Was sind kleine modulare Reaktoren?

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Kleine modulare Reaktoren (Small Modular Reactors, SMRs) sind Kernspaltungsreaktoren, die kleiner als herkömmliche Kernreaktoren sind und zur Stromerzeugung eingesetzt werden können.

Kleine modulare Reaktoren (SMRs) werden in einer Fabrik hergestellt und dann zur Endmontage an den endgültigen Standort geliefert. Dies führt zu einem geringeren Bauaufwand vor Ort, einer höheren nuklearen Sicherheit und einer größeren Effizienz des Sicherheitsbehälters. Sie gelten als vorzugswürdiger Ansatz zur Überwindung der finanziellen Hindernisse, die die Produktion konventioneller Kernreaktoren hemmen können, und SMRs können wie konventionelle Kernreaktoren eine kohlenstofffreie, saubere Energiealternative zu fossilen Brennstoffen bieten.

Nach Angaben der britischen Regierung gibt es im Nuklearsektor eine große Vielfalt an potenziellen Technologien. Aufgrund dieser Vielfalt ist man der Meinung, dass der Begriff SMR, wie er oft verstanden und verwendet wird, zu eng gefasst ist, um alle Möglichkeiten der nächsten Generation von Kernkraftwerken zu umfassen. Stattdessen ist die britische Regierung der Ansicht, dass der Begriff „fortgeschrittliche Nukleartechnologien“ alles umfasst.

Alle Bilder wurden mit freundlicher Genehmigung von Rolls Royce, dem führenden Partner im Rolls-Royce-SMR-Konsortium, zur Verfügung gestellt.

Abbildung 1: Visulisierung des britischen Konzepts für einen kleinen modularen Reaktor (Small Modular Reactor, SMR)

Fortschrittliche Nukleartechnologien haben folgende gemeinsame Merkmale:

• Sie sind kleiner als herkömmliche Kernreaktoren
• Sie sind so konzipiert, dass der Großteil des Reaktors in einer Fabrik gebaut und dann zur Endmontage an den Standort transportiert werden kann, was Kosten und Risiken reduziert

Fortschrittliche Nukleartechnologien lassen sich im Allgemeinen in eine von zwei Kategorien einteilen:

• Wassergekühlte kleine modulare Reaktoren der dritten Generation, die den bestehenden Reaktoren ähneln, aber mit kleinerer Baugröße gebaut werden
• Fortschrittliche modulare Reaktoren (Advanced Modular Reactors, AMRs) der vierten Generation und darüber hinaus. Sie nutzen innovative Kühlsysteme oder Brennstoffe, um neue Funktionen wie höhere Betriebstemperaturen und eine schrittweise Senkung der Kosten zu ermöglichen

Die britische Regierung ist der Ansicht, dass der fortschrittliche Nuklearsektor eine wichtige Rolle in der industriellen Wachstumsstrategie des Vereinigten Königreichs spielt. Diese Strategie stützt sich auf die vorhandenen Erfahrungen, wirtschaftlichen Stärken und Wettbewerbsvorteile. Dies wird das Vereinigte Königreich in die Lage versetzen, auf neuen Märkten für fortschrittliche Kernenergie führend zu sein und gleichzeitig zur Bewältigung der großen Herausforderung des sauberen Wachstums beizutragen.

Wie funktioniert ein kleiner modularer Reaktor?

Diese Reaktortypen nutzen derzeit die Kernspaltung als Grundlage für die Energieerzeugung. Kernspaltung ist der Prozess, bei dem sich der Kern eines Atoms in zwei oder mehr kleinere, leichtere Kerne spaltet. Die Spaltung des Atoms setzt große Mengen an Energie in Form von Wärme und Strahlung frei. Dadurch kann eine Kettenreaktion ausgelöst werden, die zur Erzeugung von Kernkraft aufrechterhalten werden muss.

Zu den Konstruktionen gehören thermische Neutronenreaktoren und schnelle Neutronenreaktoren. Der Unterschied zwischen den beiden besteht in der Geschwindigkeit, mit der sich die Neutronen bewegen. Thermische Neutronenreaktoren sind auf einen Moderator angewiesen, um die Reisegeschwindigkeit der Neutronen zu verlangsamen, und verwenden hauptsächlich Uran als spaltbares Material. Schnelle Neutronenreaktoren verwenden keine Moderatoren und verlassen sich darauf, dass der Kernbrennstoff in der Lage ist, Neutronen zu absorbieren, die sich mit höherer Geschwindigkeit bewegen. In der Regel verwenden schnelle Neutronenreaktoren Plutonium als spaltbares Material. Bislang arbeiten die meisten in Betrieb befindlichen Kernreaktoren mit dem thermischen Neutronenverfahren.

