leistung von ca. 1 bis 10 MWe werden dabei auch als Mikroreaktoren (Microreactors) bezeichnet. Der modulare Charakter der Anlagen kommt dadurch zum Ausdruck, dass die wesentlichen Komponenten eines Primärkreises – also insbesondere des eigentlichen Reaktorbehälters und des sich daran anschließenden Kühlkreislaufs – alle in einem einzigen Modul enthalten sein sollen. Dahinter steckt neben der Transportfähigkeit die Idee, mit einem solchen Modul die wesentlichen Teile eines Kraftwerks in einer Fabrik vorzufertigen und die Arbeiten auf der Baustelle so zu minimieren. Einzelne Module mit geringer Leistung sollen dann bei Bedarf zu einem größeren Kraftwerk zusammengeschlossen werden können. Langfristig sollen durch eine standardisierte Serienfertigung Herstellungskosten, Genehmigungsrisiken und Bauzeiten reduziert werden.

Früher war noch eine andere Definition in Fachkreisen gebräuchlich. So fasste die Internationale Atomenergie-Organisation IAEO unter dem Begriff Small and Medium Sized Reactors Reaktoren kleiner und mittlerer Größe zusammen. Als „klein“ wurden dabei Reaktoren mit einer Leistung bis zu 300 und als „mittel“ solche mit Leistungen zwischen 300 und 700 MWe bezeichnet. Heutzutage wird aber fast ausschließlich die erstgenannte Definition von SMR als kleine modulare Reaktoren verwendet. Die Zuordnung von Anlagen mit einer elektrischen Leistung zwischen der Obergrenze von 300 MWe (nach neuerer Definition) und konventionellen Kernkraftwerken, zu denen die IAEO solche mit einer elektrischen Leistung ab ca. 700 MWe aufwärts zählt, ist danach nicht eindeutig.

Überblick SMR-Konzepte

Gegenwärtig existieren nach Angaben der Nuclear Energy Agency (NEA) der OECD weltweit fast 100 Konzepte für Reaktoren, die nach heutiger Lesart als SMR eingeordnet werden. Einige wenige davon wurden bereits realisiert beziehungsweise sind im Bau, die Mehrzahl befindet sich in unterschiedlichsten Phasen der Konzeption beziehungsweise konkreterer Planungen, 35 der Konzepte werden nach Angaben der NEA derzeit nicht aktiv weiterverfolgt.

Bei dem größten Teil der Konzepte, die einer Realisierung vergleichsweise nahe beziehungsweise schon gebaut worden sind, handelt es sich um sogenannte Leichtwasserreaktoren – also der Technologie, die in der absolut überwiegenden Zahl der herkömmlichen Kernkraftwerke eingesetzt wird.

Das "schwimmende Atomkraftwerk"

Beispiele für diese SMR-Konzepte sind etwa das schwimmende Kernkraftwerk Akademik Lomonossow, das seit Mai 2020 die entlegene Hafenstadt Pewek in Sibirien sowie angrenzende Bergwerke mit Strom und Wärme versorgt, und der im Bau befindliche CAREM (Argentinien).

Auch kleine Leichtwasserreaktoren, von denen einige bereits seit Jahrzehnten in Eisbrechern, U-Booten oder auf Flugzeugträgern zum Einsatz kommen, werden teilweise als SMR aufgeführt. Allein auf die elektrische Leistung bezogen, könnte dann allerdings auch der Großteil der schwerwassergekühlten CANDU-ähnlichen Reaktoren in Indien (200 MWe) oder die vier am russischen Kernkraftwerk Bilibino betriebenen Reaktoren (12 MWe) als SMR eingeordnet werden; die Grenze zu Reaktoren wie den sowjetischen WWER-440 (440 MWe) oder Qinshan-1 (330 MWe) in China wäre bei diesem Verständnis nahezu fließend.

Neben diesen Leichtwasser-SMR-Konzepte beruhen zahlreiche weitere Konzepte hingegen auf Reaktortechnologien, bei denen auf andere Kühlmittel und/oder Moderatoren als Wasser gesetzt wird und die sich hinsichtlich ihrer Reaktorphysik teils deutlich von Leichtwasserreaktoren unterscheiden. Die Gründe hierfür sind vielfältig: Teilweise soll durch andere Technologien ein Sicherheitsgewinn gegenüber Leichtwasserreaktoren erzielt werden; bei einer Reihe von Konzepten sollen neben beziehungsweise anstelle der Stromerzeugung weitere Anwendungen wie die Auskopplung von Prozessdampf oder Prozesswärme für industrielle Anwendungen, die Nutzung von Transmutation zur Reduzierung radioaktiver Abfälle, die Erbrütung von Brennstoff oder die Verbrennung waffenfähigen Spaltmaterials ermöglicht werden.

