Kraft des Atoms: Nano-Kernenergie

Transparenz des gesamten Odin-Mikroreaktors (Alle Fotos mit freundlicher Genehmigung von Nano Nuclear Energy)

Stromerzeugung umfasst grundsätzlich zwei Elemente: einen Brennstoff und ein System, das diesen Brennstoff in nutzbare Energie umwandelt. Ein gut gewarteter Flüssig- oder Gasbrennstoffgenerator kann eine Lebensdauer von vielen Jahrzehnten haben, benötigt aber stets eine konstante und zuverlässige Brennstoffversorgung, deren Aufbau und Wartung an einem abgelegenen Standort kostspielig sein kann.

Gibt es eine Alternative, die den Bedarf an ständiger Kraftstoffversorgung decken könnte? Solarenergie bietet dieses Potenzial, doch bis Photovoltaikmodule effizienter werden, bräuchte man eine mehrere Hektar große Anlage, um ein großes batteriebetriebenes Stromaggregat zu laden. Windenergie ist eine weitere Möglichkeit, doch die Turbine(n) sind unhandlich, und die Windenergie selbst kann nicht garantiert werden.

Anderswo liefert Kernenergie seit Jahrzehnten Strom an die nationalen Stromnetze. Sie würde zwar das Brennstoffproblem lösen, doch die Übertragung dieser Technologie auf den Mikronetzmarkt erscheint unrealistisch. Die Kommerzialisierung von Mikroreaktoren ist jedoch näher, als man denkt. Nano Nuclear Energy (kurz: Nano) plant, die Kraft der Atomenergie auf den Markt für Stromaggregate zu bringen und arbeitet gleichzeitig an der Herstellung von Kernbrennstoffen, Brennstofftransportlösungen und entsprechenden Beratungsleistungen.

Das Unternehmen entwickelt derzeit zwei Mikroreaktorversionen: „Zeus“ ist ein Festkernbatteriereaktor, während „Odin“ ein Niederdruckkühlmittelreaktor ist. Beide sind so konzipiert, dass sie in einen Standard-Versandcontainer passen.

James Walker, CEO von Nano, sprach mit Power Progress International über das Unternehmen und die Technologie. „Als wir das Unternehmen vor einigen Jahren gründeten, gab es bereits einige Unternehmen, die kleine modulare Reaktoren entwickelten. Der Mikroreaktorbereich der Branche war jedoch weit weniger entwickelt.“

James Walker, Nano-Kernenergie

Er wies weiter darauf hin, dass die Mikroreaktoren ideal für den Bergbau, die Öl- und Gasförderung, Militärstützpunkte, aber auch für die Katastrophenhilfe wären – also für Fälle, in denen Diesel derzeit die einzige Alternative ist, deren Beschaffung jedoch teuer ist. „Denn man konkurriert nur mit den sehr hohen Kosten für Ferndiesel, um ein Stromsystem zu haben, das 15 oder 20 Jahre lang nicht nachgetankt werden muss. Das würde die Systeme sehr wettbewerbsfähig machen“, erklärt Walker.

Kernspaltung 101

Um auf den ursprünglichen Gedanken zurückzukommen: Es liegt auf der Hand, dass ein Mikroreaktor das Nachfüllen von Brennstoff überflüssig machen würde. Aber was geschieht, um den Strom zu erzeugen?

Im Reaktor werden Uran-235-Atome zusammengepresst, bis sie eine kritische Masse erreichen. An diesem Punkt beginnen unter Druck freigesetzte Neutronen, die Uranatome zu spalten – eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion. Dadurch wird der positive Energieeffekt freigesetzt.

Die Intensität der Kettenreaktion wird durch Steuerstäbe gesteuert. Diese bestehen aus neutronenabsorbierenden Materialien wie Bor, Cadmium, Silber oder Indium. Sie reduzieren die Menge der freien Neutronen und verlangsamen so den Reaktionsprozess.

