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Marco Streit, Präsident der Schweizerischen Gesellschaft der Kernfachleute

Nächste Generation von Atomreaktoren -
eine denkbare Alternative zur Energieversorgung
der Zukunft ?!

Als Deutscher Stromkonsument liest man wohl stark verwundert diese Überschrift, da man durch die Politik den Eindruck bekommen kann, dass die "Energiewende" auf der ganzen Welt beschlossene Sache sei.

Dabei wird geflissentlich verdrängt, dass es sich bei der "German" Energiewende doch eher um ein deutschsprachiges Phänomen handelt, als um eine internationale Bewegung, die, im Gegenteil, in den Europäischen Nachbarländern eher zu verstärktem Kopfschütteln denn zu Verständnis führt.

Daher ist es für die Deutsche Wirtschaft und Wissenschaft wichtig über den Tellerrand zu blicken und die globalen Tendenzen zumindest zur Kenntnis zu nehmen.

In den vergangenen Jahrzehnten ist die Entwicklung fortgeschrittener Reaktortypen weltweit vorangetrieben worden. Heute werden Reaktorsysteme auf dem Markt angeboten, die höchsten Sicherheitsansprüchen genügen und zu wettbewerbsfähigen Preisen (analog Kohlestrom) die Versorgungssicherheit beim Strom auch in Zukunft ermöglichen. Diese Kernkraftwerke der sogenannten dritten Generation (Generation III) bilden die Grundlage für die Neubauten der kommenden Jahre und Jahrzehnte.

Da sich die Kerntechnik, wie jede andere Technik, weiterentwickelt, sind Kernkraftwerke der vierten Generation bereits in Diskussion. Wenn von der "nächsten" Generation der Atomreaktoren geschrieben wird, ist meistens diese vierte Generation (auch Generation IV) gemeint, nicht jedoch in diesem Beitrag.

Zur Erklärung: unter der sogenannten ersten Generation versteht man heute die frühen Prototypen der 1950er-Jahre, von denen kein Reaktor mehr in Betrieb steht. Ihnen folgten die heute in Betrieb stehenden kommerziellen Kernkraftwerke der zweiten Generation mit einem Bauhöhepunkt in den 1970er-Jahren. Diese Anlagen sind in den vergangenen Jahrzehnten in vielen Ländern, so auch in Deutschland und der Schweiz, laufend auf den Stand der modernen Sicherheitstechnik nachgerüstet worden. Technische Neuerungen wie auch Erfahrungen aus dem Betrieb und Lehren aus Stör- und Unfällen erhöhen hier kontinuierlich das Sicherheitsniveau. Allerdings sind den Nachrüstbemühungen auch Grenzen gesetzt. So wurde parallel zu den Nachrüstungen, bereits in den 1980er- Jahren von den Lieferanten der Kernkraftwerke die nächste, fortgeschrittene (dritte) Generation, mit evolutionären Sicherheitskonzepten und erhöhter Leistung entwickelt.

Ausgangspunkt waren hier die Betriebserfahrungen mit den zuverlässigen Kernkraftwerken der zweiten Generation, wie auch die Erkenntnisse aus Unfällen wie im amerikanischen Kernkraftwerk Three-Mile-Island im Jahr 1979, bei dem es zu einer teilweisen Kernschmelze gekommen war. Kernkraftwerke der dritten Generation wurden so konzipiert, dass bei allen betrieblich vorstellbaren Unfällen keine maßgeblichen Mengen radioaktiver Stoffe in die Umgebung freigesetzt werden und der Boden nicht auf Dauer kontaminiert wird, d. h. die maximalen Auswirkungen dürfen für die Anwohner nicht grösser sein als bei anderen zivilisatorischen Risiken wie Chemieunfällen, Gasexplosionen oder Dammbrüchen (Ein Konzept, an dem deutsche Ingenieure maßgeblich mitgewirkt haben).
Um diese Sicherheit zu erreichen, wurde unter anderem die Verlässlichkeit der Notkühlsysteme zur Verhinderung eines Kernschadens weiter verbessert, z. B. durch die Erhöhung der Zahl voneinander unabhängiger Notkühlsysteme sowie ihres Schutzes gegen Einwirkungen von außen wie Erdbeben, Überflutung oder Flugzeugabsturz.
Eine andere, sehr innovative Entwicklung der letzten Jahrzehnte sind die sogenannten passiven Sicherheitssysteme. Sie basieren auf Naturgesetzen wie beispielsweise der Schwerkraft. Im Unterschied zu aktiven Systemen benötigen sie keine Pumpen oder motorgetriebenen Ventile und erfüllen ihre Funktion ohne Energiezufuhr von außen.
Für den Fall, dass dennoch alle Schutzsysteme versagen sollten und es zu einer Kernschmelze kommt – die Wahrscheinlichkeit ist bei der Generation III geringer als einmal in einer Million Jahren – werden Vorkehrungen eingebaut, damit die Kernschmelze sicher in der sogenannten Sicherheitshülle eingeschlossen bleibt und dort abgekühlt werden kann. Die deutsche Firma Simpelkamp ist auf diesem Gebiet führend. Zudem werden die freiwerdenden flüchtigen radioaktiven Stoffe mit hoher Wirksamkeit in der Anlage zurückgehalten oder im Falle einer nötigen Druckentlastung mit sehr hoher Rückhaltung gefiltert.

