Der Entwurf

Der Xe-100 besteht aus zwei Zylindern: Dem Reaktor mit einem Durchmesser von etwa 4,9m und einer Höhe von 19,5m und dem Dampferzeuger mit einem Durchmesser von etwa 6,5m und einer Höhe von 25m. Der Reaktor dürfte etwa 200 to wiegen und der Dampferzeuger etwa 700 to. Beides Maße und Gewichte, wie sie z. B. bei Raffinerien und Chemieanlagen heute üblich sind. Insofern sind Montage und Transport für einschlägige Unternehmen kein Problem. Beide Zylinder sind nur durch ein Doppelrohr für das Helium miteinander verschraubt. Eine solche Einheit soll eine Wärmeleistung von 200 MW_th und eine elektrische Leistung von etwa 75 MWel haben. Die Eintrittstemperatur in den Reaktor beträgt 260°C und die Austrittstemperatur 750°C. Um überhaupt mit dem Gas Helium ausreichend Wärme bei akzeptabler Strömungsgeschwindigkeit transportieren zu können (kein Phasenübergang), beträgt der Betriebsdruck 70bar. Damit muß man wieder die Festigkeitsprobleme beherrschen, die sich aus der Kombination von hohem Druck bei hoher Temperatur ergeben. Mit anderen Worten: Die beiden „Zylinder“ werden entsprechend dickwandig und damit teuer. Ähnliches gilt für die spiralförmigen Rohre des Dampferzeugers, da sie auf Werte (165bar, 565°C) konventioneller Kraftwerke ausgelegt sind. Alles technisch beherrschbar, aber schon vom Ansatz her teuer.

Die Leistung eines solchen Moduls ist auch durch das „Kugelhaufen-Prinzip“ begrenzt. Das Ganze funktioniert wie ein Silo: Es werden ständig oben frische Brennstoffkugeln dem Reaktor zugeführt (ca. 175 Kugeln täglich) und unten wieder die entsprechende Menge abgebrannter Brennelemente abgezogen. Da die spezifische Leistung bei diesem Prinzip etwa 30 mal geringer als in einem konventionellen Druckwasserreaktor ist, ergibt sich ein „Haufen“ aus rund 220 000 Kugeln. Je größer jedoch ein Reaktorkern ist, um so mehr neigt er zu einem „Eigenleben“. Die sich ergebenden ungleichen Zustände müssen durch Regelstäbe im Griff behalten werden. Ab einer gewissen Größe ist es aber praktisch unmöglich, Regelstäbe in solch einen Haufen einzufahren ohne die Kugeln und die Regelstäbe zu beschädigen.

Sicherheit

Zentrales Sicherheitselement sind auch hier die TRISO-Brennelemente. In jeder einzelnen „Brennstoffkugel“ (6 cm Durchmesser) befinden sich rund 18 000 einzelne „Brennelemente“. Jedes einzelne Körnchen hat seine eigene Schutzhülle aus mehreren Schichten aus denen Spaltprodukte erst einmal entkommen müssen. Hätten sie es geschafft, müßten sie noch die Speicher- und Schutzschichten der Kugel durchdringen. Erst dann könnten sie ins „Kühlmittel“ Helium – das ständig (mit einfachen Mitteln) überwacht wird – gelangen. Bis an die Umwelt müßten sie dann noch den Druckbehälter, das Gebäude etc. überwinden. Die Sicherheitsfrage konzentriert sich damit auf die Beständigkeit der Kugeln. Die Tests über Bestrahlung und Temperatur sind bereits erfolgreich abgeschlossen. Für die Freisetzung von radioaktiven Stoffen ist die Stabilität von Brennelementen (Harrisburg, Fukushima) maßgeblich. Graphitkugeln können nicht schmelzen, sondern sublimieren (unmittelbare Verdampfung ohne Verflüssigung) bei über 3900°C. Diese Temperatur kann aber unter keinen Umständen (nicht im Betrieb und auch nicht durch Nachzerfallswärme) im Reaktor erreicht werden. Jede einzelne Kugel übernimmt quasi die Funktion des Containments von konventionellen Reaktoren (Verhinderung der Freisetzung radioaktiver Stoffe an die Umgebung).

