Die 4. Generation der Kernenergie: Günstiger, Sauberer, Sicherer

Von Science-Fiction zur Stagnation

Zu sagen, dass Kernenergie umstritten ist, ist eine Untertreibung. Viele sehen sie als extrem gefährliche Idee, bringen das Gespenst von Tschernobyl und Fukushima als Beweis an und das Problem des nuklearen Abfalls als unlösbar. Andere sehen sie als potenzielle zivilisationsrettende Technologie, dank ihrer Fähigkeit, Grundlaststrom mit extrem niedrigen CO₂-Emissionen und geringem Flächenverbrauch zu erzeugen.

Diese Spaltung existierte bereits früh, bevor der Klimawandel überhaupt ein Thema war.

Die Welt wurde erstmals durch die Atombombenabwürfe auf Hiroshima und Nagasaki auf die außergewöhnliche Kraft der Kernenergie aufmerksam, gefolgt von der Erfindung der Wasserstoffbombe und dem Kalten Krieg. Aus diesen Anfängen war das zerstörerische Potenzial unserer neu gewonnenen Beherrschung des Atoms klar.

Bald nahm auch die Idee, sie für friedliche Zwecke zu nutzen, Gestalt an. Zuerst die „Atom for Peace“-Initiative, dann eine massive Welle des Baus von Kernkraftwerken weltweit. Eine Zeit lang schien klar, dass die Zukunft nuklear sei und das Verbrennen von Kohle, Öl und Gas bald so veraltet sein würde wie die malerischen Windmühlen der Niederlande.

In der Praxis hörte die Kernenergieproduktion Ende der 1990er Jahre nach Tschernobyl auf zu wachsen und ist seitdem weltweit stagniert, wobei Chinas wachsende Produktion den Rückgang der europäischen Kernindustrie ausgleicht.

Quelle: Nuclear Energy – Our World in Data

Jahrelang schienen hauptsächlich China und Russland bereit zu sein, Kernenergie zu entwickeln.

Besonders China, das, wie The Economist feststellt, „schneller als jedes andere Land Kernreaktoren baut“.

Quelle: The Economist

Heute erlebt die Kernenergie weltweit ein Comeback, in einem Ausmaß, das vor wenigen Jahren noch undenkbar war, wobei viele Nachrichten auf eine Politikänderung in den meisten Teilen der Welt hinweisen:

• Japan verstärkt die Bemühungen, das größte Kernkraftwerk der Welt wieder in Betrieb zu nehmen
• US-Energieministerin Jennifer Granholm fordert die Verdreifachung des US‑Kernkraftwerksflotten
• Neukernenergie in den Entwurf des koreanischen Energierechts aufgenommen
• Frankreich verwirft erneuerbare Ziele und priorisiert Kernenergie im neuen Energierecht
• UK plant den Bau eines neuen Kernreaktors in Schottland
• Indien will bis 2032 18 Kernreaktoren mit einer Kapazität von 13,8 GW bauen

Der fehlende Dekarbonisierungs‑Link?

Sicherheitsbedenken sind nach wie vor sehr präsent und bilden die Begründung für Deutschlands Entscheidung, seine Kernkraftwerke stillzulegen.

Allerdings werden Bedenken hinsichtlich CO₂-Emissionen und Klimawandel immer drängender, und Kernenergie ist tatsächlich der geringste Emittent aller Energiequellen, sogar besser als Wind und Solar, die viel mehr Land und Rohstoffe benötigen.

Quelle: Our World In Data

Obwohl spektakulär und mit langfristigen Folgen, ist Kernenergie in der Praxis genauso sicher wie erneuerbare Energien, wenn man die verursachten Todesfälle misst, selbst wenn große Katastrophen einbezogen werden.

Wenn man es objektiv betrachtet, sollte Kernenergie wahrscheinlich eines der Werkzeuge zur Dekarbonisierung des Stromnetzes und der gesamten Wirtschaft sein. Das gilt besonders, da wir immer mehr Strom für die Elektrifizierung des Verkehrs (E‑Fahrzeuge) und der Heizung (Wärmepumpen) benötigen, sowie für neue Anforderungen wie KI‑Rechenzentren.

Die Menge an Kohle, Öl und Gas, die ersetzt werden muss, ist enorm. Selbst wenn man den Fortschritt bei erneuerbaren Energien und der E‑Fahrzeug‑Adoption berücksichtigt, machen sie immer noch den überwiegenden Teil unseres heutigen Energieverbrauchs aus.

Quelle: Our World In Data

Was ist mit nuklearem Abfall?

