Kann uns die fortschrittliche Kernenergie bei der Bewältigung des Klimawandels helfen?

IDAHO FALLS, Idaho— In der Transient Reactor Test Facility, einem hoch aufragenden, fensterlosen grauen Block, der von Stacheldraht umgeben ist, begeben sich Forscher auf eine Mission, um eines der größten Probleme der Menschheit mit einem winzigen Gerät zu lösen.

Nächstes Jahr werden sie mit dem Bau des MARVEL-Reaktors beginnen. MARVEL steht für Microreactor Applications Research Validation and EvaLuation. Es handelt sich um den ersten Atomstromgenerator seiner Art, der mit flüssigem Metall gekühlt wird und 100 Kilowatt Energie erzeugt. Forscher gehen davon aus, dass MARVEL bis 2024 der emissionsfreie Motor des weltweit ersten nuklearen Mikronetzes hier im Idaho National Laboratory (INL) sein wird.

„Mikro“ und „winzig“ sind natürlich relativ. MARVEL ist 15 Fuß groß, wiegt 2.000 Pfund und passt in den Anhänger eines Sattelschleppers. Aber im Vergleich zu konventionellen Kernkraftwerken, die sich über mehrere Hektar erstrecken, Gigawatt Strom produzieren, um ganze Staaten mit Strom zu versorgen, und deren Bau mehr als ein Jahrzehnt dauern kann, ist das winzig.

Für INL, wo Wissenschaftler im Laufe der Jahrzehnte Dutzende Reaktoren auf einer Fläche von drei Vierteln der Größe von Rhode Island getestet haben, ist es eine radikale Neuinterpretation der Technologie. Dieses Reaktordesign könnte dazu beitragen, die größten Hindernisse für die Kernenergie zu überwinden: Sicherheit, Effizienz, Umfang, Kosten und Wettbewerb. MARVEL ist ein Experiment, um herauszufinden, wie all diese Teile in der realen Welt zusammenpassen könnten.

„Es handelt sich um einen Anwendungstestreaktor, in dem wir versuchen werden herauszufinden, wie wir Wärme und Energie aus einem Kernreaktor gewinnen und sie anwenden – und sie mit Wind-, Solar- und anderen Energiequellen kombinieren“, sagte Yasir Arafat, Leiter des Reaktors MARVEL-Programm.

Das Projekt kommt jedoch zu einer Zeit, in der die Kernenergie in völlig unterschiedliche Richtungen gelenkt wird.

Deutschland hat gerade seine letzten Atomreaktoren abgeschaltet. Die USA haben gerade ihren ersten neuen Reaktor seit 30 Jahren in Betrieb genommen. Frankreich, das Land mit dem größten Anteil an Kernenergie im Stromnetz, verzeichnete im vergangenen Jahr einen Rückgang seiner Kernenergieproduktion auf den niedrigsten Stand seit 1988. Weltweit befinden sich derzeit 60 Kernreaktoren im Bau, davon allein 22 in China.

Doch die Welt hungert mehr denn je nach Energie. Der Gesamtstrombedarf wächst: Nach Angaben der Energy Information Administration wird der weltweite Strombedarf bis 2050 im Vergleich zum heutigen Verbrauch um fast 70 Prozent steigen. Gleichzeitig werden die Auflagen immer strenger. Die meisten Länder der Welt, darunter auch die USA, haben sich inzwischen dazu verpflichtet, ihre Nettoauswirkungen auf das Klima bis zur Mitte des Jahrhunderts auf Null zu reduzieren.

Um diesen Energiebedarf zu decken, ohne den Klimawandel zu verschlimmern, heißt es in dem im März veröffentlichten Bericht des US-Energieministeriums über fortgeschrittene Kernenergie: „Die USA benötigen etwa 550–770 [Gigawatt] zusätzliche saubere, feste Kapazität, um den Netto-Nullpunkt zu erreichen; Kernenergie ist eine der wenigen bewährten Optionen, die dies in großem Maßstab erreichen könnten.“

Die US-Regierung setzt jetzt erneut auf Kernkraft, um einen stetigen Stromstrom zu erzeugen, ohne Treibhausgase auszustoßen. Das überparteiliche Infrastrukturgesetz sah 6 Milliarden US-Dollar vor, um bestehende Kernkraftwerke am Laufen zu halten. Der Inflation Reduction Act, die bisher größte Investition der US-Regierung zur Bekämpfung des Klimawandels, enthält eine Reihe von Bestimmungen zugunsten der Kernenergie, darunter Steuergutschriften für emissionsfreie Energie.

