Titelbild: Prospekt zum Bau des Versuchsreaktors von Lucens, in dem es im Januar 1969 zum Atomunfall kam (ETH-Bibliothek, Hochschularchiv, ARK-NGA-Vr:6.2)

Die vergessene Geschichte der nuklearen Kleinreaktoren

https://spectrum.ieee.org/tech-history/heroic-failures/the-forgotten-history-of-small-nuclear-reactors

M.V. Ramana

Forscher am Nuclear Futures Laboratory der Princeton University

aktuelle Adresse: University of British Columbia, Kanada

(Publikation im Einverständnis mit dem Autoren; Übersetzung durch die Blogautoren)

Das Atomkraftwerk Enrico Fermi, Block 1, in Newport, Michigan, war ein früher kleiner Kernreaktor, der mit Mitteln der US-Atomenergiekommission gebaut wurde. Es erreichte 1963 Kritikalität und war bis 1972 in Betrieb, obwohl es 1966 eine teilweise Kernschmelze erlitt.

In der Nuklearindustrie bahnt sich heute ein verlockender Vorschlag wieder seinen Weg: Dass kleine Kernreaktoren gegenüber den heute gebauten Standardgrößen wirtschaftliche und andere Vorteile aufweisen. Die Idee ist, dass kleine Reaktoren die beste Option sind, um ein vieldiskutiertes Wiederaufleben der Atomkraft in Gang zu setzen, indem sie das erhebliche finanzielle Risiko eines großen Nuklearprojekts reduzieren.

Obwohl Sorgen hinsichtlich des Klimawandels dazu geführt haben, dass die Energieplaner die Kernenergie als Option behalten wollen, befindet sich die Nukleartechnologie in Amerika und in Europa in einer Stagnation oder einem Rückgang. Zwei neue Nuklearprojekte, die jetzt in den Vereinigten Staaten in Angriff genommen werden, sind die ersten, die seit Ende der 1970er Jahre Baugenehmigungen im Land erhielten. Weltweit hat die Kernenergie im Jahr 2013 etwa 11 Prozent des gesamten Stroms produziert, nach einem Höchststand von 17,6 Prozent im Jahr 1996, laut Daten des BP Statistical Review of World Energy 2014. In den Vereinigten Staaten ist die Zahl der Kernkraftwerke unter 100 gefallen, mit der rezenten Abschaltung der Vermont Yankee-Anlage.

Ein wesentlicher Grund für diesen Rückgang ist in der Tat wirtschaftlicher Natur. Verglichen mit anderen Arten der Stromerzeugung ist Kernenergie teuer. Nach einem Bericht des Wall Street Beratungsunternehmens Lazard aus dem Jahr 2014 liegen die Kosten für die Erzeugung einer Megawattstunde Strom aus einem neuen Kernreaktor (ohne Berücksichtigung staatlicher Subventionen, einschließlich der Haftung für schwere Unfälle) zwischen 92 und 132 $. Vergleichen Sie das mit 61 $ bis 87 $ für ein Erdgas-Kombikraftwerk, 37 $ bis 81 $ für Windturbinen und 72 $ bis 86 $ für Solaranlagen. Die hohen Kosten von Nuclearstrom resultieren direkt aus den sehr hohen Kosten für den Bau eines Reaktors, die von Lazard mit 5,4 Mio. USD auf 8,3 Mio. USD pro Megawatt geschätzt werden. Diese Kosten pro Megawatt schlagen sich in Milliarden von Dollars an Produktionskosten nieder. Zum Beispiel beträgt die letzte Schätzung für eines der beiden oben erwähnten US-Projekte – ein Paar von 1,117-MW-Reaktoren, die in der Nähe von Jenkinsville, South Carolina, gebaut werden – 11 Milliarden US-Dollar Investition. 

