Small Modular Reactor

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Aufbau eines SMR

Small Modular Reactors (SMR; deutsch „kleine modulare Reaktoren“; auch als „Miniatomkraftwerk“ bezeichnet) sind modulare Kernspaltungsreaktoren, die kleiner als herkömmliche Reaktoren sind und daher in einer Fabrik vorgefertigt und anschließend an einen Montageort verbracht werden können.[1] Sie sollen einen geringeren Aufwand vor Ort, eine höhere Risiko-Eindämmungseffizienz und eine höhere Sicherheit der verwendeten Kernmaterialien ermöglichen. SMRs wurden auch vorgeschlagen, um Finanzierungsprobleme zu umgehen, von denen konventionelle Kernreaktoren mit größerer Leistung (z. B. EPR, WWER) und um ein Vielfaches höheren Investitionskosten betroffen sind.

Die IAEA definiert nach Leistungsklassen (ohne modularen Charakter der Anlagen):[2]

  • Kleine SMR bis 300 MWel
  • Mittlere SMR zwischen 300 und 700 MWel

Für SMRs gibt es verschiedene Entwürfe, von verkleinerten Versionen bestehender Kernreaktordesigns bis hin zu völlig neuen Entwürfen der vierten Kernkraftwerks-Generation. Es wurden sowohl thermische als auch schnelle Neutronenreaktoren vorgeschlagen. Weltweit wurden 2017 von verschiedensten Firmen rund 60 SMR-Konzepte entwickelt, wobei die ersten diesbezüglichen Ideen und Entwürfe auf die 1950er-Jahre zurückgehen. Dabei gehen optimistische Schätzungen davon aus, dass 2035 knapp zehn Prozent aller neu gebauten Kernkraftwerke SMR sein werden. Sie sollen die Atomenergie rehabilitieren und auch Kritiker überzeugen, indem sie so sicher sein sollen, dass im Falle eines Atomunfalls keine Evakuierungszonen mehr notwendig seien; außerdem seien sie eine perfekte Kombination mit den erneuerbaren Energien, da sie im Gegensatz zu großen (Kern-)Kraftwerken flexibel, nämlich im Falle von Produktions- und Nachfrageschwankungen schnell ab- oder zuschaltbar seien. Die Tatsache, dass „klassische“ Kernkraftwerke z. B. vom Typ Konvoi zum Lastfolgebetrieb in der Lage sind, und diesen auch in der Praxis nachgewiesen haben,[3][4] wird dabei jedoch gerne unerwähnt gelassen. Nach Analysen der OECD-Nuklearsparte soll ihr Potenzial in Stromnetzen mit einem hohen Anteil an Erneuerbaren sogar am größten sein. Auch ihre Entsorgung mit dem Abwracken könne problemlos in einer Fabrik durchgeführt werden.[5]

Offen ist bisher die Frage, zu welchen Kosten Strom in SMR produziert werden kann. Schätzungen gehen von Stromgestehungskosten von USD 120/MWh aus.[6] Ein von NuScale zusammen mit dem Energieversorger Utah Associated Municipal Power Systems (UAMPS) geplantes Projekt in Idaho sollte Stand Anfang 2023 USD 102/MWh erreichen, wenn man die Subventionen herausrechnete.[7] Zum Vergleich: Nach Schätzungen aus dem April 2023 erreichen Solarfreiflächenanlagen Stromgestehungskosten von USD 24 bis USD 96/MWh,[8] allerdings mit erheblich niedrigerem Leistungskredit.

Mitte November 2023 gab NuScale bekannt, doch keinen SMR in Idaho zu bauen, da es nach dem gegenwärtigen Stand unwahrscheinlich sei, dass sich ausreichend Abnehmer für die Energie fänden, die in dem Atomkraftwerk erzeugt werden sollte.[9][10][11]

SMRs werden sowohl von bekannten als auch von neuen Unternehmen angeboten und beworben. Dazu zählen z. B.,

In der Studie GRS 376 (siehe unten) wurden über 69 SMR-Konzepte identifiziert, darunter die Verteilung auf die folgenden Reaktortypen:

Im folgenden Abschnitt werden verschiedene Projekte und Prototypen beschrieben.