„Es ist ein Game Changer“, sagte John Wagner, Direktor von INL.

Auch der Technologiesektor springt ein. Im Jahr 2021 investierten Risikokapitalfirmen 3,4 Milliarden US-Dollar in Kernenergie-Startups. Sie stecken auch Geld in noch weitreichendere Ideen wie die Kernfusionsenergie. Auch die öffentliche Meinung ist in Bewegung geraten. Eine Gallup-Umfrage im April ergab, dass 55 Prozent der Amerikaner die Nutzung der Kernenergie befürworten und 44 Prozent dagegen sind. Das ist die höchste Zustimmung seit zehn Jahren.

Doch die Kernenergie ist immer noch mit einigen anhaltenden Gegenwinden konfrontiert. Es ist die einzige Stromquelle, deren Betriebskosten im Laufe der Zeit tatsächlich gestiegen sind. Die jüngsten Baumaßnahmen hinkten dem Zeitplan um Jahre hinterher und übertrafen das Budget um Milliarden Dollar. Die meisten Reaktoren basieren immer noch auf angereichertem Uran, einem kostspieligen Brennstoff in der Gewinnung und Verarbeitung. Es bleibt ein Problem, einen Ort für die Lagerung von Atommüll zu finden. Die für den Bau und Betrieb von Anlagen benötigten Arbeitskräfte sind aufgrund der Jahrzehnte zwischen den Reaktorbauten zurückgegangen. Und jetzt, bei steigenden Zinsen, wird es teurer, ambitionierte Energieprojekte zu finanzieren.

Kann die Kernenergieindustrie einen Weg aus ihren schwierigsten Problemen finden?

Befürworter hoffen dies durchaus, und das Potenzial der Kernenergie zur Bewältigung der Herausforderung des Klimawandels ist immens. Viele neue Kernenergietechnologien befinden sich derzeit in der Entwurfs- und Testphase. Aber eine der vielversprechendsten Strategien für die Kernenergie besteht darin, im Kleinen groß zu werden.

Die Spaltung von Atomen ist die größte Quelle treibhausgasfreier Elektrizität in den USA und nach Wasserkraft die zweitgrößte weltweit. Durch Kernspaltung werden 10 Prozent des weltweiten Stroms erzeugt. Die USA verfügen mit 92 Reaktoren in 53 Kraftwerken in 28 Bundesstaaten über die größte Kernreaktorflotte der Welt.

Die aktuellen Kernreaktoren verwenden eine Vielzahl unterschiedlicher Konstruktionsansätze, die auf ihre spezifischen Bedürfnisse zugeschnitten sind. Das hat dazu beigetragen, dass sich diese Kraftwerke bei ihrer Errichtung besser in die Stromnetze einfügten, aber es machte es für sie schwieriger, sich an veränderte Anforderungen anzupassen, und für neuere Kraftwerke an anderen Orten, von ihnen zu lernen.

Um zu verstehen, was die neuen Reaktorkonstruktionen auszeichnet, ist es hilfreich zu wissen, wie frühere Konstruktionen funktionierten. Im Allgemeinen werden zivile Kernreaktoren in „Generationen“ unterteilt, die mit jeder Iteration die Technologie, Wirtschaftlichkeit und Sicherheit verfeinerten.

Laut Jess Gehin, stellvertretender Direktor für Nuklearwissenschaft und -technologie am INL, handelte es sich bei der ersten Reaktorgeneration um einen Proof of Concept. Von da an vergrößerten sie ihre Größe und fügten Sicherheitsfunktionen hinzu, um sie in der realen Welt besser einsetzbar zu machen, und bildeten die zweite Generation. Der Großteil der derzeit weltweit in Betrieb befindlichen Kernreaktoren sind Konstruktionen der zweiten Generation. Sie sind auch die Grundlage der meisten Geschäftsmodelle und die Grundlage für die Regulierung der Kernenergie.

Neuere Reaktoren der dritten Generation bringen dies mit verbesserten Sicherheitsmerkmalen voran. „Es wurden mehrere davon gebaut, die tatsächlich damit beginnen, von den aktiven Sicherheitssystemen zu eher passiven Systemen überzugehen“, sagte Gehin. Der kürzlich eröffnete Reaktor im Vogtle Electric Generating Plant in Georgia ist ein Entwurf namens AP1000. Es handelt sich um einen Reaktor der dritten Generation und mehr, der weniger bewegliche Teile als herkömmliche Konstruktionen verwendet und sich selbstständig abkühlen kann, falls etwas schief geht. „Sie können 72 Stunden ohne Bedienereingriff arbeiten“, sagte Gehin.