Diese Kosten wurden 2012 in einer Broschüre für eine Industriekonferenz bekannt gegeben, die kleinen modularen Reaktoren (SMRs) gewidmet war. Unter Hinweis auf die „riesigen Milliarden-Dollar-Herausforderungen“, die traditionelle Kernkraftwerke stellen, heißt es in der Broschüre: „Kleine modulare Reaktoren sind die perfekte Lösung für dieses Problem, indem sie das finanzielle Risiko mindern, mit steigendem Strombedarf wachsen und kürzere und einfachere Bauzeiten bieten. Der SMR-Markt ist global und extrem weit …. Kurz gesagt, die Energiebranche schreit nach kommerziellen SMR-Projekten auf der ganzen Welt. „

Die Grundidee stammt aus den 1940er Jahren, als die US-Luftwaffe, die US-Armee und die Marine Forschung und Entwicklung (F&E) für verschiedene Arten von kleinen Reaktoren starteten. Von 1946 bis 1961 gab die Air Force mehr als eine Milliarde Dollar aus, um einen Reaktor für Langstreckenbomber zu bauen – ohne Erfolg. Bei der Absage des Programms schrieb Präsident John F. Kennedy: „Die Möglichkeit, in absehbarer Zeit ein militärisch nutzbares Flugzeug zu entwickeln, ist immer noch sehr weit entfernt.“ 

Die Marine hatte bessere Erfolge bei der Entwicklung der Kernkraft für ihre Flugzeugträger und U-Boote. Diese stellen jedoch ganz andere Anforderungen als die heutigen SMR-Projekte. Ein Unterwasserreaktor ist so konstruiert, dass er unter stressigen Bedingungen betrieben werden kann, um beispielsweise beim Beschleunigen des Schiffs einen Energiestoß zu liefern. Im Gegensatz zu zivilen Kraftwerken müssen Schiffsreaktoren nicht mit anderen Energiequellen wirtschaftlich konkurrieren. Ihr großer Vorteil besteht darin, dass sie es einem U-Boot ermöglichen, lange Zeit auf See zu bleiben, ohne zu tanken.

Von den frühen kleinen Reaktoren des US-Militärs stammen diejenigen, die am ehesten vergleichbar sind mit dem, was heute diskutiert wird, aus dem Kernenergie-Programm der Armee. Es führte zum Bau von acht kleinen Reaktoren. Einige von ihnen befanden sich in denselben isolierten Gebieten, die jetzt als potentiell attraktive Gebiete für SMRs vorgeschlagen werden: die Antarktis, Grönland und abgelegene Armeebasen. Diese “Vintage-Army-Dokument” aus dem Jahr 1969 hebt die “Tugenden” des Programms hervor:

Die Erfahrung an diesen Standorten war nicht ermutigend. Die PM-3A an der McMurdo Station in der Antarktis zum Beispiel „entwickelte mehrere Fehlfunktionen, einschließlich Undichtigkeiten in ihrem Primärsystem [und] Rissen im Sicherheitsbehälter, die geschweißt werden mussten“, so die offizielle Geschichte des Programms von Lawrence H Suid. Die Lecks aus der Anlage (die der US-Marine gehörte und von ihr betrieben wurde) führten zu einer erheblichen Kontamination, und 14.400 Tonnen Erdreich wurden entfernt und nach Port Hueneme, einem Marinestützpunkt nördlich von Los Angeles, zur Entsorgung verschifft. 

Anders als die U-Boot-Reaktoren der Marine konnten die Armeereaktoren durch konventionelle Dieselgeneratoren ersetzt werden, und 1976 hob die Armee das Programm auf. Wie Suid schreibt, kam die Armee zu dem Schluss, „dass die Entwicklung komplexer, kompakter Kernkraftwerke fortgeschrittenen Designs teuer und zeitaufwendig ist … dass die Kosten für die Entwicklung und Herstellung solcher Anlagen tatsächlich so hoch sind, dass sie nur gerechtfertigt sind, wenn der Reaktor über eine einzigartige Fähigkeit verfügt und ein klar definiertes Ziel erfüllt, das vom Verteidigungsministerium unterstützt wird … (und dass) die Armee und das Pentagon bereit sein müssen, den AEC’s [US Atomic Energy Commission’s] finanzielle Unterstützung für die Entwicklungsbemühungen im Bereich der Kernenergie zu leisten.“

Wie sich herausstellte, war die AEC (Vorgängerin des US-Energieministeriums und der Nuclear Regulatory Commission) sehr an kleinen Reaktoren interessiert. Ab den 1950er Jahren wurde in den USA eine Reihe von zivilen Kleinreaktoren vorgeschlagen und wurden schließlich 17 Reaktoren mit einer Leistung von weniger als 300 MW in Betrieb genommen. Keiner von ihnen ist heute noch in Betrieb.