Weitere Projekte

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  • Das in Corvallis (Oregon) ansässige Start-up Nuscale Power mit EU-Büro in London entwickelt kleine, gebrauchsfertig zu liefernde Reaktormodule mit einer Leistung von ursprünglich 50 MW und einem „integralen Reaktorbehälter“, worin sich Reaktorkern, Dampferzeuger sowie Primärkreislauf zusammen befinden, die sonst getrennte Einheiten bilden. Im Lauf der Jahre wuchs die Leistung auf 77 MW je Einheit, da größere Reaktoren günstiger Strom produzieren, was bereits in früheren Jahrzehnten zu immer größeren Meilern geführt hat, bis hin zum EPR, dieser Sachverhalt wird bei SMRs ignoriert. Einzelne Module mit 4,5 m Breite und 22 m Höhe sollen sich per Schwertransport an ihre Einsatzorte bringen lassen, wo bis zu zwölf voneinander unabhängig arbeitsfähige Module mit dann zusammen 600 MW Leistung in einem Gebäude untergebracht werden sollten. Ende 2016 wurde die Zulassung des Modells für den US-Markt beantragt, am in Idaho vorgesehenen ersten Bauplatz wurden 2017 Umweltgutachten erstellt.[5] Die Design-Zulassung in den USA wurde im Januar 2023 erteilt.[24] Im November 2023 wurde das Projekt gestoppt, da man anzweifelte, für die elektrische Energie der sechs Reaktoren mit einer Gesamtleistung von 0,462 GW Abnehmer zu finden.[9] Außerdem werden die deutlich gestiegenen Kosten von geschätzten 5,3 auf 9,3 Milliarden US-Dollar und Finanzierungsprobleme als Gründe für den Ausstieg genannt.[11] Für die Entwicklung des Modellprojektes hatte Nuscale staatliche Subventionen in Höhe von 4 Milliarden US-Dollar erhalten.[25] Nuscales Projektpartner, der Energieversorger Utah Associated Municipal Power Systems, verlautbarte gegenüber dem Magazin Science, dass sich das Unternehmen stattdessen auf den Ausbau von Windenergie, Solarkraftwerken und Batterien konzentrieren werde.[26]
  • Rolls-Royce hat einen Druckwasserreaktor als SMR mit einer elektrischen Leistung von 470 MW entwickelt. Die Einzelteile der Reaktorblöcke sollen sich mit einem Lkw transportieren lassen und in Massenproduktion hergestellt werden.[27] Die Zulassung im Vereinigten Königreich soll bis 2024 erfolgen, der erste Reaktor 2029 ans Netz gehen.[28]
  • Schwimmende SMR werden z. B. von der kanadischen Firma Dunedin Energy Systems für abgelegene Bergbauprojekte in den USA sowie als „Integraler Leichtwasser-Reaktor“ vom chinesischen Nuclear Power Institute in Chengdu in Kooperation mit der britischen Lloyd’s Register entwickelt. Dabei müssen solche Anlagen nicht nur den Sicherheits-Vorgaben der IAEO genügen, sondern auch denen der Internationalen Seeschifffahrts-Organisation IMO, die dafür mittlerweile einen vorläufigen Anforderungskatalog aufgestellt hat; allerdings sind hier noch weitere Regularien und technische Anforderungen notwendig, z. B. auch für den Fall des Sinkens der Anlagen. Dabei steht die internationale Genehmigungspraxis insgesamt vor der Herausforderung der vorgesehenen länderübergreifenden standortgebundenen und hochstandardisierten Produktionen, also quasi von Typ- statt Einzelzulassungen.[5]
  • Im Jahr 2021 beschloss TerraPower den Bau eines kleinen modularen Flüssigsalzreaktors mit Natriumkühlung und 500 Megawatt Spitzenleistung in den USA.[29]
  • Der US-Hersteller Holtec International und Energoatom sind im Gespräch über 20 SMR-160 Anlagen für die Ukraine.[30]