Derzeit sind Reaktoren der vierten Generation in Arbeit. Im Gegensatz zu aktuellen Reaktoren, die hauptsächlich Wasser verwenden, um die Reaktion zu kontrollieren und kühl zu bleiben, verwenden diese Konstruktionen andere Materialien wie flüssiges Metall, Druckgas und geschmolzenes Salz. Der Vorteil besteht darin, dass sie höhere Betriebstemperaturen erreichen können, was zu einer höheren Effizienz führen kann. Auch industrielle Prozesse wie die Stahlproduktion könnten auf diese zusätzliche Wärme zurückgreifen.

Viele Konstruktionen der vierten Generation können auch billigere, minderwertigere Kernbrennstoffe verwenden. Das ist einer der Ansätze, die TerraPower entwickelt, ein vom Investor Bill Gates gegründetes Atomunternehmen. Einige Konstruktionen der vierten Generation können sogar Abfälle aus anderen Reaktoren nutzen. Sie können auch Geräte integrieren, die es ihnen ermöglichen, die Energiemengen schneller zu erhöhen und zu senken, um sie an den Energiebedarf anzupassen.

Diese kombinierten Effekte verbessern die Wirtschaftlichkeit der Kernenergie und rationalisieren den Gesamtprozess von der Reduzierung der Brennstoffkosten über eine effektivere Stromerzeugung bis hin zur Abfallreduzierung und Verbesserung der Sicherheit.

Einige der bedeutendsten Fortschritte in der Kernenergie liegen jedoch möglicherweise nicht in den Reaktoren selbst. Ihr größter Nutzen könnte darin liegen, dass sie überdenken, wie sie in die bestehende Energieinfrastruktur passen.

Das Energieministerium hat vorgeschlagen, Hunderte von Standorten für Kohlekraftwerke, die im ganzen Land rasch stillgelegt werden, für Kernenergie umzuwidmen. Der Vorteil besteht darin, dass sie bereits über viele der erforderlichen Genehmigungen und die Ausrüstung zum Anschluss an das Stromnetz verfügen, wodurch ein Teil der Anlaufkosten einer neuen Anlage eingespart wird.

Die meisten herkömmlichen Reaktoren sind für den Volllastbetrieb mit konstanter Energieabgabe optimiert. Die Anforderungen an das Stromnetz schwanken jedoch stark, da abends das Licht oder tagsüber die Heizung eingeschaltet wird. Während einige Kernkraftwerke hoch- und heruntergefahren werden können, ist dies nicht immer einfach. Windige und sonnige Tage können auch dazu führen, dass es ein Überangebot an billigen Elektronen aus erneuerbaren Energien gibt und der Preis für Atomstrom unterboten ist. Und da Kernkraftwerke hohe Fixkosten haben, selbst wenn sie abgelehnt werden, bleiben sie lieber am Leben und verkaufen so viel Strom wie möglich.

Jetzt planen Ingenieure Kernreaktoren unter Berücksichtigung dieser launischen Forderung. „Neue Reaktoren sind so konzipiert, dass sie einsatzbereit und flexibel sind“, sagte Christine King, Direktorin des Gateway for Accelerated Innovation in Nuclear am INL.

Eine Idee ist die Integration von Energiespeichern. Geschmolzenes Salz kann beispielsweise verwendet werden, um die Wärme eines Kernreaktors stundenlang zu speichern und bei Bedarf abzugeben. Ein anderer Ansatz besteht darin, die Wärme eines Reaktors nicht nur zum Kochen von Wasser, sondern auch zur Bereitstellung von Industriewärme für Fabriken zu nutzen. Forscher entwickeln auch Reaktoren, die bei überschüssiger Energie Wasserstoff produzieren können, der wiederum Brennstoffzellen in Autos betreiben oder Elektronen wieder ins Netz einspeisen kann.

Auch Strom aus Kernkraftwerken müsse nicht zwangsläufig ins Stromnetz eingespeist werden, so King. Stattdessen kann es spezielle Prozesse wie die direkte Abscheidung von Kohlendioxid aus der Luft antreiben. Die Abscheidung dieses Kohlendioxids ist jedoch ein äußerst energieintensiver Prozess, und Kernkraft könnte die erforderliche Energie liefern, ohne das Problem zu verschlimmern. Der abgeschiedene Kohlenstoff könnte dann als Baustein für synthetische Kraftstoffe dienen, insbesondere für Sektoren, die schwer zu elektrifizieren sind, wie die Luftfahrt und die Schifffahrt.