Die Menge an spaltbarem Material (auf 15,5% angereichertes Uran) bzw. der Spaltprodukte (maximaler Abbrand 160 MWd/kg) ist schon durch das Volumen des Reaktors begrenzt. Es ist nur soviel „Überschussreaktivität“ vorhanden, daß die Veränderungen im Betrieb (z. B. Xenonvergiftung im Lastfolgebetrieb) über die Regelstäbe (2 mal 9 Stück) kompensiert werden können. Selbst wenn alle Regelstäbe vollständig gezogen sind, bricht die Kettenreaktion (stark negativer Temperaturkoeffizent) lange vor Erreichen der zulässigen Temperaturen in sich zusammen – der Reaktor ist „walk away sicher“. Fehlbedienungen sind ausgeschlossen bzw. der Reaktor könnte (zeitweise) ohne Personal betrieben werden. Selbst bei einem Ausfall der Kühlung (entweichen des Heliums) reicht die passive Wärmeabfuhr über Strahlung und Wärmeleitung aus um ein Unglück zu verhindern (Fukushima).

Revolutionärer Bestandteil des Genehmigungsverfahrens wird der Nachweis sein, daß keine unzulässige Strahlenbelastung außerhalb des Betriebsgeländes (400m um den Reaktor im Gegensatz zu 10 Meilen) auftreten kann. Alle erforderlichen Nachweise und Auflagen (Besiedelungsdichte, Evakuierungspläne etc.) für eine Genehmigung würden entfallen. Mit anderen Worten: Ein solcher Reaktor könnte unmittelbar neben einem Wohngebiet (z. B. Fernwärme) oder in einem Industriegebiet (Raffinerie, Chemiepark) gebaut werden.

Geschichte

X-energy wurde 2009 von Dr. Kam Ghaffarian gegründet. Es gelang ihm einige Fachleute mit Erfahrung auf dem Gebiet der Kugelhaufenreaktoren anzuwerben. Leitender Ingenieur z. B. ist Dr. Eben Mulder, der schon in Südafrika in der Entwicklung von Hochtemperaturreaktoren tätig war und einst auf diesem Gebiet in Deutschland promovierte. X-energy wuchs schnell und hatte bis 2017 bereits über $34 Millionen Kapital eingeworben. In diesem Jahr startete das Projekt eines 320 MWel Kraftwerks, bestehend aus vier Reaktormodulen. Federführend beteiligt ist Southern Nuclear (betreibt mehrere Kernkraftwerke und baut Vogtle) als Energieversorger und Burns & McDonnell als Ingenieurunternehmen. Richtungsweisend für andere Industriezweige ist die Entwicklung eines „Digitalen Zwillings“ des Reaktors (separat gefördert durch das Energieministerium). Stark vereinfacht gesagt, ist die gesamte Konstruktion als 3D-Modell digital vorhanden und verknüpft mit einschlägigen Programmen zur probabilistischen Sicherheitsanalyse, virtual reality usw. Ziel ist die systematische Ermittlung von Schwachstellen bereits in der Konstruktionsphase und z. B. der Test von Fertigungsrobotern etc. vorab am digitalen Modell. Dieser Ansatz hat sich bereits als revolutionär bei der Entwicklung von Kampfflugzeugen gezeigt. Wie schon immer, ist die Kerntechnik das Labor des technischen Fortschritts für die gesamte Industrie. Nur hier (außerhalb der Rüstungsindustrie) arbeiten die notwendigen Spitzenkräfte aus unterschiedlichen Disziplinen eng zusammen.

Bei den gasgekühlten Hochtemperaturreaktoren handelt es sich nicht um eine neue Erfindung, sondern eine evolutionäre Entwicklung in verschiedenen Ländern: USA (1944 ORNL, 1966–1974 Peach Bottom, 1967–1988 Fort St. Vrain, ab 2005 NGNP), UK (1966–1975 Dragon), Deutschland (1967–1988 AVR, 1986–1989 THTR), Japan (ab 1998 HTTR) und China (ab 2000 HTR-10). Es kommen über 70 Jahre Forschung und Entwicklung allein in Demonstrationsanlagen zusammen. Dieser Schatz an Daten ist für ein schnelles Genehmigungsverfahren von ausschlaggebender Bedeutung.