Mögliche Standorte

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Kanada, die USA und das Vereinigte Königreich fördern die Entwicklung von SMRs mit öffentlichen Mitteln.[31] Im Streit um die Kernenergie in Belgien wurden 2021 in einem regierungsinternen Kompromiss 100 Millionen Euro Fördermittel für die Forschung zur Entwicklung kleinerer modularer Kernreaktoren vorgesehen.[32] Interessenbekundungen und Vorverträge existieren Stand September 2022 auch für Polen,[33] Rumänien,[34] Estland,[35] Tschechien[36][37], Schweden[38] und die Niederlande.[39] Aufgrund der Leistung im Bereich der Antriebsleistung bestehender Containerschiffe (z. B. Emma Maersk: 80 MW; Open100: 100 MW) wäre auch der Einsatz als Schiffsantrieb denkbar. Aufgrund der volatilen und tendenziell steigenden Preise von Schweröl und Schiffsdiesel sowie der Problematik bzgl. der Emissionen der Schifffahrt wird dies trotz der vergangenen gemischten Erfahrungen (technisch erfolgreich, politisch und ökonomisch gescheitert) mit „Versuchsschiffen“ wie Otto Hahn oder NS Savannah immer wieder propagiert.[40][41]

Studien und Gutachten

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SMR Feasibility Study (2014)

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Machbarkeitsstudie[42] herausgegeben durch das englische National Nuclear Laboratory (NNL).[43] Die Studie hat die folgenden Bereich untersucht:

  1. Bewertung des globalen Marktes
  2. Technische Bewertung
  3. Investition in Innovation
  4. Finanzielle Bewertung (einschließlich Bewertung der Kostensenkung)
  5. Bewertung der kommerziellen Möglichkeiten im Vereinigten Königreich

In der Studie der Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit wurden SMRs wie folgt untersucht:[44][2]

  • Überblick zur Thematik „SMR“
  • Reaktorsicherheit und zukünftige F&E Vorhaben
  • Anpassungsbedarf der Rechencodes
  • Hochtemperaturreaktoren in Kopplung an Industrieanlagen

BASE/Öko-Institut (2021)

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Das Bundesamt für die Sicherheit der nuklearen Entsorgung (BASE) hat am 10. März 2021 ein umfangreiches Gutachten präsentiert,[45] das 136 verschiedene historische sowie aktuelle Reaktoren bzw. SMR-Konzepte betrachtet, 31 davon besonders detailliert. Das vom Öko-Institut im Auftrag des BASE erstellte Gutachten liefert eine Einschätzung zu möglichen Einsatzbereichen, der Endlagerfrage, Sicherheitsfragen und der Proliferations-Gefahr.[46][47]

Ergebnisse des Gutachtens sind unter anderem:

  • Um weltweit dieselbe elektrische Leistung zu erzeugen wie mit üblichen Atomkraftwerken, sei der Bau von vielen tausend bis zehntausend SMR-Anlagen notwendig.
  • Gegenüber Atomkraftwerken mit großer Leistung könnten zwar einzelne SMR potenziell sicherheitstechnische Vorteile erzielen, da sie pro Reaktor ein geringeres radioaktives Inventar aufweisen. Die hohe Anzahl an Reaktoren, die für die gleiche Produktionsmenge an elektrischer Leistung notwendig ist, erhöhe das Risiko jedoch insgesamt um ein Vielfaches.
  • Anders als teilweise von Herstellern angegeben, müsse davon ausgegangen werden, dass bei einem schweren Unfall die radioaktiven Kontaminationen deutlich über das Anlagengelände hinausreichten.
  • Durch die geringe elektrische Leistung seien bei SMR die Baukosten relativ betrachtet höher als bei großen Atomkraftwerken. Eine Produktionskostenrechnung unter Berücksichtigung von Skalen-, Massen- und Lerneffekten aus der Nuklearindustrie lege nahe, dass im Mittel 3.000 SMR produziert werden müssten, bevor sich der Einstieg in die SMR-Produktion lohnen würde.
  • Bei einem Wiedereinstieg in die Atomenergie seien wiederum lange Betriebs-, Sicherheits- und Störfallrisiken in Kauf zu nehmen. Umfangreiche Zwischenlager- und Brennstofftransporte seien weiterhin erforderlich. Auch ein Endlager sei in jedem Fall weiter erforderlich.
  • Die Verwendung von bereits vorhandenen Uranreserven durch Partionierungs- und Transmutations-Konzepte (P&T) sei nur anwendbar für abgebrannte Brennstäbe. Allerdings seien 40 Prozent davon in Deutschland bereits wiederaufgearbeitet. Die daraus entstandenen verglasten Abfälle seien nicht für P&T-Verfahren zugänglich.
  • Zwar könnten bestimmte Transurane wie Plutonium in ihrer Menge reduziert werden, auf der anderen Seite würde jedoch die Abfallmenge für andere langlebige radioaktive Spaltprodukte ansteigen, z. T. sogar um bis zu 75 Prozent (Cäsium-135) gegenüber der ohne P&T einzulagernden Menge.
  • Schließlich bliebe die Gefahr, dass das im P&T-Verfahren notwendigerweise abzutrennende Plutonium leichter für Waffenherstellung zugänglich wäre.

