Kernkraftwerke für kleine Stromnetze: flexibel und vielseitig

Ende August 2009 haben die amerikanischen Sandia National Laboratories bekannt gegeben, dass sie an der Entwicklung eines kleinen Kernreaktors arbeiten, dessen thermische Leistung maximal 300 MW betragen soll. Die Sandia planen, den Reaktor so zu konzipieren, dass ein Betriebsunterbruch für den Brennelementwechsel nur alle 20 Jahre nötig ist. Zwei Monate zuvor stellte die Babcock & Wilcox Company ihren mPower vor. Bei diesem kompakten Designkonzept sind Reaktorkern und Dampferzeuger, wie beim Sandia-Reaktor auch, in ein und demselben Behälter untergebracht. Der mPower soll bis zu fünf Jahre ohne Unterbruch betrieben werden können.

Das sind nur zwei von vielen Beispielen für laufende Entwicklungen kleiner und mittlerer Kernreaktoren. Der Bedarf an solchen Systemen ist vorhanden, denn immer mehr Länder sind an der friedlichen Nutzung der Kernenergie interessiert. Jedoch muss zum Bau von Kernkraftwerken mit grosser Leistung nicht nur die Finanzierung geregelt werden, sondern auch das Stromnetz entsprechend ausgebaut sein.

Jetzt schon: warmes Wasser und Strom in Sibirien

Es gibt heute ein Beispiel, wo kommerziell genutzte Kleinreaktorblöcke im Einsatz stehen: im ostsibirischen Bilibino, rund 160 km nördlich des Polarkreises. Die vier wassergekühlten Graphiteinheiten mit je 11 MW elektrischer Leistung versorgen die Region mit Strom und Fernwärme. Bilibino ist auf eine zuverlässige Energieversorgung angewiesen: Der Winter dauert hier rund acht Monate und die Temperaturen können auf -60°C fallen. Die vier Blöcke gingen zwischen 1974 und 1976 ans Netz.

Vorteile flexibel nutzbar

Gemäss der Abteilung für Kernenergie der Internationalen Atomenergie-Organisation (IAEO) ziehen mittlerweile 60 Staaten die Kernenergie als Teil ihrer künftigen Energiepolitik in Betracht. Bis 2030 könnten 20 davon bereits ein eigenes Kernenergieprogramm aufgestellt haben. Nicht alle Länder verfügen aber über ein Stromnetz, das hohe Blockleistungen problemlos aufnehmen kann. Kleine Kernkraftwerke bieten solchen Ländern die Möglichkeit, Bandenergie dezentral zu erzeugen. Eine besondere Eigenschaft kleiner Reaktoren, die für den Einsatz in entlegenen Regionen spricht – Beispiel Bilibino – ist ihre «Handlichkeit»: Von ihren grösseren Brüdern heben sich Reaktorsysteme geringer Leistung dadurch ab, dass sie sich wie ein Baukasten zu grösseren Kraftwerken zusammensetzen lassen. So kann der mPower von Babcock & Wilcox, dessen elektrische Leistung 125 MW beträgt, zu einer Gruppe zusammengeschaltet werden, um 500 MW und mehr bereitzustellen. Dieser modulare Aufbau erlaubt es, auf Kundenwünsche flexibel zu reagieren. Dabei muss die gewonnene Energie dieser Kraftwerke nicht zwingend zur Stromerzeugung verwendet werden. Andere Anwendungsmöglichkeiten sind die Trinkwasserherstellung durch Entsalzen von Meerwasser oder das Bereitstellen von Prozesswärme für Industrieanlagen.

Herausforderungen an Entwickler

Um auf dem Markt Fuss zu fassen, müssen sich die kleinen Reaktorsysteme gegenüber bestehenden Energieerzeugern wie zum Beispiel konventionellen Kraftwerken behaupten. Zwar kann mit Kernreaktoren CO₂-arm Energie gewonnen werden, aber die Beschaffung und der Betrieb einer Anlage müssen auch wirtschaftlich interessant sein. Um die Produktionskosten zu senken, setzen die Reaktorentwickler auf einen standardisierten Entwicklungs- und Herstellprozess. Dadurch lässt sich die Produktionsrate steigern und die Zeit für Bau und Inbetriebnahme verringern. Des Weiteren sind tiefe Instandhaltungs- und Betriebskosten von grösster Bedeutung. Die Entwickler setzen hier unter anderem auf lange Betriebszyklen. Diese unterscheiden sich indessen stark von Reaktortyp zu Reaktortyp und reichen von zwei Jahren bis zu mehreren Jahrzehnten. Neben dem Gewinn bei der Verfügbarkeit sollen lange Betriebszyklen das Handling des Kernbrennstoffs, die Zwischenlagerung ausgedienter Brennelemente vor Ort und die sichere Überwachung vereinfachen.

Eine Batterie mit mehrjähriger Betriebszeit

Die Hyperion Power Generation geht mit ihrem in Entwicklung stehenden Hyperion Power Modul sogar noch weiter: Das geschlossene Modul von der Grösse eines Kleinwagens wird komplett angeliefert und vor Ort unterirdisch eingegraben. Der Reaktor reguliert sich von alleine. Der Betreiber muss sich um nichts kümmern – fast wie bei einer Batterie. Nach sieben bis zehn Betriebsjahren wird das Modul zurück zum Hersteller gebracht und dort neu beladen.

Ähnlich verhält es sich beim 4S (Super-Safe, Small and Simple) der Toshiba Corporation: Der kompakte Reaktor wird mit metallischem, stahlumhülltem Kernbrennstoff betrieben, der nur alle 30 Jahre ausgewechselt werden muss.

Ebenfalls im Untergrund soll der zuvor schon erwähnte mPower von Babcock & Wilcox eingegraben werden. Als Brennstoff wird dasselbe Material eingesetzt, das bereits in heutigen Druckwasserreaktoren verwendet wird.

Das sind nur einige der zahlreichen Projekte, die zurzeit entwickelt werden. Nähere Angaben über die wichtigsten Systeme gibt untenstehende Tabelle. Die Lizenzierungsverfahren sind unterschiedlich weit fortgeschritten. Mit dem Baubeginn erster Reaktoren ist erst in ein paar Jahren zu rechnen.

Was heisst klein, mittel und gross? Ein Vergleich

Die IAEO unterscheidet bei der Zuordnung der Reaktoren drei Leistungsklassen. Kleine Kernkraftwerkssysteme haben eine elektrische Leistung unter 300 MW, mittlere 300 bis 700 MW und grosse über 700 MW. Von den Anfang September 2009 insgesamt 436 in Betrieb stehenden Reaktoreinheiten fallen 105 in die mittlere Leistungsklasse (300–700 MW). Bei 24 Einheiten liegt die elektrische Leistung unter 300 MW. 15 davon stehen in Indien. Drei Viertel der heute im Bau stehenden Einheiten weisen eine elektrische Leistung über 700 MW auf.