Die Vorzüge moderner Kernreaktoren sind theoretisch alle großartig. In der Praxis ist es wirklich sehr, sehr schwierig, etwas Großes zu bauen.

Bent Flyvbjerg, Professor an der IT-Universität Kopenhagen und Professor an der Universität Oxford, ist kürzlich Co-Autor eines Buches mit dem Titel „How Big Things Get Done“. Es wird untersucht, warum so viele große Infrastrukturprojekte wie Hochgeschwindigkeitszüge, IT-Systeme und sogar Hausrenovierungen hinter dem Zeitplan und über dem Budget liegen. Häufig sind diese Probleme auf mangelnde Planung, unzureichende Fachkenntnisse, politischen Druck und begrenzte Erfahrung zurückzuführen.

Die Kernenergie bringt noch einzigartigere Herausforderungen mit sich. Zum einen entwickelt sich die Technologie selbst weiter, sodass es schwierig ist, aus früheren Bemühungen zum Bau von Reaktoren zu lernen. Auch die Atomaufsichtsbehörden bauten ihre Regeln auf Entwürfen der zweiten Generation auf. Während Ingenieure neue Methoden zur Spaltung von Atomen entwickeln, müssen Nuklearbeobachter auch neue Standards entwickeln, um sicherzustellen, dass sie sicher sind. Das Hin und Her zwischen Entwicklern und Regulierungsbehörden erhöht die Komplexität des Designprozesses um eine weitere Ebene.

Und wann immer es irgendwo ein Problem mit einem Kernkraftwerk gibt, verschärfen die Aufsichtsbehörden ihre Kontrolle. „Sobald sie sich an bestimmte Standards angepasst hatten, wurden sie erhöht, weil es einen nuklearen Vorfall oder Unfall gab“, sagte Flyvbjerg.

Die meisten vorhandenen kommerziellen Reaktoren lassen sich auch nicht einfach vergrößern und verkleinern, sodass sie von Anfang an mit größeren, teureren Designs beginnen müssen. Das bedeutet, dass sie diese Kosten über Jahrzehnte hinweg wieder hereinholen müssen, aber wenn die Energieversorger ihre Strombedarfsprognosen falsch machen, müssen Kernkraftwerke am Ende ihre Preise erhöhen oder Geld verlieren. Da zum ersten Mal neue Reaktoren gebaut werden, gibt es wenig Erfahrung, auf die man zurückgreifen kann. Bauherren stoßen oft auf unvorhergesehene Probleme, deren Behebung mehr Geld und Ressourcen erfordert.

Das Vogtle-Werk lag beispielsweise fast sechs Jahre hinter dem Zeitplan und seine Kosten waren fast doppelt so hoch wie das ursprüngliche Budget von 14 Milliarden US-Dollar. Die Energieversorger in South Carolina haben im Jahr 2017 ein 9-Milliarden-Dollar-Projekt zum Bau von zwei AP1000-Reaktoren aufgegeben. Wenn Sie ein Investor oder ein öffentliches Versorgungsunternehmen sind, reicht es aus, Ihre Backenzähne zu Staub zu zermahlen. Die Entwicklung von Reaktoren der vierten Generation dürfte ein noch teurerer und zeitaufwändigerer Prozess sein.

Aber es gibt einige Möglichkeiten, diese gewaltigen Herausforderungen zu meistern. Eine Möglichkeit besteht darin, dass Regierungen eingreifen und Forschungsunterstützung für diese neuen Designs bereitstellen und sie testen.

Für die Nuklearindustrie besteht die heiße neue Strategie in der Verkleinerung mit kleinen modularen Reaktoren (SMRs). Anstatt riesige, maßgeschneiderte Reaktoren vor Ort zu bauen, entwickeln Unternehmen wie NuScale kleinere Reaktoren in der Größenordnung von 10 bis 50 Megawatt, die in Fabriken gebaut und per Lastwagen oder in die ganze Welt verschifft werden können. Durch die standardisierten Designs könnten Kosten eingespart werden. Und indem sie klein anfangen und dann skalieren, könnten sie eine Vielzahl von Anwendungsfällen abdecken.