Das eigentliche Sicherheitsprofil der Kernenergie wirft jedoch die Frage nach nuklearem Abfall auf.

Die Vorstellung, zukünftigen Generationen giftigen Abfall zu hinterlassen, der viel länger gefährlich sein wird, als die Große Pyramide bereits steht, ist, gelinde gesagt, beunruhigend.

Sollten wir die Zukunft vergiften, um das Klima zu retten? Glücklicherweise entstehen dank des technologischen Fortschritts mindestens zwei Lösungsansätze, um dieses Dilemma zu beantworten.

Die erste Option ist das Recycling von nuklearem Abfall, die andere die Produktion von nahezu keinem nuklearen Abfall. Beide gehören zur sogenannten vierten Generation von Kernkraftwerken.

Für weitere Details siehe unten schnelle Reaktoren und Thoriumreaktoren.

Natürlich könnten später andere Lösungen übernommen werden, etwa die Entsorgung dieses Abfalls im Weltraum mittels ultra‑zuverlässiger Raketen. Aber derzeit ist es unwahrscheinlich, dass das Risiko, nuklearen Abfall bei einem Triebwerksausfall über einen halben Kontinent zu sprühen, als akzeptabel angesehen wird.

Generationen von Kernkraftwerken

Die 1. Generation von Kernkraftwerken war im Wesentlichen ein Prototyp ohne kommerzielle Nutzung.

Die 2. Generation von Kernkraftwerken bildet den Großteil des aktuellen Bestands. Sie wurden im Zeitraum 1965–1996 gebaut.

Die 3. Generation von Kernkraftwerken wurde nach den aus der 2. Generation gewonnenen Erkenntnissen gebaut und versuchte, die Mängel zu beheben, die zu seltenen, aber katastrophalen Nuklearkatastrophen führten. Sie wurden im Zeitraum 1996–2016 gebaut. Manchmal wird eine 3+‑Generation als die in den Jahren 2017–2021 gebauten Anlagen beschrieben, mit Fokus auf erhöhte Sicherheit.

Die 4. Generation der Kernenergie steht noch am Anfang und stellt einen Bruch mit den Vorherigen dar, mit dem Ziel neuer Designs, Konzepte und möglicherweise einer Änderung des Kernbrennstoffs statt schrittweiser Verbesserungen.

Es wird auch über ein 5.‑Generation‑Kernkraftwerk diskutiert. Diese Designs sind theoretisch möglich, wurden jedoch nicht aktiv erforscht, meist wegen wirtschaftlicher Rentabilitätsprobleme, fehlender Technologien oder Sicherheitsbedenken.

4. Generation von Kernkraftwerken

Was ein Kernkraftwerk zur 4. Generation macht, wird in der Branche heftig diskutiert.

In diesem Artikel werden wir hauptsächlich über Anlagendesigns sprechen, die radikal von den Designs der 3. Generation abweichen.

Und wir werden versuchen, die Erklärung so einfach wie möglich zu halten, wobei wir bei Bedarf einige Details auslassen.

Sehr-Hochtemperaturreaktor (VHTR)

Dieses Design zeichnet sich durch sehr hohe Temperaturen im Bereich von 1.000 °C aus. Es ist das einzige bereits in Betrieb befindliche Kernkraftwerk der 4. Generation, mit dem kommerziellen Start im Jahr 2023 des Huaneng Shandong Shidao Bay Kernkraftwerks im Osten Chinas.

Das Design beruht häufig auf einem „Kieselbett“, bei dem keramische Kugeln, klein genug, um sie in der Hand zu halten, einen Uran‑Kern schützen, wobei zehntausende dieser Kugeln in einem Reaktor vorhanden sind.

Quelle: CGTN

X-Energy (XE ) entwickelt ebenfalls eine ähnliche Technologie in den USA.

Da die Reaktion hohe Temperaturen erfordert und passiv gekühlt wird, ist dieses Design von Natur aus sicherer als Kernkraftwerke der 3. Generation.

Der Vorteil des Kiesel-Designs besteht darin, dass ein Austausch möglich ist, ohne den Reaktorbetrieb zu unterbrechen, wobei das Keramikmaterial zudem das Risiko eines Austritts radioaktiver Stoffe vermeidet.

Schmelzsalzreaktor (MSR)

In diesen Reaktoren ist das Kühlmittel eine Schmelzsalzmischung statt Wasser oder Gas. In einigen Fällen ist auch der Brennstoff im Schmelzsalz enthalten.