Marktpotential

Die Demonstrationsanlage soll aus vier Reaktoren bestehen und eine Leistung von 320 MWel haben. Damit wäre der Beweis für ein funktionstüchtiges Kraftwerk zum Ersatz alter fossiler Kraftwerke an einem gegebenen Standort erbracht. Ob es allerdings eine schlaue Idee ist, ein „Großkraftwerk“ aus zig Modulen zusammenzusetzen, muß sich noch erweisen. Allerdings muß man ganz klar feststellen, daß das Prinzip Kugelhaufenreaktor aus physikalischen Gründen nicht beliebig skalierbar ist. Dieses Reaktorprinzip bleibt nur kleineren Leistungen vorbehalten. Man braucht zur Produktion elektrischer Energie auch keine hohen Temperaturen. Eine Verbesserung des Wirkungsgrades ist bei heutigen Uranpreisen eher eine akademische Fragestellung. Das (bisherige) Alleinstellungsmerkmal liegt vielmehr in der „Walk Away Sicherheit“: Gelingt es, eine Zulassung als Reaktor zu bekommen, der auch bei einem schweren Störfall nur Auswirkungen auf das Betriebsgelände, aber nicht auf die Nachbarschaft hat, eröffnen sich völlig neue Anwendungen:

• Man kann unmittelbar neben chemischen Anlagen bauen,
• man kann nukleare Fernwärme nahe Wohngebieten betreiben,
• man kann einen zeitweiligen Betrieb ohne Personal anstreben,
• man kann solche SMR dezentral einsetzen, bzw. an abgelegenen Verbrauchsschwerpunkten.

Die Produktion von Heißdampf mit 565°C erlaubt nicht nur den Kauf von Dampfturbinen von der Stange, sondern zielt auch auf typische verfahrenstechnische Anwendungen ab (Raffinerien, Grundchemikalien etc.). So hat X-energy allein in den petrochemischen Anlagen an der Golfküste 41 Dampferzeuger ermittelt. Letztendlich stellt sich die Frage, was eine MWh_th bzw. MWh_el aus einem Xe-100 Reaktor kostet. Liegt der Preis unterhalb einer Kesselanlage mit Erdgas, läuft das Geschäft in großem Maßstab an. Wenn nicht, ist das Reaktorkonzept eher eine Totgeburt. Die Branche steht nicht zum ersten Mal wieder vor einem Henne-Ei Problem…

Internationale Kontakte

Jordanien ist ein typischer Vertreter von Ländern, deren Mangel an Kühlwasser das Hauptproblem bei der Elektrifizierung ist. Hochtemperaturreaktoren lassen sich auch mit Trockenkühltürmen betreiben. Auch das keine ganz neue Idee: Der THTR in Hamm-Uentrop hatte bereits einen solchen. Schon 2017 hat die Jordan Atomic Energy Commission (JAEC) mit X-energy eine Kooperation abgeschlossen. Zusätzlich haben Saudi Arabien und Jordanien auch Verhandlungen mit China über Hochtemperaturreaktoren geführt.