Viele dieser Projekte wurden durch die AEC unterstützt, die die Kernenergie für US-Versorgungsunternehmen förderte. Die erste Finanzierungsrunde, die im Januar 1955 angekündigt wurde, ging an kleine Einheiten, die als „Prototypreaktoren dienen könnten, die zur Entwicklung von großen Reaktoren beitragen würden“, schrieb Wendy Allen 1977 in ihrem Bericht “Kernreaktoren zur Stromerzeugung: US-Entwicklung von 1946 bis 1963”.

Von den vier eingereichten Vorschlägen finanzierte die AEC drei: den Yankee (nicht zu verwechseln mit dem späteren und viel größeren Vermont Yankee), Dresden-I und Fermi-I. Von diesen ist Fermi das bekannteste, weil es 1966 eine Kernschmelze erlitt, die in John G. Fullers 1975 erschienenem Buch “We Almost Lost Detroit” und Gil Scott-Herons Lied mit desselben Titel bunt beschrieben wurde. Die anderen beiden Reaktoren waren bei der Erreichung der gesteckten Ziele relativ erfolgreich. Der Yankee mit 185 MW, auch Yankee Rowe genannt, war 31 Jahre lang in Betrieb; seine Stilllegung dauerte jedoch 16 Jahre und kostete 608 Millionen Dollar.

Wie bereits erwähnt, betrachtete die AEC diese Reaktoren als Prototypen größerer künftiger Projekte. Aus einem einfachen Grund zog sie große Reaktoren den Kleinreaktoren vor: Skaleneffekte. Viele der Kosten, die mit der Konstruktion und dem Betrieb eines Reaktors verbunden sind, ändern sich nicht in linearem Verhältnis zur erzeugten Leistung. Zum Beispiel benötigt ein 400-MW-Reaktor weniger als die doppelte Menge an Beton und Stahl als ein 200-MW-Reaktor und kann mit weniger als doppelt so vielen Menschen betrieben werden. Ein leitendes Mitglied der AEC, der 1961 in Science schrieb, befürchtete, dass „die Konkurrenz [von fossilen Kraftwerken] in der Tat gewaltig sei“ und deutete an, dass „mit der derzeitigen Druckwasserreaktortechnologie niedrigere Kernkraftkosten am einfachsten mit großen Anlagen erreicht werden können . „

Der Glaube an Größenvorteile war in der Elektroindustrie so stark, dass sich in den frühen 1960er Jahren einige Energieversorger zusammentaten, um die Produktion eines großen Kernkraftwerks zu absorbieren.

Angesichts dieser vorherrschenden Meinung setzten Befürworter kleiner Reaktoren ihre Hoffnungen auf ein weiteres beliebtes kommerzielles Prinzip: „Massenproduktion“. So zum Beispiel Samuel B. Morris, General Manager und Chefingenieur der Wasserbehörde von Los Angeles Power; er reiste 1955 nach Genf, um an der ersten Internationalen Konferenz über die friedliche Nutzung der Atomenergie teilzunehmen. Dort sprach er für kleine Reaktoren und argumentierte, dass, weil die „Anzahl der kleinen Einheiten … ein Vielfaches der Anzahl der großen Einheiten ist“, „wirtschaftliche Entwicklung und wiederholte Herstellung“ der kleinen Einheiten möglich sei.

Unterdessen argumentierten Vertreter der kleineren Stromversorgungsunternehmen, einschließlich derjenigen in ländlichen Gebieten, dass sie der Fokus der AEC auf große Reaktoren effektiv ausschließe.

Konfrontiert mit solchen Argumenten und in der Absicht, die Kernenergie auf Regionen auszuweiten, die keine großen Reaktoren unterstützen können, kündigte die AEC im September 1955 eine zweite Finanzierungsrunde an. Diesmal waren kleine Reaktoren das Ziel, kein Mittel zum Zweck. Die Kommission erhielt sieben Vorschläge, von denen sie zwei finanzierte: einen 22-MW-Reaktor in Elk River, Minnesota, etwa 50 Kilometer nordwestlich von Minneapolis, und einen 12-MW-Reaktor in der Nähe der Stadt Piqua, Ohio. Zwei weitere Reaktoren wurden später dem Programm hinzugefügt: der Reaktor des Siedekernen Überhitzungs (Bonus) in Punta Higuera, Puerto Rico, und der La Crosse Siedewasserreaktor in Genua, Wisconsin.

Elk River wurde von seinem Betreiber als „Erstes Atomkraftwerk des ländlichen Amerikas“ angekündigt. Ähnlich wie die heute geplanten SMRs wurde es aus vorgefertigten Komponenten hergestellt und sein Reaktorbehälter war kompakt genug, um mit einem normalen Eisenbahnflachwagen auf die Baustelle gebracht zu werden .