Schmelzsalzreaktoren weisen tendenziell eine höhere Ausbeute, einen effizienteren Brennstoffverbrauch und weniger nuklearen Abfall auf. Da sie heißer sind, werden sie manchmal zusammen mit VHTR in die Kategorie „Thermareaktor“ eingeordnet.

Ein Problem bei Schmelzsalzen ist jedoch ihre Korrosivität, die durch die mögliche Schwächung der Struktur durch Radioaktivität verschärft wird. Das erfordert äußerst vorsichtige Wartung und Kontrollen der Rohrleitungen, Pumpen usw. des Systems.

Thorium

Seit den 1950er‑Jahren verwenden fast alle Reaktoren Uran als Brennstoff. Das führt die Menschen zu der Annahme, es sei die einzige Lösung.

Doch dies war tatsächlich meist eine politische Entscheidung, da Urananlagen Plutonium erzeugen. Damals wurde das als positiv angesehen, weil es den Kernmächten ermöglichte, Material für Kernbomben zu produzieren.

Eine Alternative mit einer Ressource, die dreimal so reichlich wie Uran ist, ist das Element Thorium. Die Nebenprodukte eines Thoriumreaktors lassen sich ebenfalls kaum in Material für Atomwaffen umwandeln.

Quelle: ACS

Ein weiterer wichtiger Vorteil von Thorium ist die Möglichkeit, bis zu 100‑mal weniger Abfall zu produzieren, zumindest bei Verwendung eines flüssigen Fluorid‑Thorium‑Reaktordesigns (ein Schmelzsalz‑Thorium‑Reaktor).

Hier führt China ebenfalls mit einem Thoriumreaktor, der wasserlos betrieben werden kann und sich daher gut für Wüstenregionen eignet.

Und mit Containerschiffen, die von einem Thoriumreaktor angetrieben werden sollen, vorgestellt von der China State Shipbuilding Corporation (CSSC).

Schnelle / Brut‑ / Brennreaktoren

Schnelle Reaktoren nutzen „schnelle Neutronen“, die nicht durch Moderatoren wie in klassischen Kernreaktoren verlangsamt werden. Das ermöglicht ein Reaktordesign, das die schnellen Neutronen nutzt, um Elemente der Actinidfamilie (zu denen Uran und Plutonium gehören) zu verbrauchen.

Quelle: Sciences Notes

Da der klassische Reaktorbrennstoff in ein komplexes Gemisch langlebiger Actinide umgewandelt wird, stellt diese Elementklasse das Hauptproblem beim nuklearen Abfall dar.

Brennreaktoren transmutieren die meisten problematischen Actinide im verbrauchten Kernbrennstoff, wodurch der resultierende verarbeitete Abfall weniger aktiv, 90‑98 % weniger voluminös und nur für Jahrzehnte oder Jahrhunderte problematisch ist, anstatt für Jahrtausende.

Diese Reaktorkategorie wird üblicherweise nach ihrem Kühlsystem klassifiziert, das Gas, Natrium oder Blei verwenden kann.

Obwohl sie als 4. Generation eingestuft werden, ist dies keine wirklich neue oder ungetestete Technologie. Besonders bemerkenswert ist, dass Frankreichs Phénix und Superphénix in den 1970er‑ bis 1990er‑Jahren nuklearen Abfall verbrannten, bevor sie letztlich aus Kostengründen und politischem Druck der Grünen Partei geschlossen wurden.

Moderne Versionen schneller Brutreaktoren umfassen beispielsweise das geplante, aber nicht gebaute PRISM von GE‑Hitachi.

Kleine modulare Reaktoren (SMRs) & Mikroreaktoren

Die meisten Kernreaktoren werden als die typischen großen Kraftwerke konzipiert, die wir als Kernkraftwerke kennen.

Eine neue Designart versucht, Kernkraftwerke auf eine Größe zu verkleinern, die von einem LKW (SMR) oder sogar in einem Standardcontainer (Mikroreaktoren) transportiert werden kann.

Quelle: Nuscale

Insgesamt wird erwartet, dass SMRs das Stromnetz oder große Industrieprozesse versorgen, während Mikroreaktoren eher für abgelegene Gebiete, militärische Einrichtungen und die Weltraumerkundung eingesetzt werden.

Die kleinere Größe und das standardisierte Design sollten die Einführung von SMRs auch für kleinere Länder erleichtern.

Ein weiterer Vorteil von SMRs ist, dass sie in Serie, etwa wie Lastwagen oder Schiffe, produziert werden können, anstatt des üblichen einzigartigen Sonderdesigns der Branche. Theoretisch sollte dies Skaleneffekte und Kostensenkungen ermöglichen.