„Es ist ein sehr einfaches System“, sagt Walker. „Das Einsetzen der Brennstäbe kann ferngesteuert erfolgen, sodass niemand mit dem technischen Know-how zur Reaktorsteuerung vor Ort sein muss. Die Vorschriften schreiben außerdem mindestens zwei redundante Backup-Systeme vor, was im Wesentlichen bedeutet, dass zwei unabhängige Brennstabsätze vorhanden sind.“

Geschäftsmodell

Die Mikroreaktoren wurden von Teams der University of California in Berkeley und der Universität Cambridge entwickelt. Beide verfolgten wichtige Ziele, so Walker: „Es musste ein transportables System sein, das per LKW, Bahn oder Schiff transportiert werden kann. Außerdem musste es sich schnell an das lokale Stromnetz anschließen lassen, ohne dass für die Inbetriebnahme zusätzliche Installationsarbeiten erforderlich wären.“

Ein weiteres Element des Designs war die minimale Überwachung. Walker gibt an, dass dort, wo die Systeme eingesetzt werden, nur sehr wenig Personal benötigt wird, möglicherweise nur Sicherheitspersonal und ein Mechaniker. „Man braucht keinen Nuklearingenieur oder Physiker“, fügt er hinzu. Jede Anlage ist mit einem Fernüberwachungssystem verbunden, um die Leistung zu überprüfen.

Odin-Mikroreaktoren für LKW-Transport vorbereitet

Walker geht davon aus, dass Miete das bevorzugte Nutzungsmodell sein wird, sobald die Mikroreaktoren auf den Markt kommen. „Es wird wenig bis gar kein Interesse daran geben, einen Mikroreaktor zu kaufen, zu betreiben und außer Betrieb zu nehmen. Einige sehr große Unternehmen könnten das tun, aber die meisten Kunden werden nur den Strom kaufen wollen.“

Es gibt abgelegene Gemeinden im Norden Kanadas, die nur mit Dieselgeneratoren überleben. Das sind 800 Menschen, die zusammen jährlich etwa 10 Millionen Dollar für Treibstoff ausgeben. Betrachtet man die 15- oder 20-jährige Lebensdauer eines Mikroreaktors, sind das 150 bis 200 Millionen Dollar für Diesel. Ein Mikroreaktor kann für einen Bruchteil dieser Kosten montiert und geliefert werden. In solchen Fällen wissen wir, dass das Mietmodell funktioniert.

Er fügt hinzu, dass es für Nano zunächst zu einem Kapitalverlust kommen werde, der Mikroreaktor aber nach der Rückzahlung dieser Investition einen reinen Gewinn abwerfen werde.

Kraftstoffproduktion

Beide Mikroreaktorversionen verwenden hoch angereicherten Uranbrennstoff (HALEU), der von Nano produziert und anschließend von der Tochtergesellschaft Advance Fuel Transportation transportiert wird. Das Unternehmen ist exklusiver Lizenznehmer eines patentierten, leistungsstarken HALEU-Brennstofftransportkorbs, der in drei großen US-amerikanischen Atomlaboren entwickelt wurde.

HALEU Energy Fuel Inc. wurde gegründet, als sich abzeichnete, dass die bestehenden Lieferketten in den USA nicht in der Lage sein würden, den benötigten Kraftstoff zu liefern. In Oak Ridge, Tennessee, ist eine integrierte Produktionsanlage zur Anreicherung, Dekonversion und Herstellung des Materials geplant.

Nano arbeitet mit LIS Technologies zusammen, das den Anreicherungsteil der Brennstoffaufbereitung übernimmt. Dabei kommt ein laserbasiertes System zum Einsatz, um einzelne Uranisotope von unerwünschten zu trennen und das gesammelte Material zu konzentrieren.

Walker sagt, dass der in einem Mikroreaktor verwendete Brennstoff dasselbe Uran 235 (das spaltbare Isotop, das weniger als 1 % des gesamten Urans ausmacht) ist wie in einem Reaktor in Originalgröße. Der Hauptunterschied besteht darin, dass in einem kleineren Reaktor ein höherer Anreicherungsgrad vorteilhaft ist.

Das bedeutet: Während ein großer Druckwasserreaktor (PWR) in einem Gigawattkraftwerk Urandioxid mit einer Anreicherung von weniger als 5 % verwenden würde, ist der HALEU-Brennstoff auf eine Anreicherung von etwa 20 % begrenzt. Am anderen Ende der Skala liegt waffenfähiges Uran mit einer Reinheit von über 90 %.