Das Reaktordesign war eine Variante des Siedewasserreaktors, der heute der zweithäufigste Reaktortyp ist. Aber sein Brennstoff war ungewöhnlich, er bestand aus einer Mischung von hochangereichertem Uran (das mehr des kettenreaktiven Isotops Uran-235 typischer Kernbrennstoff enthielt) und Thorium. Viele Experten hielten Thorium auf lange Sicht für die grosse Hoffnung für die Zukunft der Atomkraft, teilweise weil sie befürchteten, dass das Uran ausgehen würde. Bis heute glauben einige, dass Thorium die Antwort auf alle Probleme der Kernenergie ist.

Bei den Anhörungen des Kongresses zum Demonstrationsprogramm begann O.N. Gravgaard, Präsident der Rural Cooperative Power Association, die die Anlage baute, seine Erklärung wie folgt: „Wir, aus ländlichen Gegenden, haben aus dem Nichts heraus begonnen, aus Notwendigkeit. Strom war vor einigen Jahren nicht verfügbar …. Wir, Akteure der ländlichen Gegenden werden alles tun, um diesen Reaktor zu einem finanziellen Erfolg zu machen. „

Der Bau des Elk River begann im Januar 1959 und der Reaktor erreichte im November 1962 seine Kritikalität. Er wurde jedoch erst im Juli 1964, dreieinhalb Jahre später als geplant, kommerziell betrieben. Die lange Verzögerung resultierte aus verschiedenen technischen Problemen, einschließlich von Rissen in einigen Komponenten. Laut Kongressanhörungen im Jahr 1967 hatten sich die Baukosten von Elk River von 6,2 Millionen auf 16 Millionen Dollar mehr als verdoppelt. Gewiss, andere Reaktoren, die damals und später gebaut wurden, kosteten mindestens das Dreifache ihrer ursprünglichen Schätzung; im Vergleich, sah Elk River ziemlich gut aus.

Für einen Reaktor, der mehr als fünf Jahre Bauzeit benötigte, hatte Elk River eine bemerkenswert kurze Betriebsdauer: nur dreieinhalb Jahre. Der Reaktor wurde im Februar 1968 für immer stillgelegt, nachdem Risse in der Kühlsystemleitung erschienen waren. Angesichts der Reparaturkosten, die auf 1 Million Dollar geschätzt wurden, entschied sich die Genossenschaft, sie nicht zu reparieren. Ein Sprecher der Genossenschaft sagte der Chicago Tribune, dass die Gruppe „das Geld vor allem deshalb nicht ausgeben wollte, weil der Reaktor zu klein und deshalb nicht wirtschaftlich“. Sodann fügte er hinzu, dass der Reaktor zu doppelt so hohen Kosten wie ein Kohlekraftwerk produzierte.

Wie der Nuklearphysiker Walt Patterson in seinem Buch „Nuclear Power“ von 1976 bemerkte, wurde der Elk River der erste Demonstrationskraftreaktor, der stillgelegt wurde. Da das Reaktorgefäß ziemlich radioaktiv war, erforderte die Stilllegung die Entwicklung neuer Unterwasserfackeln, die aus der Ferne manipuliert wurden, um die dicke Stahlkonstruktion zu zerschneiden. Der Prozess dauerte drei Jahre und kostete 6,15 Millionen US-Dollar, was fast der ursprünglichen Schätzung für den Bau entsprach.

Der Umgang mit dem bestrahlten Uran-Thorium-Brennstoff gestaltete sich ebenfalls schwierig. Schließlich wurde der abgebrannte Brennstoff zu einer Wiederaufbereitungsanlage in Süditalien transportiert.

1968, im selben Jahr, in dem Elk River stillgelegt wurde, war der letzte der kleinen Reaktoren der AEC ans Netz gegangen: der 50-MW-La Crosse-Siedewasserreaktor. Diese Anlage lief 18 Jahre lang. Am Ende kostete der Strom dreimal so viel wie der Strom aus dem benachbarten Kohlekraftwerk, so ein Bericht aus dem Jahr 2012 über die Entsorgung abgebrannter Brennelemente. In dem Artikel wurde ein ehemaliger Betriebsleiter zitiert, der sagte, dass das Werk La Crosse „ein großartiges Design hatte. Das einzige Problem war, dass es zu klein war. „

Seitdem wurde in den Vereinigten Staaten kein einziger kleiner Reaktor in Auftrag gegeben. In der Tat stieg die Reaktorgröße in den Vereinigten Staaten an und erreichte Mitte der 1970er Jahre das Niveau von 800 bis 1.300 MW.