In der kritischen Gesamtbewertung heißt es: Keine der diskutierten Technologien sei derzeit und absehbar am Markt verfügbar. Gleichzeitig würden sie mit ähnlichen Versprechen wie zu den Reaktoren in den 1950ern und 1960er Jahren des vergangenen Jahrhunderts angepriesen.[48]

Dokumentationen

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Fachartikel und Andere

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  • Mario D. Carelli, Daniel T. Ingersoll (Hrsg.): Handbook of Small Modular Nuclear Reactors (= Woodhead Publishing Series in Energy). Elsevier, Waltham, MA 2015, ISBN 978-0-85709-851-1 (englisch).
  • Jorge Morales Pedraza: Small Modular Reactors for Electricity Generation. Springer International Publishing, Cham 2017, ISBN 978-3-319-52215-9, doi:10.1007/978-3-319-52216-6 (englisch).
  • Bahman Zohuri: Small Modular Reactors as Renewable Energy Sources. Springer International Publishing, Cham 2019, ISBN 978-3-319-92593-6, doi:10.1007/978-3-319-92594-3 (englisch).
  • Bahman Zohuri, Patrick McDaniel: Advanced Smaller Modular Reactors: An Innovative Approach to Nuclear Power. Springer International Publishing, Cham 2019, ISBN 978-3-03023681-6, doi:10.1007/978-3-030-23682-3 (englisch).
  • IAEA: Advances in Small Modular Reactor Technology Developments. 2022 Edition Auflage. IAEA, Vienna 2022 (englisch, iaea.org [PDF]).
  • NEA: The NEA Small Modular Reactor Dashboard. Hrsg.: NEA. OECD, Paris 2023 (englisch, oecd-nea.org).
  • NEA: The NEA Small Modular Reactor Dashboard - Volume II. Hrsg.: NEA. OECD, Paris 2023 (englisch, oecd-nea.org).