Die bereits im grundlegenden Design eingebaute Beherrschbarkeit der Folgen von Kernschmelzen führte zu einem sehr großen Sprung der Sicherheit. Dies ist das wichtigste Unterscheidungsmerkmal zwischen den Reaktoren der zweiten und der dritten Generation. Die beiden ersten fortgeschrittenen Kernkraftwerke der dritten Generation haben bereits 1996 und 1997 in Japan den Betrieb aufgenommen. In Europa befinden sich in Frankreich und Finnland Kernkraftwerke modernster Bauart in Bau, ebenso in China, Indien, Japan, Russland, Südkorea, den USA und den Vereinigten Arabischen Emiraten.

In Ländern wie Großbritannien, Litauen, Polen, Tschechien oder Vietnam soll mit dem Bau solcher Anlagen in den kommenden Jahren begonnen werden. Auch in der Schweiz waren sie, vor dem durch Fukushima überstürzt ausgelösten politischen Kurswechsel, für die Erneuerung des Kernkraftwerkparks vorgesehen.

Das Reaktorunglück im japanischen Kernkraftwerk Fukushima-Daiichi wurde durch zwei außergewöhnlich heftige Naturkatastrophen ausgelöst. Nach dem Tohoku-Erdbeben (dem stärksten je in Japan registrierten Beben) überfluteten mehrere Tsunamis die Anlage, die gegen dieses bekannte Risiko ungenügend geschützt war. Die in Fukushima aufgrund der Naturkatastrophen aufgetretenen Probleme wie Stromausfall, Verlust der Kühlfähigkeit und Wasserstoffexplosionen sind bereits in den 1980er-Jahren breit diskutiert worden und haben in vielen Anlagen zu umfangreichen Nachrüstungen geführt, jedoch leider nicht in Japan. Ansonsten, so haben Analysen gezeigt, wären sogar solch schwere Naturkatastrophen mit nachgerüsteten Anlagen der zweiten Generation beherrschbar.
Aus sicherheitstechnischer Sicht sind die Kernkraftwerke der dritten Generation die bereits bestehende Antwort auf den Unfall in Fukushima. Sie enthalten bereits heute, ohne weitere Nachrüstungen, alle jene Vorsorgemaßnahmen, die in Japan zur Beherrschung des Unfalls fehlten.

Während zurzeit also Reaktoren der dritten Generation in Bau stehen und ihren Beitrag zur Sicherung der Energieversorgung der nahen Zukunft liefern, arbeiten Wissenschaftler und Ingenieure weltweit an der Entwicklung einer Vielzahl weiterer Reaktortypen, unter anderem an den Reaktorsystemen der "übernächsten", vierten Generation. Auf Initiative der USA haben sich im Jahr 2000 neun Länder zum "Generation IV International Forum" (GIF) zusammengeschlossen. Heute sind am GIF 13 Partner beteiligt: Argentinien, Brasilien, China, Frankreich, Großbritannien, Japan, Kanada, Russland, die Schweiz, Südafrika, Südkorea, die USA und die Europäische Atomgemeinschaft Euratom. Ziel ist, für die Zeit nach 2040 neue Reaktoren und Brennstoffkreisläufe zu entwickeln, die den Ressourcenverbrauch drastisch reduzieren, die Menge des radioaktiven Abfalls erheblich vermindern und den Missbrauch für Kernwaffen wesentlich erschweren.

Zusammen mit den erneuerbaren Energien werden diese Systeme der vierten Generation einen Schlüsselbeitrag zur nachhaltigen Sicherung der Energieversorgung der Menschheit bilden.

Um die gesetzten Ziele zu erreichen hat das GIF aus einer Vielzahl möglicher Auslegungen sechs Reaktorsysteme für die koordinierte Weiterentwicklung ausgewählt:

  • Der Salzschmelze-Reaktor (Molten Salt Reactor [MSR]), bei welchem sowohl Brennstoff und Kühlmittel aus einer Salzschmelze bestehen; ist eine Weiterentwicklung des Ende der 1960er-Jahre in den USA in Betrieb stehenden experimentellen MSR.
  • Der gasgekühlte schnelle Reaktor (Gas-Cooled Fast Reactor [GFR]) ist eine Weiterentwicklung aus den britischen Magnox- und AGR-Reaktoren.
  • Der Blei gekühlte schnelle Reaktor (Lead-Cooled Fast Reactor [LFR]) ist eine Weiterentwicklung von bestehenden kleinen Reaktoren für Schiffsantriebe.
  • Der Natrium gekühlte schneller Reaktor (Sodium-Cooled Fast Reactor [SFR]) ist eine Weiterentwicklung von seit Jahrzehnten weltweit erprobten Reaktorsystemen.
  • Der Leichtwasserreaktor mit überkritischem Dampf (Supercritical Water Cooled Reactor [SCWR]) ist eine Weiterentwicklung der heutigen Siedewasserreaktoren.
  • Der Hochtemperaturreaktor mit sehr hohen Temperaturen (Very High Temperature Reactor [VHTR]) ist eine Weiterentwicklung der bisherigen Hochtemperaturreaktoren wie beispielsweise des Kugelhaufenreaktors.