„Der Transport des Brennstoffs müsste leicht angepasst werden, aber entscheidend ist, dass er nicht unsicherer wird“, erklärt Walker. „Wir müssen uns darüber im Klaren sein: Ein Reaktor kann nicht explodieren.“

Lieferumfang

Wie bereits erwähnt, sollen die von Nano entwickelten Mikroreaktoren in einen Standard-Versandcontainer passen. Auf die Frage, ob der Container Miniaturversionen aller Geräte eines Standardreaktors enthalten würde, antwortet Walker, die Hardware sei deutlich weniger kompliziert.

„Herkömmliche Reaktoren verwenden alle Wasser, ein hervorragendes Kühlmittel. Doch der Siedepunkt von Wasser ist vergleichsweise niedrig, und die vom Uran erzeugte Hitze ist so hoch, dass man Druckhalter in das System einbauen muss, um ein Überkochen zu verhindern“, erklärt er.

Künstlerische Darstellung eines Odin-Mikroreaktors auf einem Militärstützpunkt

In einem Reaktor normaler Größe würde ein Ausfall des Druckhalters zum Schmelzen des Kerns führen. In einem Mikroreaktor hingegen würde die Einheit selbst bei einem Ausfall aller Kühlsysteme die Wärme passiv abstrahlen, ohne dass es zu einer Kernschmelze kommt. Im schlimmsten Fall würde der Mikroreaktor keine nutzbare Energie mehr an das Mikronetz liefern.

Walker: „Wenn ein Mikroreaktor auf einem Militärstützpunkt installiert und von einer Rakete getroffen würde, würde die Explosion das Material tatsächlich weniger radioaktiv machen. Denn wenn das Material, das für die kritische Masse und die Kettenreaktion benötigt wird, nicht mehr zusammengepresst wird, würde das Uran auf natürliche Weise abkühlen und weniger radioaktiv werden.“

Regulierungshindernisse

Die USA verfügen über das am längsten laufende Atomprogramm der Welt. Walker erklärt, dass sich in der Branche über die Jahrzehnte eine tiefgreifende Bürokratie entwickelt habe, die die in den USA produzierte Atomenergie teurer gemacht habe als anderswo auf der Welt.

Die Bürokratie hat zudem die Bearbeitungszeit des Genehmigungsverfahrens verlängert, das erforderlich ist, um einen Reaktor vom Prototyp bis zur kommerziellen Produktion zu bringen. Erschwerend kommt hinzu, dass die Kosten des Verfahrens von der Regulierungsbehörde vorgegeben werden und unerschwinglich hoch sein können.

Walker: „Kernenergie sollte aufgrund ihrer Energiedichte theoretisch die günstigste Energieform der Welt sein. Doch aufgrund der Lizenzierung, der damit verbundenen Zeit und der hohen Kapitalkosten ist die Finanzierung sehr teuer. Bei einem Standardreaktor entfallen 70 % des Budgets auf die Finanzierungskosten.“

Walker weist darauf hin, dass Nano bereits mit einer einzigen Lizenz die Produktion der modularen Mikroreaktoren finanzieren könnte. Und da Skaleneffekte greifen, werden die Kapitalkosten pro Einheit „drastisch reduziert“, wodurch die Systeme auf dem freien Markt erschwinglicher werden.

Darüber hinaus verabschiedete die US-Regierung im September 2024 den Advance Act, der die Lizenzkosten für fortschrittliche Kernreaktortechnologien senken, Genehmigungen vereinfachen, Gebühren senken und Verzögerungen reduzieren soll.

„Diese Reform soll dazu beitragen, die Lizenzierung zu vereinfachen“, sagt Walker. „Einen Standard-Lizenzrahmen auf einen Mikroreaktor anzuwenden, ist nicht nur übertrieben, viele der Ziele sind schlichtweg nicht anwendbar. Wir hoffen daher, dass dies zu einem nachweislich unterschiedlichen Rahmen für verschiedene Reaktortypen führt.“

Nano befindet sich derzeit in der Phase der Vorlizenzierung, in der Reaktortyp, Leistung und voraussichtliche Starttermine geprüft werden. Walker sagt, dass das Unternehmen nach Erhalt der Genehmigung mit dem Bau eines voll funktionsfähigen Prototyps des Mikroreaktors beginnen wird, zeitgleich mit der Einreichung des formellen Lizenzantrags. Der Advance Act sieht für diesen Prozess eine maximale Bearbeitungszeit von 25 Monaten vor. Walker rechnet in diesem Zeitraum mit der endgültigen Genehmigung.