Einzelnachweise

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  1. Small Modular Reactors (SMR): Kernkraftwerke im Kleinformat | GRS gGmbH. Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit, abgerufen am 22. Mai 2023.
  2. a b S. Buchholz, A. Krüssenberg, A. Schaffrath, R. Zipper: Studie zur Sicherheit und zu internationalen Entwicklungen von Small Modular Reactors (SMR) - GRS 376. Hrsg.: GRS. 2015, ISBN 978-3-944161-57-0 (grs.de [PDF; abgerufen am 22. Mai 2023]).
  3. Reinhard Grünwald, Claudio Caviezel: Lastfolgefähigkeit deutscher Kernkraftwerke. Hrsg.: TAB Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag. Nr. 21, März 2017, ISSN 2199-7136 (kit.edu [abgerufen am 23. Juni 2023]).
  4. Load Cycling Capabilities of German Nuclear Power Plants (NPP) | PDF | Pressurized Water Reactor | Nuclear Power Plant. Abgerufen am 23. Juni 2023.
  5. a b c deutschlandfunk.de: Kleine AKWs vom Fließband - Schöne neue Reaktorwelt. Abgerufen am 22. Mai 2023.
  6. Small modular nuclear reactors could be key to meeting Paris Agreement targets. In: woodmac.com. 24. August 2021, abgerufen am 9. August 2023.
  7. Eye-popping new cost estimates released for NuScale small modular reactor. In: ieefa.org. 11. Januar 2023, abgerufen am 9. August 2023.
  8. 2023 Levelized Cost Of Energy+. In: lazard.com. 12. April 2023, abgerufen am 9. August 2023.
  9. a b Andreas Wilkens: Small Modular Reactor: Mini-AKW in Idaho wird doch nicht gebaut. In: heise.de. 10. November 2023, abgerufen am 13. November 2023.
  10. Winand von Petersdorff: Der geplatzte Traum von den kleinen Atomreaktoren. In: FAZ.net. 12. November 2023, abgerufen am 13. November 2023.
  11. a b Joachim Wille: Mini-Atomkraftwerk wird nicht gebaut. In: fr.de. 13. November 2023, abgerufen am 13. November 2023.
  12. Chinese SMR containment takes shape : New Nuclear - World Nuclear News. 28. Februar 2022, abgerufen am 19. Mai 2023 (englisch).
  13. ACP100. China Nuclear Power Engineering Group, abgerufen am 23. Mai 2023 (englisch).
  14. copenhagen atomics. Abgerufen am 19. Mai 2023 (amerikanisches Englisch).
  15. Korea SMART Reactor : Small Modular Reactors : New Energy Solutions : Doosan Enerbility. Abgerufen am 19. Mai 2023 (englisch).
  16. VOYGR SMR Plants | NuScale Power. Abgerufen am 19. Mai 2023 (englisch).
  17. Pursuing Next-Generation and Advanced Reactors with Enhanced Safety:Research and development | Nuclear Power | Toshiba Energy Systems & Solutions. Abgerufen am 23. Mai 2023.
  18. AP300™ Small Modular Reactor. Westinghouse, abgerufen am 19. Mai 2023.
  19. Argentinisches Wirtschaftsministerium: Reactor argentino CAREM – La construcción en fotos. Abgerufen am 17. März 2021 (spanisch).
  20. China's HTR-PM reactor achieves first criticality : New Nuclear - World Nuclear News. In: world-nuclear-news.org. 14. September 2021, abgerufen am 24. September 2022.
  21. The Shandong Shidao Bay 200 MWe High-Temperature Gas-Cooled Reactor Pebble-Bed Module (HTR-PM) Demonstration Power Plant: An Engineering and Technological Innovation - ScienceDirect. In: sciencedirect.com. 2016, abgerufen am 24. September 2022.
  22. World Nuclear Association - World Nuclear Association. In: world-nuclear.org. Abgerufen am 24. September 2022.
  23. a b China starts construction of demonstration SMR : New Nuclear - World Nuclear News. In: world-nuclear-news.org. 13. Juli 2021, abgerufen am 9. Juli 2022.
  24. US regulator completes first SMR design certification rulemaking : Regulation & Safety - World Nuclear News. In: world-nuclear-news.org. 23. Januar 2023, abgerufen am 9. August 2023.
  25. ntv.de: Traum günstiger Minireaktoren verpufft in Idaho. In: n-tv.de. 13. Juni 2023, abgerufen am 13. November 2023.
  26. Andreas Menn: Tiefschlag für die Nuklearindustrie. In: wiwo.de. 15. November 2023, abgerufen am 15. November 2023.