Entsprechende Konzepte werden teilweise auch als Advanced Modular Reactors, also sinngemäß übersetzt als „fortgeschrittene“ beziehungsweise „neuartige“ Reaktoren bezeichnet und der sogenannten „vierten Generation“ von Reaktoren zugerechnet. Eine Reihe der so eingeordneten SMR-Konzepte beruht allerdings auf Technologien, die schon vor Jahrzehnten erdacht und teilweise auch in Prototyp-Reaktoren verwirklicht wurden, ohne allerdings Marktreife zu erlangen beziehungsweise größere Verbreitung zu finden. Beispiele hier sind etwa Hochtemperatur- und Brutreaktoren, die unter anderem mit dem THTR-300 in Hamm und dem SNR-300 in Kalkar auch in Deutschland gebaut wurden.

Die IAEO kategorisiert in ihrem Advanced Reactor Information System neue Reaktorkonzepte einschließlich SMR hinsichtlich des eingesetzten Kühlmittels und Moderators. Allerdings wird diese Unterteilung nicht allen Besonderheiten von SMR beziehungsweise neuen Reaktorkonzepten insgesamt gerecht – Entwicklungen und Besonderheiten von Thorium- oder Hochtemperaturreaktoren werden dabei beispielsweise nicht berücksichtigt. Nichtsdestotrotz bietet sich vor allem eine Unterteilung anhand des Kühlmittels an (s. Ausklappmenü).

Unterschiedliche SMR-Konzepte

Leichtwassermoderierte und -gekühlte SMR-Konzepte: Diese Art von SMR ist sicherlich am längsten im Einsatz und am weitesten verbreitet. Man unterscheidet hierbei zwischen Siedewasser- und Druckwasserreaktoren.
Schwerwassermoderierte und -gekühlte SMR-Konzepte: Sogenanntes schweres Wasser enthält anstatt normaler Wasserstoffatome das Wasserstoffisotop Deuterium und absorbiert deshalb weniger Neutronen als normales Wasser. Dadurch stehen mehr moderierte Neutronen für die Kernspaltung zur Verfügung. Statt angereichertem Uran könnte daher in schwerwassermoderierten SMR auch Natururan als Brennstoff eingesetzt werden. Die oben bereits erwähnten CANDU-ähnlichen indischen Reaktoren lassen sich hier als Beispiel aufführen. Die Verwendung von schwerem Wasser in SMR ermöglicht potenziell auch die Nutzung von Thorium, aus dem dann während des Betriebs spaltbares Uran erbrütet wird.
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 Grad Celsius (°C)) und sollen daher zur Erzeugung von Prozesswärme in der chemischen oder petrochemischen Industrie eingesetzt werden können. Niedertemperaturprozesse, zum Beispiel zur Fernwärmenutzung, könnten bei diesen Konzepten nachgeschaltet werden. Am chinesischen Kernkraftwerk Shidaowan werden seit Dezember 2023 zwei gasgekühlte Hochtemperaturreaktor-Module mit einer Leistung von je 250 MWe betrieben.
Flüssigmetallgekühlte SMR-Konzepte: In SMR-Konzepten mit Flüssigmetallkühlung sollen als Kühlmittel Blei, Blei-Bismut oder Natrium eingesetzt werden. Die Metalle zeichnen sich durch eine hohe Siedetemperatur und eine hohe Wärmekapazität aus. 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 bis 700 °C für weitere Zwecke auskoppeln. In Russland wird mit dem BREST-300 derzeit ein bleigekühlter SMR gebaut. Die Inbetriebnahme ist für 2026 geplant.
Salzschmelze-SMR-Konzepte: Weitere SMR-Konzepte sehen schließlich Salzschmelzen sowohl als Kühlmittel als 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. In China wird derzeit ein experimenteller Thorium-Flüssigsalz-Reaktor betrieben. Medienberichten zufolge soll darauf aufbauend der Bau eines kommerziellen 10-MWe-Reaktors bis zum Ende dieses Jahrzehnts folgen.

Stand der Realisierung

Einschließlich der in der Übersicht genannten Anlagen sind aktuell lediglich einige wenige SMR in Betrieb oder im Bau (kleine Reaktoren in Atom-U-Booten, Flugzeugträgern oder Eisbrechern nicht mit eingerechnet). Ob SMR zukünftig in einem deutlich größeren Umfang gebaut werden, ist gegenwärtig schwer einzuschätzen.