Abbildung 2: Kühlmittelkreislauf des Reaktors

Wie konventionelle Kernreaktoren nutzen auch kleine modulare Reaktoren thermische Energie zur Erzeugung elektrischer Energie. Die thermische Energie erhitzt beispielsweise Wasser zu Dampf, der dann eine Turbine antreibt und so elektrischen Strom erzeugt.

Abbildung 3: Konzept des britischen Entwurfs

Auf der sogenannten Reaktorinsel sind alle nuklearen Systeme untergebracht. Dazu gehören der Reaktorkern, die Dampferzeuger und die zugehörigen Sicherheitssysteme, die sich alle in einem separaten Sicherheitsbehälter befinden.

Was sind die Vor- und Nachteile von SMRs?

Der Hauptvorteil von Small Modular Reactors ist, dass sie außerhalb des Standorts hergestellt werden können. Dies kann zu geringeren Baukosten und einer höheren Effizienz des Sicherheitsbehälters beitragen. Dies ist besonders nützlich für die Stromerzeugung an abgelegenen Standorten. Für die Montage, die Wartung und den Betrieb von Kernkraftwerken an abgelegenen Standorten wird weniger Personal benötigt. Außerdem besteht an abgelegenen Standorten oft ein variabler Stromerzeugungsbedarf. Große konventionelle Reaktoren sind in der Regel unflexibel in ihren Stromerzeugungsmöglichkeiten. Im Gegensatz dazu können SMR-Reaktoren besser gesteuert werden und erzeugen geringere Mengen an Strom, wenn die Nachfrage sinkt.

Die World Nuclear Association listet die einzigartigen Merkmale auf, insbesondere folgende:

• Kleine Leistung und kompakte Bauweise und in der Regel (zumindest für das nukleare Dampfversorgungssystem und die zugehörigen Sicherheitssysteme) die Verwendung passiver Konzepte. Daher besteht eine geringere Abhängigkeit von aktiven Sicherheitssystemen und zusätzlichen Pumpen sowie von der Wechselstromversorgung zur Unfallbekämpfung.
• Die kompakte Architektur ermöglicht eine modulare Fertigung (im Werk), was auch die Umsetzung höherer Qualitätsstandards erleichtern kann.
• Geringere Leistung, was zu einer Verringerung des Quellterms sowie zu einem kleineren radioaktiven Inventar in einem Reaktor führt (kleinere Reaktoren).
• Die Möglichkeit, den Reaktorblock unterirdisch (unter Wasser) aufzustellen, bietet mehr Schutz vor natürlichen (z. B. Erdbeben oder Tsunami je nach Standort) oder vom Menschen verursachten (z. B. Flugzeugaufprall) Gefahren.
• Der modulare Aufbau und die geringe Größe eignen sich für den Betrieb mehrerer Einheiten am selben Standort.
• Geringere Anforderungen an den Zugang zu Kühlwasser – daher geeignet für abgelegene Regionen und für spezielle Anwendungen wie Bergbau oder Entsalzung.
• Möglichkeit des Ausbaus des Reaktormoduls oder der In-situ-Stilllegung am Ende der Lebensdauer.

Steigende Nachfrage nach Arbeitsplätzen in der Nuklearindustrie

Die Kernreaktoren bieten potenziell große Chancen für den Fertigungssektor. Die britische Regierung ist der Ansicht, dass das Vereinigte Königreich eine internationale Führungsrolle bei der Entwicklung und dem Einsatz der SMR-Technologie einnehmen kann, wobei die heimische Lieferkette für einen globalen Markt produziert.

Ein Bericht des National Nuclear Laboratory (NNL) prognostiziert einen weltweiten SMR-Markt von bis zu 85 GW mit einem potenziellen Wert von 400 Milliarden Pfund (450 Milliarden Euro) bis 2035. Bis 2050 könnte ein komplettes britisches Programm mit bis zu 16 einheimischen SMRs bis zu 40.000 Arbeitsplätze und einen Wert von 52 Milliarden Pfund (58 Milliarden Euro) für die britische Wirtschaft schaffen. Darüber hinaus könnte der Exportmarkt für die SMR von Rolls-Royce ein Volumen von 250 Milliarden Pfund (280 Milliarden Euro) erreichen.