Die einzige Ausnahme von diesem Wachstumstrend war ein experimenteller, gasgekühlter 330-MW-Hochtemperaturreaktor, das Kernkraftwerk von Fort St. Vrain in Platteville, Colorado, das 1976 mit einem ultrasicheren Design in Betrieb genommen wurde. Aber der Reaktor war ein Misserfolg. Ein Artikel der New York Times berichtete 1988 über die Entscheidung, die Anlage stillzulegen und beschrieb das Kernproblem wie folgt: „Der sicherste Reaktor schließt, weil er selten läuft.“ Daten der Internationalen Atomenergiebehörde zeigten, dass die Anlage etwa 15 Prozent der Elektrizität produzierte, welche bei einem Betrieb bei voller Kapazität produziert worden wäre.

Kleine Reaktoren wurden auch in vielen anderen Ländern gebaut, aber alle dienten als Sprungbrett zu größeren Reaktoren. Das Land mit den jüngsten Erfahrungen mit kleinen Reaktoren ist Indien, das bis vor Kurzem noch 220-MW-Schwerwasserreaktoren baute. Diese entsprechen in vielen der Eigenschaften den heutigen SMRs, wie sie von den Befürwortern angestrebt werden: eine bescheidene Größe und ein relativ standardisiertes Design, das von einem einzigen Versorgungsunternehmen und seinen Partnern hergestellt und betrieben werden. Dennoch beschloss das indische Atomenergie-Establishment, diese auf 700 MW oder mehr zu erhöhen. Die Quintessenz: Die Bemühungen um Skaleneffekte beschränkten sich nicht auf die Vereinigten Staaten.

Was den Vereinigten Staaten eigen war und ist, erklärt das größere Interesse des Landes an kleinen Reaktoren, weil seine Kernkraftwerke von privaten Versorgungsunternehmen betrieben warden. In den meisten Ländern betreiben regierungskontrollierte Organisationen die Kernreaktoren. Private Versorgungsunternehmen haben engere Budgets und sind mit verschärften Kapitalbeschränkungen konfrontiert, was die Attraktivität eines potenziell günstigeren Kernreaktors erhöht. Das Mass, in dem andere Länder an der Entwicklung von kleinen Reaktoren interessiert sind, erklärt sich meist im Hinblick auf den Exportmarkt.

Der Traum von kleinen Kernreaktoren ist mit den 1960er Jahren nicht gestorben. In den 1980er Jahren litt die Atomindustrie unter den hohen Kosten und Terminüberschreitungen im Reaktorbau von Projekten die in den vergangenen zehn Jahren gestartet wurden. Und so kehrten Befürworter der Kernkraft zurück zur Idee, klein zu werden.

Ein 1983er Artikel in der Zeitschrift “Energy” durch den Analytiker Joe Egan bot seine Vision von kleinen, vorgefertigten Reaktoren. „Ein neuartiger, werksbasierter Ansatz zur Herstellung von Reaktoren unter 400 MWe könnte viele der pragmatischen Einschränkungen des Nukleargeschäfts lindern“, schrieb er und deutete an, dass „die Vorfertigung und Standardisierung wichtiger Anlagenkomponenten die Kapitalkosten pro Kilowatt US-Dollar senken könnte auf Niveaus, die jetzt von 1.000-MW-Modellen gerühmt werden.“ Eine solche Fabrikmontage könnte die Kosten weiter senken, schrieb er, indem die Vorschriften reduziert, die Bauzeiten verkürzt und Qualitätsprobleme mit Komponenten vermieden würden

„Die Reaktoren, die einmal auf Lastkähnen (oder in einem Fall sogar Eisenbahnwaggons) zusammengebaut wurden, würden über Ozeane, Flüsse oder über Land zu Betriebsstätten transportiert werden“, fügte Egan hinzu. „Dort würden Käufer die Anlagen verankern und einfach den Schlüssel für 200-400 MWe Instant Power“ drehen. „ 

Diese Vision hat sich nie verwirklicht. Keine schlüsselfertigen Reaktoren wurden über Land geschleppt oder flussaufwärts getrieben. Damals wurden sie als zu teuer angesehen.