  27. Rolls-Royce plans mini nuclear reactors by 2029. In: BBC News. 24. Januar 2020 (bbc.com [abgerufen am 22. Mai 2023]).
  28. Rolls-Royce hopes for UK SMR online by 2029 : New Nuclear – World Nuclear News. In: world-nuclear-news.org. 19. April 2022, abgerufen am 24. September 2022.
  29. USA: Atomfirma von Bill Gates plant Reaktor in Wyoming. In: Der Spiegel. Abgerufen am 3. Juni 2021.
  30. Mass deployment of Holtec SMRs in Ukraine is part of accord's aims : New Nuclear - World Nuclear News. In: World Nuclear News. World Nuclear Association, 24. April 2023, abgerufen am 19. Mai 2023 (englisch).
  31. Which countries are investing most in small modular reactors? In: weforum.org. 13. Januar 2021, abgerufen am 24. September 2022.
  32. Belgium agrees to close controversial ageing nuclear reactors. In: BBC News. 23. Dezember 2021, abgerufen am 23. Dezember 2021 (englisch).
  33. NuScale, KGHM agree to deploy SMRs in Poland : New Nuclear - World Nuclear News. In: world-nuclear-news.org. 14. Februar 2022, abgerufen am 24. September 2022.
  34. Romanian-Polish cooperation on NuScale SMR deployment : New Nuclear - World Nuclear News. In: world-nuclear-news.org. 7. September 2022, abgerufen am 24. September 2022.
  35. Fermi Energia to evaluate NuScale SMR for Estonia : New Nuclear - World Nuclear News. In: world-nuclear-news.org. 25. August 2022, abgerufen am 24. September 2022.
  36. Rolls-Royce SMR has signed a Memorandum of Understanding (MoU) with Czech nuclear engineering and manufacturing firm Škoda JS. - Rolls Royce SMR. In: rolls-royce-smr.com. 5. September 2022, abgerufen am 24. September 2022.
  37. Atomkraft: Erstes europäisches Mini-AKW soll in Südböhmen entstehen. In: heise.de. 23. September 2022, abgerufen am 24. September 2022.
  38. Kärnfull teams up with GEH for SMR deployment : New Nuclear - World Nuclear News. In: world-nuclear-news.org. 14. März 2022, abgerufen am 24. September 2022.
  39. Constellation to help Dutch Rolls-Royce SMR deployment : New Nuclear - World Nuclear News. In: world-nuclear-news.org. 15. September 2022, abgerufen am 24. September 2022.
  40. Monirul Hoque, A. Z. M. Salauddin, Md Reaz Hasan Khondoker: Design and Comparative Analysis of Small Modular Reactors for Nuclear Marine Propulsion of a Ship. In: World Journal of Nuclear Science and Technology. Band 8, Nr. 3, 28. Juni 2018, S. 136–145, doi:10.4236/wjnst.2018.83012 (scirp.org [abgerufen am 22. Mai 2023]).
  41. Small-Scale Nuclear Power for Commercial Ship Propulsion. Abgerufen am 22. Mai 2023 (englisch).
  42. National Nuclear Laboratory (Hrsg.): Small Modular Reactors (SMR) Feasibility Study. Dezember 2014 (englisch, nnl.co.uk [PDF; abgerufen am 10. Juli 2023]).
  43. Position Papers. Abgerufen am 10. Juli 2023 (amerikanisches Englisch).
  44. (GRS 376) Studie zur Sicherheit und zu internationalen Entwicklungen von Small Modular Reactors (SMR) | GRS gGmbH. Abgerufen am 22. Mai 2023.
  45. Christoph Pistner, Matthias Englert, Christian Küppers, Christian von Hirschhausen, Ben Wealer, Björn Steigerwald, Richard Donderer: Sicherheitstechnische Analyse und Risikobewertung einer Anwendung von SMR-Konzepten (Small Modular Reactors). Hrsg.: Bundesamt für die Sicherheit der nuklearen Entsorgung. Berlin März 2021 (bund.de [PDF; abgerufen am 22. Mai 2023] Vorhaben 4720F50500).
  46. Sicherheitstechnische Analyse und Risikobewertung einer Anwendung von SMR-Konzepten (Small Modular Reactors). 10. März 2021, abgerufen am 19. Mai 2023.
  47. Michael Bauchmüller: Atomenergie: Der Fortschritt trügt. 9. März 2021, abgerufen am 22. Mai 2023.
  48. Bundesamt für die Sicherheit der nuklearen Entsorgung: Small Modular Reactors – Was ist von den neuen Reaktorkonzepten zu erwarten? 10. März 2021, abgerufen am 16. März 2021.