Abbildung 4: SMRs schaffen Arbeitsplätze und britische Exporte

Was kostet ein kleiner modularer Reaktor?

Der Bau dieser fortschrittlichen Reaktoren dürfte wesentlich kostengünstiger sein als der konventioneller Leistungsreaktoren. Bei diesen Reaktortypen entfallen die enormen Vorlaufkosten, die mit den langfristigen Planungs- und Vorlaufzeiten herkömmlicher Reaktoren verbunden sind. SMR-Reaktoren ermöglichen den modularen Aufbau von Stromerzeugungssystemen. Dadurch können die Baukosten über einen längeren Zeitraum verteilt werden. Ein einzelner SMR könnte in vier oder fünf Jahren gebaut werden. Sobald er in Betrieb ist, wird er Einnahmen generieren, die bei Bedarf die Finanzierung weiterer modularer Einheiten ermöglichen.

Da die SMRs in größeren Stückzahlen in Fabriken gebaut werden, können die Hersteller die in der Industrie üblichen Verfahren zur Kostensenkung besser anwenden, z. B. den Kauf hochwertiger Komponenten in großen Mengen, was bei einzeln an einem Ort gebauten Großreaktoren nicht möglich ist.

Was die Energieerzeugungskosten betrifft, so deuten erste Kostenmodelle darauf hin, dass SMRs pro erzeugter Energieeinheit nicht wesentlich billiger sein werden. Eine vom National Nuclear Laboratory geleitete Studie aus dem Jahr 2014 geht von einem besten Schätzwert von über 80 £/MWh (90 €/MWh) aus, was mit dem vereinbarten Basispreis für Hinkley Point C vergleichbar ist. Rolls Royce strebt jedoch einen Preis von 60 £/MWh (67 €/MWh) für seine SMR-Konzepte an.

Globale SMR-Entwicklungen

Weltweit werden zahlreiche SMR-Konzepte entwickelt, wobei die Bruttostromerzeugung zwischen 0,068 und 500 MW_e liegt. In der nachstehenden Tabelle sind mehrere SMRs mit ihrer Bruttoleistung, dem Hersteller und dem Herkunftsland aufgeführt:

Im März 2019 veröffentlichte das BEIS einen Bericht aus dem Jahr 2016 über Mikroreaktoren, in dem diese als Anlagen mit einer Kapazität von bis zu 100 MWt/30 MW_e definiert werden und ein weltweiter Markt für rund 570 Einheiten mit durchschnittlich 5 MW_e bis 2030, insgesamt 2850 MW_e, prognostiziert wird. Die Studie stellt fest, dass diese Reaktoren im Allgemeinen nicht wassergekühlt sind, sondern „eine kompakte Reaktor- und Wärmetauschanordnung verwenden, die häufig in einem einzigen Reaktorbehälter integriert ist.“ Die meisten sind Hochtemperaturreaktoren (HTRs).

Zahlen und Fakten

Ein SMR von Rolls-Royce würde 440 MW_e Strom erzeugen, was ausreicht, um eine Stadt von der Größe von Leeds oder Nürnberg mit Strom zu versorgen, 88.000.000 Smartphones aufzuladen, 40.000.000 Glühbirnen zu beleuchten, 8.000.000 große Fernsehgeräte zu betreiben oder 62.857 Elektroautos aufzuladen.

Trotz dieser beachtlichen Leistung ist ein SMR-Kraftwerk klein genug, um in das Wembley-Stadion zu passen. Was die Kosten anbelangt, so hofft man, dass die nivellierten Kosten bei nur 60 £ pro MWh (67 € pro £ pro MWh) liegen werden.

Die Umstellung auf SMR-Kraftwerke wird auch Beschäftigungsmöglichkeiten bieten, da zwischen 2030 und 2050 voraussichtlich 40.000 qualifizierte Arbeitsplätze geschaffen werden und die Wirtschaft landesweit um 100 Milliarden Pfund angekurbelt wird. Die Kernreaktoren dürften auch den 400 Milliarden Pfund (450 Milliarden Euro) umfassenden globalen Exportmarkt erschließen, der größtenteils außerhalb der EU liegt.