Letztes Jahr hat X-energy auch ein Genehmigungsverfahren in Kanada gestartet. Es gibt dort die sog. Vendor Design Review (VDR). Ein Verfahren das risikoorientiert ist und drei Schritte umfaßt: Im ersten Schritt wird lediglich geprüft, ob der Reaktor grundsätzlich alle kanadischen Vorschriften erfüllt. Im folgenden zweiten Schritt werden die als kritisch empfundenen Punkte näher betrachtet und diskutiert. In der dritten Phase kann der Antragsteller alle Auflagen aus den vorhergehenden Schritten noch nachbessern. Diese Vorgehensweise erlaubt dem Antragsteller besonders bei innovativen Konzepten jederzeit die Notbremse ziehen zu können, wenn die Kosten explodieren sollten und eine Genehmigung zumindest in weiter Ferne erscheint. Da die Entwicklung des Xe-100 schon weit fortgeschritten ist, werden die ersten beiden Phasen zusammen abgehandelt. Eine Zulassung in Kanada ist für X-energy äußerst wertvoll, da Kanada über eine starke kerntechnische Industrie mit vollständigen Lieferketten verfügt. Die Zulieferer sind aber verständlicherweise erst bereit zu investieren, wenn sie genau wissen, was sie produzieren müssen. So konnte bereits Hatch als Partner für die Detailkonstruktion und den weltweiten Vertrieb gewonnen werden. Ontario Power Generation (OPG) hat in Zusammenarbeit mit anderen Provinzen federführend den (geplanten) Bau eines SMR und den Aufbau der Lieferketten in Angriff genommen. In die engere Betrachtung ist neben dem Xe-100 von X-energy, der Integral Molten Salt Reactor (IMSR) von Terrestrial Energy und der BWRX-300 von General Electric gekommen. Im Moment setzt kein Land außerhalb der USA so konsequent auf die Entwicklung von SMR, wie Kanada. Das macht Sinn, da Kanada mit dem Ausbau seiner Schwerwasserreaktoren mittlerer Größe langsam an die Grenzen stößt. Ein so weites Land mit seinen umfangreichen Bergbauaktivitäten, Ölsänden usw. braucht dringend dezentrale Einheiten. Hinzu kommt der erhebliche Heizwärmebedarf eines nördlichen Landes: Sonne geht gar nicht und mit Windparks hat man nur schlechte Erfahrungen gemacht.

Der Beitrag erschien zuerst auf dem Blog des Autors hier

Die treibende Kraft hinter diesem Projekt ist — in diesem Sinne sicherlich nicht ganz zufällig — das Konsortium URENCO. Ein weltweiter Betreiber von Urananreicherungsanlagen. Solche Kaskaden aus Zentrifugen brauchen kontinuierlich gewaltige Mengen elektrische Energie. Man sucht also selbst nach einer Lösung für die immer teurere Versorgung.

Der Reaktor

Wieder ein neuer „Papierreaktor“ mehr, könnte man denken. Ganz so ist es aber nicht. Man hat von Anfang an auf erprobte Technik gesetzt. Es ist reine Entwicklungsarbeit — insbesondere für die Nachweise in einem erfolgreichen Genehmigungsverfahren — aber keine Forschung mehr zu leisten. Insofern ist der angestrebte Baubeginn 2024 durchaus realisierbar.

Fangen wir mit dem Brennstoff an. Es sind [TRISO] (TRISO) Brennelemente vorgesehen. Dieser Brennstofftyp ist bereits in mehreren Ländernerfolgreich angewendet worden. Diese Brennelemente überstehen problemlos Temperaturen von 1800 °C. Dadurch sind solche Reaktoren inhärent sicher. Gemeint ist damit, daß die Kettenreaktion auf jeden Fall infolge des Temperaturanstiegs zusammenbricht und eine Kernschmelzedurch die Nachzerfallswärme (Fukushima) ausgeschlossen ist. Man braucht somit keine Notkühlsysteme, dies spart Kosten und vor allem: Was man nicht hat, kann auch nicht kaputt gehen oder falsch bedient werden. Der Sicherheitsgewinn ist dadurch so groß, daß sich alle denkbaren Unfälle nur auf den Reaktor und sein schützendes Gebäude beschränken. Nennenswerte Radioaktivität kann nicht austreten und damit beschränken sich alle Sicherheitsanforderungen nur noch auf das Kraftwerksgelände selbst. Eine „revolutionäre Feststellung“, der sich die Genehmigungsbehörden langsam anschließen. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf die möglichen Standorte, Versicherungsprämien etc. Ein nicht mehr umkehrbarer Schritt auf dem Weg zu einem „normalen Kraftwerk“ oder einer „üblichen Chemieanlage“. Die Errichtung solcher Reaktoren in unmittelbarer Nähe zu Städten (Fernwärme) oder Industrieanlagen (Chemiepark, Automobilwerk etc.) ist nur noch eine Frage der Zeit.

