Reaktorsysteme der Zukunft

Der mit Gas (Helium) gekühlte Schnelle Hochtemperatur-Reaktor (GFR) mit geschlossenem Brennstoffkreislauf ist eine Weiterentwicklung aus den heutigen britischen Magnox- und AGR-Reaktoren. Der GFR verbindet die Eigenschaften von Schnellen Reaktoren (Minimierung von Abfällen durch mehrfache Wiederaufbereitung des Brennstoffs und Spaltung langlebiger Aktinide) mit denen von Hochtemperatur-Reaktoren (hoher Wirkungsgrad des thermischen Kreislaufs und industrielle Nutzung der erzeugten Wärme, z. B. für die Wasserstofferzeugung).

Bereits seit Dezember 2021 ist in China das erste Kraftwerk der vierten Generation mit Kugelhaufenreaktoren in Betrieb. Der HTR-PM – der «High Temperature Gas-Cooled Reactor-Pebble Bed Module» – steht in Shidao Bay in der chinesischen Provinz Shandong, rund 600 Kilometer südöstlich von Peking. Entwickelt worden ist er an der Tsinghua-Universität in Peking, wo seit 2003 der Versuchsreaktor HTR-10 erfolgreich betrieben wird. Mit dem Bau des HTR-PM wurde 2012 begonnen.

Diese vor mehr als fünfzig Jahren in Deutschland erprobte Reaktorauslegung verfügt über eine Reihe besonderer Eigenschaften. In herkömmlichen Leichtwasserreaktoren, wie sie derzeit in der Schweiz in Betrieb stehen, ist der Kernbrennstoff in dünne, mehrere Meter lange Rohre eingefüllt, die zu Brennelementen gebündelt werden. Im Kugelhaufenreaktor dagegen hat der Kernbrennstoff die Form von tennisballgrossen Kugeln. Diese Kugeln sind mehrschichtig aufgebaut. Das Kernstück bilden die sogenannten Triso-Elemente (tristructural-isotropic fuel), winzige Kügelchen von rund einem Millimeter Durchmesser. Im Kern befindet sich der Brennstoff Urandioxid (UO₂). Der Brennstoffkern wird zunächst mit mehreren Schichten Grafit (Kohlenstoff) ummantelt. Das Grafit wirkt als Puffer zum Ausgleich von Volumenänderungen als Folge der Bildung neuer Elemente durch die Kernspaltung. Sonst könnten die Kügelchen aufbrechen. Darüber wird eine chemisch sehr widerstandsfähige Schutzschicht aus feuerfestem Siliziumkarbid aufgetragen und nochmals eine Schicht aus besonders dichtem Grafit. Damit ist sichergestellt, dass die radioaktiven Spaltprodukte zuverlässig eingeschlossen bleiben.

Zusammengepresst zu Tennisball
Diese gut geschützten Kügelchen werden in einem weiteren Produktionsschritt mit Grafitpulver gemischt und zu einer etwa tennisballgrossen Kugel gepresst. Schliesslich werden sie nochmals mit einer Grafitschicht ohne Brennstoff überzogen. Das Grafit, in das die Kügelchen eingebettet sind, wirkt – zusammen mit dem Reflektor an der Reaktorwand – als Moderator zum Abbremsen der Neutronen, damit es überhaupt zu Kernspaltungen kommt. So entsteht ein Kernbrennstoff, der auch bei den denkbar höchsten Temperaturen im Reaktor intakt bleibt.

Das grundlegende Verfahren zur Herstellung dieses Brennstoffs ist in Deutschland entwickelt und danach von den Entwicklungsingenieuren in China übernommen worden. Die praktischen Erfahrungen mit diesem Brennstoff in den Versuchsreaktoren in Deutschland und Tests mit chinesischen Kugeln im niederländischen Forschungszentrum Petten haben gezeigt, dass – wenn bei Herstellung und Betrieb die Qualitätsrichtlinien eingehalten werden – dieser Brennstoff einen ausgezeichneten Schutz gegen das Freisetzen radioaktiver Stoffe bietet – auch und gerade bei einem schweren Störfall. Der Nachteil dieser extrem soliden Verpackung ist, dass die Wiederaufarbeitung zum Rezyklieren des Brennstoffs entsprechend aufwendiger ist bzw. bei gleicher Menge radioaktiver Stoffe ein vergleichsweise grosses Abfallvolumen entsteht.

Passive Sicherheit des HTR-PM wurde demonstriert
Im Jahr 2023 haben Forschende der Tsinghua-Universität zwei Tests am HTR-PM durchgeführt, um die inhärente Sicherheit des Reaktors zu überprüfen. Dabei wurde aus dem laufenden Betrieb heraus bewusst die Stromversorgung der aktiven Kühlsysteme abgeschaltet. Dadurch schaltete sich der Reaktor automatisch aus, die Leistung ging rasch zurück und die entstehende Wärme wurde ohne Eingreifen allein durch natürliche Prozesse abgeführt. Die Temperaturen blieben dabei unterhalb kritischer Werte. Das ist wichtig, weil damit erstmals an einer kommerziellen Anlage gezeigt wurde, dass sich der Reaktor auch bei Ausfall der Kühlung selbst stabil und sicher verhält. Mehr dazu in unserer News.

Flexibel, modular, erweiterbar
Der HTR-PM ist ein modulares System, das je nach Bedarf zu Gruppen von 200 Megawatt (zwei Reaktoreinheiten) bis 600 Megawatt zusammengesetzt werden kann – der Standardanlage HTR-PM600 mit sechs Reaktoren und einer einzigen Turbogeneratorgruppe. Zwei solche Anlagen ergeben zusammen eine Leistung vergleichbar mit Leibstadt, dem grössten Kernkraftwerk der Schweiz. Neben China sind derzeit die USA und zukünftig auch wieder Südafrika bei Kugelhaufenreaktoren aktiv. In den USA unterstützt das Energieministerium zum Beispiel die Entwicklung des Xe-100 der Firma X-energy mit einer elektrischen Leistung von 35 Megawatt.