Stilllegung von Mikroreaktoren

Nach Erhalt dieser Zulassung werden die Mikroreaktoren in den USA auf den Markt kommen. Walker ist jedoch davon überzeugt, dass die größeren Märkte in Ländern und Regionen liegen werden, in denen Schwerindustrie betrieben wird oder die Bevölkerung in abgelegenen Gebieten mit geringer oder keiner Energieinfrastruktur lebt.

Wir haben mit Regierungen in Indonesien, Thailand und den Philippinen gesprochen. Dort leben Millionen von Menschen auf Hunderten von Inseln und alle sind auf Dieselgeneratoren angewiesen. Das ist logistisch schwierig, sehr teuer und sehr umweltschädlich. Sie sind sehr an den Mikroreaktoren interessiert; Hunderte von Systemen könnten in diesen Gemeinden eingesetzt werden.

Alles Gute hat ein Ende, und die Mikroreaktoren müssen irgendwann stillgelegt werden. Walker sagt, die ursprüngliche Idee sei gewesen, den Reaktor vor Ort zu entladen und sechs Monate lang stehen zu lassen. Danach sollte er als nichtnukleare Anlage verschrottet werden.

Doch der Start des sogenannten Projekts Pele von BWX Technologies hat diese Pläne geändert. Im Rahmen dieses Projekts wurde ein Antrag gestellt, der den Transport sowohl befeuerter als auch abgebrannter Reaktoren auf der Straße erlaubt. Dies würde die Stilllegung der Einheiten an einem dafür vorgesehenen Standort ermöglichen.

„Wir haben Technologien entwickelt, um sowohl neuen als auch gebrauchten Brennstoff zu transportieren, aber es wäre viel einfacher, Steuerstäbe einzusetzen und den Reaktor dorthin zu bewegen, wo wir den Entladevorgang steuern können“, sagt Walker.

Das eröffnet auch die Möglichkeit für einen vollmobilen Mikroreaktor – Nano hat hierfür die Advanced Fuel Transportation Inc. gegründet. In der Praxis könnte ein Mikroreaktor fünf Jahre lang im Einsatz bleiben, die Steuerstäbe erst einsetzen und dann an einen anderen Standort transportiert werden. Walker: „Im Bergbau könnte der Endpunkt, an dem Strom benötigt wird, kilometerweit vom ursprünglichen Standort entfernt sein. Den Mikroreaktor zu transportieren wäre einfacher als die Verlegung von Übertragungskabeln.“

Marktakzeptanz

Es ist offensichtlich, dass Ereignisse wie Three Mile Island (Harrisburg, Pennsylvania) und Tschernobyl (Pripjat, Ukraine) die globale Wahrnehmung der Kernenergie nachhaltig geprägt haben. Nach der Kernschmelze im japanischen Kernkraftwerk Fukushima kündigte die deutsche Regierung die Stilllegung aller bestehenden Kernkraftwerke an; die letzten Anlagen wurden 2023 vom Netz genommen.

Odin-Mikroreaktor an einem Langzeitstandort

Walker erklärt, dass ein Großteil des Problems in der Kluft zwischen Realität und öffentlicher Wahrnehmung liege. In Fukushima, wo ältere Technologie zum Einsatz kam, waren die kombinierten Kräfte eines Erdbebens und eines Tsunamis nötig, um das Kraftwerk zu zerstören. Selbst dann konnte das Schlimmste der Katastrophe mit Meerwasser eingedämmt werden. Nach der Verwendung war das Wasser weniger radioaktiv als das Meer, in das es gespült wurde.

„Selbst bei Three Mile Island, dem schlimmsten Unfall in den USA, kam niemand ums Leben, und der zweite Reaktor des Kraftwerks ist bis heute in Betrieb“, betont er. „In Tschernobyl haben die Menschen, die das Gebiet nach der Katastrophe verlassen haben, eine geringere Lebenserwartung als diejenigen, die geblieben sind.“

„Wenn man die Technologie als Ganzes betrachtet, muss die Öffentlichkeit verstehen, dass es tatsächlich ziemlich schwierig ist, einen Kernreaktor jeglicher Art zur Kernschmelze zu bringen.“

Eine vollständige Version dieses Artikels wird in der Ausgabe Q1 2025 des Magazins Power Progress International veröffentlicht.