Als Kühlmittel ist Helium vorgesehen. Der Reaktorkern wird aus sechseckigen Brennelementen als massiver Block aufgebaut. Mit dieser Technik besitzt GB eine jahrzehntelange Erfahrung. Kein Land besitzt mehr Betriebsjahre mit Reaktorgraphit. Der Vorteil gegenüber einem Kugelhaufen sind definierte Kanäle für das Kühlmittel und die Regelstäbe. Vor allen Dingen ergibt sich aber kein Staubproblem aus dem Abrieb der Kugeln während des Betriebs. Die notwendigen Rohrleitungen und das Gebläse zur Umwälzung des Heliums bleiben sauber. Dies erleichtert etwaige Wartungs- und Reparaturarbeiten. Der komplette Reaktor kann in einer Fabrik gebaut und getestet werden und mit einem LKW einsatzbereit auf die Baustelle gebracht werden.

Als Brennstoff dient angereichertes Uran. Die Anreicherung (< 20% U²³⁵) erlaubt einen mehrjährigen Betrieb ohne einen Brennstoffwechsel („Batterie“). Ob der Brennstoff vor Ort im Kraftwerk gewechselt werden muß oder der gesamte Reaktor zurück zum Hersteller gebracht werden kann, ist noch nicht abschließend geklärt (Strahlenschutz). Der Ansatz einer „Batterie“ verringert jedenfalls die Größe eines etwaigen Brennelementenlagers am Kraftwerk und schließt eine mißbräuchliche Nutzung praktisch aus (Proliferation). Damit ist ein solches Kraftwerk auch problemlos in „zwielichtigen Staaten“ einsetzbar. Ferner verringert sich der Personalaufwand im Kraftwerk. Ein solches Kraftwerk wäre halbautomatisch und fernüberwacht betreibbar. Was den Umfang des erforderlichen Werkschutzes anbelangt, sind die Genehmigungsbehörden noch gefragt. Eine Chemieanlage — egal wie gefährlich — kommt heutzutage mit einem üblichen Werkschutz aus, während von Kernkraftwerken erwartet wird, eine komplette Privatarmee zu unterhalten. Alles Ausgeburten von „Atomkraftgegnern“ um die Kosten in die Höhe zu treiben. Verkauft wird so etwas als Schutz gegen den Terrorismus.

Der konventionelle Teil

Man plant keinen Dampfkreislauf, sondern eine Gasturbine als Antrieb des Generators. Kein ganz neuer Gedanke, aber bisher ist z. B. Südafrika an der Entwicklung einer Heliumturbine gescheitert. Helium ist thermodynamisch zu eigenwillig und außerdem ist bei einem Kugelhaufenreaktor mit einer radioaktiven Staubbelastung zu rechnen. Bei der U-Battery hat man sich deshalb für einen sekundären Kreislauf mit Stickstoff entschieden. Vordergründig kompliziert und verteuert ein zusätzlicher Wärmeübertrager zwischen Reaktorkreislauf (Helium) und Turbinenkreislauf (Stickstoff) das Kraftwerk, aber man hat es sekundärseitig nur noch mit einem sauberen und nicht strahlenden Gas zur beliebigen Verwendung zu tun. Stickstoff ist nahezu Luft (rund 78% N₂) und man kann deshalb handelsübliche Gasturbinen verwenden. Auch an dieser Stelle erscheint das wirtschaftliche Risiko sehr gering. Der Wärmeübertrager Helium/Stickstoff übernimmt lediglich die Funktion der Brennkammer eines Flugzeugtriebwerkes (Leistungsklasse). Bei der vorgesehenen hohen Temperatur von 750°C des Stickstoffs bleibt nach der Turbine noch jegliche Freiheit für die Verwendung der Abwärme (Fernwärme, Prozessdampf etc.). Die immer noch hohe Temperatur am Austritt einer Gasturbine erlaubt problemlos eine Kühlung mit Umgebungsluft ohne große Verschlechterung des Wirkungsgrades. Ein immenser Vorteil für alle ariden Gebiete.

Die Projektierer

Eine zügige Verwirklichung scheint durch die Zusammensetzung der beteiligten Unternehmen nicht unwahrscheinlich: Amec Foster Wheeler (über 40000 Mitarbeiter in 50 Ländern) mit umfangreicher Erfahrung in Öl- und Gasprojekten. Cammel Laird als Werft. Laing O’Rourke als Ingenieurunternehmen. Atkins für Spezialtransporte. Rolls Royce als international führender Produzent von Gasturbinen (Flugzeuge und Schiffe), darüberhinaus mit umfangreicher Erfahrung in der Kerntechnik.