Allen diesen Reaktorsystemen ist gemeinsam, dass sie keine neue Erfindung sind und dass sie höchste Anforderungen an die Materialtechnik stellen. Um diese Anforderungen zu erfüllen, arbeiten Forscher auf der ganzen Welt an neuen, innovativen Materialien.

Dies gilt ebenso für noch exotischere Vertreter von zukünftigen Reaktorsystemen wie dem sogenannten Beschleunigergetrieben System (Accelerator Driven System [ADS]) – einer unterkritischen Reaktoreinheit mit einem externen Teilchenbeschleuniger als Neutronenquelle – oder den verschiedenen Konzepten für zukünftige Fusionsreaktoren.

Neben diesen sehr populären Entwicklungen stehen wenig beachtet von der Öffentlichkeit kleine, modulare Reaktorsysteme («Small Modular Reactors» [SMR]) seit Jahrzehnten im Alltagseinsatz – vornehmlich als Schiffsantriebe im militärischen Bereich und in Eisbrechern oder zur Energieversorgung abgelegener Orte in Polargebieten. Gemäß der Definition der Internationalen Atomenergie-Organisation der UNO gelten Reaktorsysteme als "klein", wenn ihre elektrische Leistung geringer als 300 Megawatt ist. Zum Vergleich: eine moderne Windturbine leistet 2 bis 5 MW, ein durchschnittliches Gas- und Dampfkraftwerk 400 MW.

Bei den SMR handelt es sich um eine Vielzahl höchst unterschiedlicher Systeme, unter denen fast alle bis heute bekannten Reaktorkonzepte vertreten sind. Die Vorteile dieser kleinen Reaktorsysteme:

  • In der Regel können sie höchste Sicherheitsstandards erfüllen. Die meisten der vorgeschlagenen SMR verfügen über ein hohes Maß an passiver bzw. physikalisch inhärenter Sicherheit.
  • SMR benötigen wenig Wartung und können ohne Nachladung während etlicher Jahre oder gar Jahrzehnte Wärme und Strom liefern. Entsprechend tief bleiben die Betriebskosten.
  • Wegen ihrer geringen Größe können sie unterirdisch in Kavernen gebaut werden wie auch in unmittelbarer Nachbarschaft von Verbrauchern. Das können Siedlungen sein aber auch Großindustrien mit hohem Wärme- und Strombedarf. Weiter eignen sie sich für Regionen mit einem wenig ausgebauten Hochspannungsnetz.
  • Sie erfordern einen wesentlich geringeren Kapitaleinsatz beim Bau, dies erleichtert die Finanzierung und erzeugt Flexibilität. Je nach Strombedarf können SMR von den Betreibern schrittweise Modul um Modul nach dem Baukastensystem zu größeren Produktionsanlagen erweitert werden.
  • Anders als große Reaktorsysteme, die vor Ort zusammengebaut werden müssen, können SMR auf einer Produktionsstraße in einer Fabrik montiert und danach per Lastwagen oder Schiff an den Einsatzort gebracht und gegebenenfalls nach Ende der Betriebszeit wieder zurückgebracht werden.

Seit einiger Zeit zeigen Investoren vermehrt Interesse an SMR für zivile Anwendungen. Vor allem in den USA, Russland und China wird ihre Entwicklung vorangetrieben. Bereits in Bau ist das weltweit erste schwimmende Kernkraftwerk mit zwei Einheiten des russischen Druckwasserreaktors KLT-40S mit je 35 MW elektrischer Leistung. Die "Akademik Lomonosow" soll Ende 2016 vor der entlegenen Stadt Wiljutschinsk auf der Pazifik-Halbinsel Kamtschatka den Betrieb aufnehmen.
Insgesamt stehen weltweit derzeit 67 Reaktoren in Bau (Stand Anfang März 2015) und weitere sind unter sehr konkreter Planung. In den letzten fünf Jahren wurden rund zwei Duzend Reaktoren in Betrieb genommen, d. h. die Kerntechnik befindet sich in einer Renaissance. Die Internationale Gemeinschaft erkennt das in ihr liegende Potenzial zur umweltfreundlichen Energieerzeugung.

Die Kerntechnik wird zwar in absehbarer Zeit nicht die alleinige Lösung des globalen Energiebedarfsproblems bereitstellen. Aber mit Sicherheit werden die derzeitig in Bau und Planung befindlichen Kernkraftwerke einen entscheidenden Beitrag zur sicheren, planbaren, klimafreundlichen und bezahlbaren Stromversorgung leisten.

06. April 2015