In der Praxis könnten die Kosten zumindest für die Prototypen höher als erwartet sein. Das führte zu einem leichten Rückgang der Begeisterung für SMRs, nachdem sie möglicherweise etwas überbewertet wurden.

Dennoch werden SMRs voraussichtlich schnell expandieren, wobei beispielsweise Projekte in Finnland, Norwegen, Polen, den USA, Kanada und Argentinien voranschreiten.

Weitere Informationen zum Stand der SMR‑Technologie finden Sie in unserem Artikel „Update on SMRs (Small Modular Reactor) – Still The Future of Nuclear Power“

Schwimmende Kernkraftstation

Obwohl sie vielleicht nicht technisch zur 4. Generation gehören, sind schwimmende Kraftwerke ein neues Konzept, das einen radikalen Bruch mit dem üblichen Kernkraftwerkskonzept darstellt.

Hauptsächlich von Russlands Rosatom propagiert, unterscheidet sich dieses Konzept von kernbetriebenen Schiffen, wie zum Beispiel einigen Flugzeugträgern.

Hier besteht der gesamte Zweck des Schiffs darin, eine Kraftwerksstation zu sein, wenn auch eine mobile, schwimmende. Aufgrund von Größenbeschränkungen könnte dies auch als ein SMR, wenn auch ein sehr großes, beschrieben werden.

Quelle: Power Technology

Die Anwendung dieser Konzepte fand in der russischen Arktis statt, wo sie Küstenstädte mit Schwerpunkt auf Bergbau sowie Öl‑ und Gasförderung versorgte. In dieser Umgebung wird die „Abwärme“ der Station nicht verschwendet, sondern kann für Fernwärme genutzt werden.

Eine breitere Anwendung könnte darin bestehen, Kernenergie in Entwicklungsländer zu bringen, die keine Erfahrung im Betrieb von Kerntechnologie haben. Die Station kann vom Hersteller betrieben werden, und die Energie wird dem Festland einfach durch „Anschließen“ an das Stromnetz verkauft werden.

Das Konzept könnte auch Inseln und abgelegenen Regionen Strom liefern sowie ein schnell mobilisiertes Katastrophenhilfesystem bereitstellen.

Zum Beispiel sucht Guinea bereits die Zusammenarbeit mit Russland für ein solches Projekt.

Westinghouse und Prodigy untersuchen ebenfalls die Idee, ebenso wie Koreas KSOE & Kepco oder Dänemarks Seaborg, die Schmelzsalztechnologie mit seebasierten Kraftwerken kombinieren.

Kosten

Eine letzte Kritik, die gegen Kernenergie vorgebracht wird, ist die Kostenfrage.

Dies liegt vor allem daran, dass die neuesten Kernprojekte in den USA und Europa massive Kostenüberschreitungen erlitten haben. Zum Beispiel kostete das Vogtle‑Kraftwerk in Georgia letztlich 37 Mrd. $, wovon 20 Mrd. $ auf Kostenüberschreitungen zurückzuführen sind. Oder das Olkiluoto‑3‑Werk in Finnland, das statt der ursprünglich erwarteten 3 Mrd. € 11 Mrd. € kostete.

Die Tatsache, dass Vogtle 14 Jahre zum Bau benötigte und Olkiluoto 12 Jahre nach der ursprünglichen Schätzung in Betrieb ging, ist maßgeblich für die explodierenden Kosten verantwortlich.

Doch das ist kein Todesurteil. Im selben Zeitraum enthüllte Bloomberg, dass China 6 Kernreaktoren für nur 17 Mrd. $ gebaut hat.

Das Kostenwachstum im Westen ist hauptsächlich mit drei Faktoren verbunden:

1. Wachsende regulatorische Belastung.
   1. Während ein Teil davon auf die zunehmende Sicherheitsüberprüfung zurückzuführen ist, haben einige es als bürokratischen Rotstift und politisch motivierte Hindernisse für die Branche kritisiert.
2. Steigende Kapitalkosten.
   1. Da die Kosten für Kernkraftwerke hauptsächlich aus Vorleistungen für den Bau bestehen, senken niedrige Kapitalkosten den Endpreis drastisch. Typischerweise erhalten chinesische Kernprojekte vom Staat zinsgünstige Kredite.
3. Zu wenige Projekte.
   1. Wenn mehr Anlagen nacheinander gebaut werden, können Hersteller die Produktion standardisieren und Geräte in Chargen oder Serien herstellen, anstatt jedes Mal ein einzigartiges Sonderdesign.
   2. Ein konstanterer Strom von Projekten hilft zudem, Fachpersonal auszubilden und zu halten.