Das Wachstum der SMR-Kraftwerke von Rolls-Royce wird die Abhängigkeit des Landes von ausländischen Gasimporten verringern und gleichzeitig dazu beitragen, dass das Vereinigte Königreich die Dekarbonisierungsverpflichtungen für 2050 erfüllt und bis 2030 kohlenstoff- und emissionsfreien Strom liefert.

Konzept des UK-Konsortiums

TWI hat eine lange Tradition in der Unterstützung der Nuklearindustrie und ist ein zuverlässiger Partner bei der Entwicklung von Kernreaktoren. TWI ist einem von Rolls-Royce geführten SMR-Konsortium beigetreten, an dem Assystem, BAM Nuttall, Laing O'Rourke, National Nuclear Laboratory (NNL), Atkins, Wood und das Nuclear AMRC beteiligt sind. Das Konsortium hat von UK Research & Innovation (UKRI) eine entsprechende Finanzierung erhalten, um kleine modulare Kernreaktoren für den heimischen Markt zu entwickeln.

Das britische Konsortium vereint ein enormes Maß an Fachwissen. Eine überzeugende Alternative. Die von dem von Rolls-Royce geleiteten britischen Konsortium geplante SMR-Technologie kann überall auf der Welt auf eine neue Art und Weise Atomstrom erzeugen. Sie löst das Rätsel, wie man erschwingliche Energie und mehr davon mit einem geringeren Kohlenstoff-Fußabdruck erzeugen kann. Der globale Energiesektor steht unter dem zunehmenden Druck, mehr Energie schneller und an mehr Orten zu erzeugen, und zwar mit größerer Sicherheit in Bezug auf die Kosten, die Kapazität und die Flexibilität der Verfügbarkeit sowie mit geringeren Inputkosten und geringeren Umweltauswirkungen. Um beiden Anforderungen gerecht zu werden, ist ein neuer Ansatz erforderlich:

Das Rolls-Royce SMR-Konzept ist die Antwort. Gute Dinge kommen in kleineren Paketen, und durch die Übertragung von bewährten Technologien in ein anderes Konzept, wurde das Rolls-Royce SMR-Konzept von Grund auf, d.h. auf der Grundlage der Bedürfnisse von Energieversorgungsunternehmen und Betreibern entwickelt, um ihren Kunden die bestmögliche Unterstützung zu bieten.

Gewissheit

Die Verwendung anerkannter Nuklearstandards und -technologien beseitigt die Ungewissheit im Genehmigungsverfahren, schafft aber auch Sicherheit in Bezug auf die Kosten für die Errichtung einer Anlage, die Zeit, die für die Errichtung benötigt wird, und die Kosten für den erzeugten Strom.

Innovation

Zu jedem Zeitpunkt der Entwicklung der Rolls-Royce-SMR-Lösung wurde ein modularer Ansatz verfolgt, um die Stromkosten so niedrig wie möglich zu halten und gleichzeitig mehrere Ebenen der Fehlervermeidung und des Schutzes einzubauen, um die Sicherheit der Technologie zu gewährleisten.

Zusammenarbeit

Rolls-Royce steht an der Spitze der größten nationalen technischen Zusammenarbeit, die Großbritannien je gesehen hat, und vereint einige der angesehensten und innovativsten technischen Organisationen der Welt. Jedes dieser Unternehmen hat eine Erfolgsbilanz bei der Durchführung großer und komplexer Programme vorzuweisen.

Häufig gestellte Fragen

Wofür werden SMRs eingesetzt?

Fortschrittliche SMR-Kraftwerke können eine Leistung von einigen zehn bis zu Hunderten von Megawatt haben und bieten eine Reihe von Einsatzmöglichkeiten, darunter Stromerzeugung, Prozesswärme und Meerwasserentsalzung sowie andere damit verbundene industrielle Anwendungen.

Was sind die Vorteile von SMR?

SMRs bieten im Vergleich zu größeren Kernkraftwerken eine Reihe von Vorteilen. Zu diesen Vorteilen gehören eine höhere Sicherheit, geringere Produktionskosten, ein einfacheres Design und eine größere Flexibilität bei der Finanzierung, Standortwahl, Dimensionierung der Anlage und der Endanwendung. Außerdem können zusätzliche Module leicht hinzugefügt werden, wenn der Energiebedarf steigt.

Sind SMRs sicher?

SMRs sind sicherer als herkömmliche Reaktoren, da sie über verbesserte passive Sicherheitsmerkmale und eine effizientere Sicherheitshülle verfügen und weniger Bedenken hinsichtlich der Verbreitung von Reaktoren bestehen.