Am 21. Dezember 2021 hat in China das erste Kraftwerk mit Kugelhaufenreaktoren den Betrieb aufgenommen [1]. Der HTR-PM – der «High-Temperature Gas-Cooled Reactor – Pebble Bed Module» ist eine mit Helium gekühlte Reaktoreinheit mit einer elektrischen Leistung von 200 MW. Seine Technologie geht auf die Pionierarbeit in Deutschland vor mehr als 50 Jahren zurück und baut auf den dort gemachten Betriebserfahrungen auf. Einen Überblick über die deutsche HTR-Historie gibt Urban Cleve [2], Jochen Michels wirbt für die politische Beachtung dieser deutschen Errungenschaft [3].
Deutsche Erfahrungen bestätigt
An den beiden Reaktormodulen der Anlage HTR-PM mit einer Leistung von jeweils 200 MWth wurden kürzlich zwei Sicherheitstests durchgeführt. Während der Tests wurde die aktive Stromversorgung komplett abgeschaltet, um zu sehen, ob die Abklingwärme passiv abgeführt werden kann. Die Reaktionen der Kernenergie und der Temperaturen in verschiedenen Reaktorstrukturen zeigen, dass die Reaktoren auf natürliche Weise ohne aktives Eingreifen abgekühlt werden können. Die Ergebnisse der Tests belegen zum ersten Mal das Vorhandensein einer inhärenten Sicherheit im kommerziellen Maßstab [4].
Bestehende Kernkraftwerke benötigen für ihren Betrieb zwingend Kühlsysteme. Die Art dieser Systeme kann je nach Reaktordesign variieren – die meisten verwenden Wasser, aber einige verwenden Kühlmittel wie CO2, Helium, geschmolzene Metalle oder geschmolzene Salze – aber sie alle tun im Wesentlichen dasselbe: Sie leiten überschüssige Wärme vom Reaktorkern weg.
Wasserkühlungssysteme sind dafür bekannt, dass sie eine hohe Leistungsdichte bieten, die sich in einem besseren thermischen Wirkungsgrad niederschlägt (im Grunde genommen das Verhältnis der Arbeitsleistung zur gesamten Wärmeenergiezufuhr in einem System). Aber diese Kühlsysteme sind das A und O der kerntechnischen Sicherheit. Ihre betriebliche Zuverlässigkeit muss unter allen nur erdenklichen Umständen dauerhaft gewährleistet sein.
Genau dies war im Fall Fukushima nicht bedacht worden. Eine von einem Tsunami ausgelöste Überflutung des Notstromsystems führte zu einem totalen Stromausfall mit der Folge eines Teilschmelzens der Brennstäbe.
Unabhängig von der Art des verwendeten Kühlsystems ist jedoch im Notfall ein menschliches Eingreifen erforderlich, um den Rektor abzuschalten und eine Katastrophe zu verhindern.
Die Kugelhaufenreaktoren (PBR) hingegen sind “passiv” sicher, d.h. sie können sich von selbst abschalten, wenn es ein Problem mit dem Kühlsystem gibt. Die Zerfallswärme wird ohne Zutun strombetriebener Kühlaggregate sicher abgeleitet, ohne dass es zu einer Überhitzung kommt.
Im Gegensatz zu anderen Reaktoren, die auf Brennstäben mit hoher Energiedichte basieren, verwenden PBRs Brennstoffkugeln mit niedriger Energiedichte in größerer Anzahl. Sie enthalten zwar weniger Uran als herkömmliche Brennstäbe, aber es gibt mehr davon. Sie sind auch von Graphit umgeben, das verwendet wird, um die Neutronenaktivität im Kern zu mäßigen. Dies hilft, Kernreaktionen zu verlangsamen, was zu weniger Hitze führt.
Das mag gut klingen, aber bis vor kurzem waren die einzigen PBR-Reaktoren, die es gab, Prototypen in Deutschland und China. China hat nun jedoch ein gasgekühltes Reaktor-Kugelhaufenmodul (HTR-PM) in Shandong gebaut, das im Dezember 2023 kommerziell in Betrieb genommen wurde und mit diesen Systemen ausgestattet ist.
Um sie zu testen, schalteten die Ingenieure beide Module des HTR-PM zu einem Zeitpunkt ab, als sie mit voller Leistung arbeiteten.
“Um das Vorhandensein von inhärenten sicheren Reaktoren im kommerziellen Maßstab zu bestätigen, wurden am 13. August 2023 zwei Tests der natürlichen Kühlung am Reaktormodul 1 und am 1. September 2023 am Reaktormodul 2 durchgeführt”, schreiben die Forscher. “Während der gesamten Tests wurden die Reaktormodule auf natürliche Weise heruntergekühlt, ohne dass es zu Notkühlsystemen oder einem elektrisch betriebenen Kühlsystem kam.”
Die Ergebnisse, die jetzt veröffentlicht wurden, zeigen, dass sich HTR-PM selbst abkühlte und innerhalb von 35 Stunden nach dem Stromausfall eine stabile Temperatur erreichte.
Die Möglichkeit, einen in Betrieb befindlichen Kernreaktor zu testen, indem seine Kühlleistung abgeschaltet wird, ist äußerst ungewöhnlich. Nur aufgrund des einzigartigen Systems des HTR-PM ist dies überhaupt möglich, und obwohl weitere Tests erforderlich sind, um sicherzustellen, dass das System korrekt funktioniert, hofft man, dass dies als Modell für zukünftige Reaktoren in anderen Ländern dienen wird.
“Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die durchgeführten Kühlverlusttests das inhärente Sicherheitsmerkmal der weltweit ersten Demonstrationsanlage eines HTR-PM bestätigen”, schrieb das Team. “Um das Ziel der Eindämmung des Klimawandels zu erreichen, haben wir neue Projekte initiiert, die darauf abzielen, die petrochemische Industrie in China mit Hochtemperaturdampf bis zu 500 °C und Strom zu versorgen [5].“
[1] https://www.world-nuclear-news.org/Articles/Demonstration-HTR-PM-connected-to-grid
[2] https://www.solidaritaet.com/neuesol/2010/45/cleve.htm
[3] https://www.gaufrei.de/uic/
[5] https://www.iflscience.com/china-has-created-the-first-ever-meltdown-proof-nuclear-reactor-75221