Jedes dieser Probleme kann gelöst werden.

Eine übermäßige regulatorische Belastung kann reduziert, Kapital durch die Regierung mobilisiert werden. Und mehr Projekte sowie eine stabile Energiepolitik werden die Lieferkette wiederaufbauen.

Kernenergieunternehmen

1. Cameco Corporation

Kernkraft hängt von der Uranversorgung ab. Uran ist keine sehr seltene Ressource, obwohl hochkonzentrierte Lagerstätten nicht leicht zu finden sind.

Der Markt wird von Kazatomprom in Kasachstan und Cameco in Kanada dominiert. Es gibt weitere Uranproduzenten, aber diese beiden sind bei weitem die größten und verfügen über etwas geringere Produktionskosten. Infolgedessen wird Cameco im Zentrum der Versorgung mit den Rohstoffen stehen, die für bestehende und zukünftige Kernkraftwerke benötigt werden.

Quelle: Cameco

Allerdings ist Camecos Bergbausparte nur die Hälfte der Geschichte. Denn 2022 entschied sich Cameco, zusammen mit dem Großinvestor Brookfield, die Mehrheitskontrolle über Westinghouse zu übernehmen, den führenden Bauunternehmer von Kernkraftwerken in den USA.

Damit erhält Cameco Zugang zu Westinghouses stabilen Einnahmen aus dem Service bestehender Anlagen und die Kontrolle über einen großen Teil der nuklearen Lieferkette. Aufgrund strenger Vorschriften werden solche Teile und Geräte für jede neue Anlage, ob traditionell oder SMR, erforderlich sein.

Ein gutes Beispiel für Westinghouses Innovationspotenzial ist das kürzlich vorgestellte AP300‑SMR‑Design, das voraussichtlich in der Slowakei, Finnland und Schweden eingesetzt wird.

Damit ist Cameco sowohl eine Wette auf die Uranpreise als auch darauf, dass Westinghouse eine solide Kontrolle über den Kernkraftwerksbaumarkt behält, den es einst dominierte. Es sollte erwähnt werden, dass die Miteigentümerschaft mit Brookfield ebenfalls helfen könnte, da das Unternehmen über eine massive erneuerbare/CO₂‑arme Stromerzeugungsdivision in Form von $19 Mrd. Brookfield Renewable (BEPC ) Partners (BEP ) (BEP) verfügt.

2. Mirion Technologies, Inc.

Abgesehen von den Reaktoren und Brennstofftechnologien ist die Kernstromerzeugung stark von vielen Erfassern, Teilen und anderen „kleinen“ Geräten abhängig, die jedoch einwandfrei funktionieren müssen.

Eine solche Kategorie ist die Strahlungsdetektion, Mirions (USA) Kerngeschäft. Die Kernenergie‑Regulierung erfordert sehr strenge Kontrollen der Strahlungsbelastung von Personal, Umwelt und die frühzeitige Erkennung möglicher Lecks oder Kontaminationen. Das Gleiche gilt für die medizinische Nutzung radioaktiver Verbindungen, etwa bei Krebsbehandlungen und Bildgebung.

Quelle: Mirion

Das Unternehmen ist zudem aktiv in physikalischen Messungen für wissenschaftliche Analysen und Forschung sowie in Dekontaminations‑ und Stilllegungsgeräten für die Verteidigungsindustrie, Cybersicherheit und Schulungsdienste. Das Unternehmen ging 2020 an die Börse.

Mirions Umsätze sind stetig gewachsen, gleichmäßig getragen von seinem Medizinsegment und seinen Industriekunden.

Mirion ist ein weniger „glamouröser“ Teil der nuklearen Lieferkette, der Strahlung überwacht und misst, anstatt neue Reaktordesigns, hochdichte Brennstoffe oder militärische Anwendungen zu schaffen. Das macht es aus finanzieller Sicht nicht weniger interessant.

Damit ist Mirion eher eine „Pick‑und‑Schaufel“-Aktie, die von erneuertem Interesse und Investitionen in die Kernenergie profitieren wird. Sie wird auch von der nach wie vor hohen öffentlichen Skepsis gegenüber Kernenergie profitieren, die die Anforderungen an allgegenwärtige, effiziente und zuverlässige Strahlungssensoren und -monitore von bewährten Lieferanten stärkt.