Neben den technischen und regulatorischen Herausforderungen, die vor allem bei SMR-Konzepten bestehen, die nicht auf der Leichtwasserreaktor-Technologie beruhen, sprechen derzeit auch wirtschaftliche Erwägungen eher gegen eine weite Verbreitung von SMR. Dies beruht unter anderem darauf, dass die Stromerzeugungskosten in einem großen Kernkraftwerk niedriger sind als in einer kleineren Anlage. Dabei spielt auch eine Rolle, dass die erhofften Kostenreduzierungen durch eine Serienherstellung erst bei höheren Stückzahlen erreicht werden könnten, die ihrerseits auch regulatorische Standardisierungen bedürfte. Unzureichende Wirtschaftlichkeit hat in jüngerer Zeit dazu geführt, dass beispielsweise ein in den USA geplantes Neubauprojekt des Herstellers NuScale Ende 2023 beendet wurde. Auch NUWARD, ein Tochterunternehmen des französischen Versorgers EdF, hat im Frühjahr 2024 sein über vier Jahre entwickeltes SMR-Konzept nach Gesprächen mit potenziellen Kunden verworfen, da aus technischen Gründen die erwarteten Erzeugungskosten mit dem Konzept voraussichtlich nicht zu erreichen seien.

Demgegenüber ist jedoch auch festzustellen, dass die Entwicklung und der spätere Einsatz von SMR in einer Reihe von Staaten sowohl politisch als auch finanziell stark gefördert wird. Dies betrifft zum einen Länder wie die USA, Russland und China, die einen erheblichen Anteil der entwickelnden Unternehmen beheimaten und im Hinblick auf ihre eigene Stromversorgung in großem Umfang auf Kernenergie setzen. In Europa ist neben Frankreich vor allem das Vereinigte Königreich zu nennen, das mit seiner kürzlich gegründeten staatlichen Agentur Great British Nuclear mit Blick auf eine spätere staatlich geförderte Errichtung von SMR ein Wettbewerbsverfahren für SMR-Entwickler betreibt und in diesem Rahmen jüngst über eine Milliarde Euro Britischer Pfund an Fördermitteln ausgeschrieben hat. In einigen mittel- und osteuropäische Ländern wie Polen, Rumänien oder Tschechien werden ebenfalls Planungen zum Einsatz von SMR vorangetrieben; teilweise wurden hier schon konkrete Standorte ausgewählt und regulatorische Prüfungen in Gang gesetzt. Schließlich hat auch die Europäische Kommission mit der European Industrial Alliance on Small Modular Reactors eine Initiative gestartet, die auf eine Beschleunigung der Entwicklung und des Einsatzes von SMR in Europa abzielt.

Zu berücksichtigen ist außerdem, dass bestimmte Anwendungsmöglichkeiten einer CO2-armen Versorgung durch SMR aus der Perspektive potenzieller Anwender möglicherweise wirtschaftliche Nachteile aufwiegen könnten. Für Schlagzeilen sorgten beispielsweise im Oktober 2024 die Ankündigungen von Amazon und Google, in die Entwicklung und den Bau von SMR zu investieren, um eine sowohl stabile als auch möglichst klimaschonende Stromversorgung ihrer Rechenzentren zu gewährleisten.

Darüber hinaus sollen SMR in Ländern wie den USA und Polen zum sogenannten Repowering eingesetzt werden – dabei geht es darum, die Standorte alter Kohlekraftwerke mit ihrer Netzanbindung durch die Ersetzung mit SMR vergleichbarer Leistung weiterhin zu nutzen. In Ländern wie Russland und Kanada steht schließlich auch die Versorgung entlegener Regionen beziehungsweise Industriestandorte im Fokus, die über keine oder eine nur unzureichende Anbindung an das Landesnetz verfügen.

Neuartige SMR und Sicherheit

Entwickler sehen bei neuartigen SMR-Konzepten sicherheitstechnische Vorteile gegenüber großen Kernkraftwerken. Als maßgeblich dafür werden unter anderem auch passive Sicherheitsfunktionen aufgeführt, wie sie teilweise schon 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 oder 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 ausgeschlossen werden, die bei herkömmlichen Kernkraftwerken zu berücksichtigen sind. So legen Studienergebnisse beispielsweise nahe, dass beim chinesischen HTR-PM eine Kernschmelze ausgeschlossen werden könne. Auch wird das Schadenspotenzial eines unterstellten schweren Unfalls in einem SMR gegenüber einem großen Kernkraftwerk insofern reduziert, als dass SMR mit deutlich geringeren Mengen an Kernbrennstoff ausgestattet werden 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. Zudem stellt die stark korrosive Wirkung von Salzschmelzen 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 viele 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. Allein auf der Grundlage von Konzepten lassen sich allerdings keine belastbaren Aussagen darüber treffen, ob eine 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 allein 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 Aktivitäten oder mögliche Überflutungen.

(Stand: 11.11.2024)