Bemerkenswert ist die Ausweitung des Projektes auf den Commonwealth. Kanada und Indien sind bereits dabei. Läßt der „Brexit“ hier grüßen? Nach bisherigem Stand der Dinge, könnte der erste Reaktor in Chalk River in Kanada gebaut werden. Dies ist auch kein Zufall, da in Kanada bereits über 200 potentielle Standorte für einen solchen MMR ermittelt wurden. Für diese potentiellen Kunden ist bereits ein neuartiges Geschäftsmodell in Arbeit: Sie bezahlen nur die gelieferte Wärme und und die elektrische Energie. Das Kraftwerk wird dann von einer Zweckgesellschaft finanziert, gebaut und betrieben. So kann dem Kunden das wirtschaftliche Risiko abgenommen werden. Es ist nicht anzunehmen, daß irgendein Bergwerk oder eine Ölraffinerie bereit ist in das „Abenteuer Kerntechnik“ einzusteigen. Andererseits sind solche sog. „Betreibermodelle“ in der einschlägigen Industrie lange bekannt und erprobt.

Noch ein paar Daten

Der Reaktor hat einen Durchmesser von etwa 1,8 m und eine Länge von etwa 6 m. Er ist damit problemlos auf einem LKW transportierbar. Das Helium soll einen Betriebsdruck von ca. 40 bar haben und eine Austrittstemperatur von 750 °C. Damit ergibt sich eine notwendige Wandstärke von unter 100 mm. Dies ist wichtig, weil hierfür keine speziellen Schmieden bzw. Rohlinge erforderlich sind. Nur wenige Unternehmen weltweit können demgegenüber Druckbehälter für Leichtwasserreaktoren schmieden.

Als Brennstoff soll auf knapp 20% angereichertes Uran (high assay, low enriched uranium (HALEU)) verwendet werden. Damit werden die TRISO-Kügelchen hergestellt, die zu Tabletten mit einer Höhe von ca. 40 mm und einem Außendurchmesser von ca. 26 mm gepreßt werden. Aus diesen werden die sechseckigen Brennelemente mit einer Kantenlänge von 36 cm und einer Höhe von 80 cm aufgebaut. Sie enthalten alle Kanäle für Regelstäbe, Instrumentierung usw. Der Kern des Reaktors besteht aus je 6 Brennelementen in 4 Lagen übereinander. Er beinhaltet etwa 200 kg Uran. Dies reicht für einen ununterbrochenen Vollastbetrieb von 5 Jahren.

Eine Doppelblockanlage (2 x 4 MW_el) erfordert einen Bauplatz von ca. 10 x 12 m (Reaktoren, Wärmeübertrager und Turbinen im „Keller“, Halle für Wartungsarbeiten darüber). Hinzu käme noch Platz für Schaltanlagen, Kühler, Büros etc.

Es wird von Baukosten zwischen 45 bis 78 Millionen € für eine Doppelblockanlage ausgegangen (5600 bis 9750 €/KW). Das mag auf den ersten Blick hoch anmuten, aber man bewegt sich mit dieser Leistung von 8 MW_el im Marktsegment der sog. Dieselmotoren-Kraftwerke. Hinzu kommen in entlegenen Standorten noch die meist höheren Kosten für den Dieselkraftstoff. Der für die „U-Battery“ ermittelte Strompreis von 9 Cent/KWh dürfte somit für den angepeilten Kundenkreis sehr attraktiv sein.

Inzwischen gibt es eine sehr enge Kooperation zwischen Kanada und GB. Ein paralleles, aber kooperatives Genehmigungsverfahren zeichnet sich ab. Weiterhin sind Indien, Japan, Polen, USA und Neuseeland bereits mit im Boot. Vielleicht schon die erste Morgendämmerung, wohin die Reise von GB nach dem Brexit geht? Jedenfalls nicht in das Rest-Europa, in dem unsere Kanzlerin so gut und gerne lebt.