Dieser Ansatz hat bereits weltweit Aufmerksamkeit erregt. Die US-Marine betreibt bereits mehr als 200 kleine Kernreaktoren, um U-Boote und Flugzeugträger anzutreiben. Der Test besteht darin, zu prüfen, ob der Business Case an Land sinnvoll ist. China und Russland betreiben bereits SMRs und 19 Länder entwickeln sie. Der kanadische Premierminister Justin Trudeau sagte im April, dass Kanada „zur Atomkraft zurückkehrt, die wir sehr, sehr ernst nehmen, und in einige der kleinen modularen Reaktoren investiert“. Eine der ersten kommerziellen SMR-Anlagen von NuScale weltweit ist nun im Jahr 2028 in Rumänien geplant.

„Das ist das richtige Experiment“, sagte Flyvbjerg.

Und mit Entwürfen wie MARVEL untersuchen Forscher noch kleinere Reaktoren, die abgelegene Gemeinden mit Strom versorgen, erneuerbare Energien unterstützen oder nach einer Katastrophe Notstrom liefern können. Da die Reaktoren jedoch kleiner werden, stellt sich die Frage, wie viele erforderlich sind, um Skaleneffekte zu erzielen.

„Viel Lernen hängt davon ab, wie viele man baut“, sagte Gregory Nemet, Professor an der University of Wisconsin Madison und Autor von How Solar Energy Became Cheap.

Bei Technologien wie Windkraftanlagen, Photovoltaikmodulen und Lithium-Ionen-Batterien kam es zu enormen Preisrückgängen, auch weil viele davon einfach zu bauen waren und kleine Leistungsverbesserungen große Auswirkungen hatten. Wenn kleinere Kernreaktoren auch nur einen Bruchteil dieser Kostensenkungen erzielen könnten, könnten sie die Kostenkurve der Kernenergie endlich in die andere Richtung verschieben.

Der Ausgleich der Bilanzen könnte sich als größeres Hindernis für die Kernenergie erweisen als die Spaltung des Atoms.

In einem neuen Bericht der National Academy of Engineering heißt es, dass die Wirtschaftlichkeit der Kernenergie „vielleicht die größte Herausforderung für den kommerziellen Erfolg fortschrittlicher Reaktoren darstellt“. Hochentwickelte Kernreaktoren sind besonders schwierig auszuspielen.

„Lassen Sie mich nur sagen, dass jeder, der die Kosten für die Stromerzeugung aus diesen Kraftwerken abschätzt, eine ganze Reihe eingebetteter Annahmen haben muss. Es besteht eine Menge Unsicherheit“, sagte Richard Meserve, ehemaliger Vorsitzender der Atomaufsichtsbehörde Kommission und Mitautor des Berichts, während eines Briefings über den Bericht.

Ein weiteres großes Problem besteht darin, dass die meisten Länder immer noch keine langfristige Lösung für den Umgang mit Atommüll haben, der über Hunderte von Jahren gefährlich bleiben kann. Es ist ein riesiges technisches und politisches Problem.

Und während die Nachfrage nach sauberer Energie steigt, steigen die Zinssätze, wodurch es teurer wird, Geld zu leihen, um irgendetwas zu bauen, ganz zu schweigen von finanziell riskanten neuartigen Reaktoren. Wagner vom INL wies darauf hin, dass der Reaktorbau in den USA in den 1980er-Jahren zum Teil aufgrund der damals hohen Zinsen eingestellt wurde. „Was passiert, wenn die Zinssätze auf 10, 12, 15 Prozent steigen? Es kommt zu Kostenüberschreitungen“, sagte er.

Gleichzeitig ist die Welt dabei, ihr CO2-Budget zu überschreiten und das Ziel, die Erwärmung in diesem Jahrhundert auf weniger als 1,5 Grad Celsius zu begrenzen, zu überschreiten.

Die USA haben sich nun verpflichtet, ihre Treibhausgasemissionen bis 2030 im Vergleich zu 2005 zu halbieren. Es ist unwahrscheinlich, dass neue Kernkraftwerke große Fortschritte auf dem Weg zu diesem Ziel machen werden, das nun in weniger als sieben Jahren liegt. Aber die USA und mehr als 130 Länder auf der Welt wollen ihren Beitrag zum Klimawandel bis 2050 vollständig eliminieren. Dieses Ziel erfordert weitaus sauberere, reichlichere und zuverlässigere Energie als wir jetzt haben.

Kernkraft könnte der Welt dabei helfen, dies zu erreichen. Es ist eine riskante und teure Investition, aber der Grundstein für diese Zukunft muss jetzt gelegt werden.

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