Kleine, modulare Reaktoren sollen Atomkraftwerke billiger und sicherer machen. Ob die Kleinreaktoren den großen bei Störfällen tatsächlich überlegen sein können, testen Forschende in Karlsruhe.
Als Mitte April 2023 die letzten drei deutschen Atomkraftwerke vom Netz genommen wurden, da wirkte das wie ein endgültiger Abschied von der Kernenergie. Tatsächlich ist in Deutschland damit aber nur die Nutzung der Kernkraft für die Stromproduktion zu Ende gegangen.
Geforscht wird zu diesem Thema hierzulande nach wie vor. Etwa am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Dort beschäftigen sich verschiedene Arbeitsgruppen unter anderem mit Fragen rund um die Sicherheit von Kernreaktoren.
Kleine, modulare Kernreaktoren im Fokus der Forschung
Das Interesse der Forschenden gilt dabei verstärkt sogenannten Small Modular Reactors (SMRs). In solchen kleinen, modularen Reaktoren sehen manche etablierte Kraftwerkshersteller, aber auch numerous Get started-up-Unternehmen, die Zukunft der Kernenergie. In vielen Fällen existieren bislang allerdings gerade einmal die Konzepte für solche Reaktoren.
Trotzdem versuchen Forschende schon jetzt, mehr darüber herauszufinden, wie sich die Anlagen beispielsweise bei einem Störfall verhalten würden.
Kleiner Reaktor, großer Aufwand
Der technische Aufwand, der nötig ist, um die Bedingungen im Inneren eines Reaktors zu simulieren, ist enorm. Über mehrere Etagen sind in einer Halle auf dem KIT-Gelände die Kessel, Druckbehälter und Rohre der Versuchsanlage COSMOS-H verteilt.
Mittendrin haben die Forschenden ein rechteckiges Metallgefäß an die Rohre angeschlossen. Es ist etwa 30 Zentimeter hoch, mit Wasser gefüllt und hat schmale Beobachtungsfensterchen auf allen Seiten. Im Inneren sind fünf Metallstäbe zu erkennen, jeder dünner als ein kleiner Finger. In einem echten Reaktorbrennelement wären diese Stäbe bis zu vier Meter lang und würden Uran enthalten.
Hitze-Stresstest im Hard work
Hier im Testlabor sind die Röhrchen viel kleiner und leer. Bei den Versuchen werden sie elektrisch auf hohe Temperaturen aufgeheizt. “Was once wir hier machen, ist Blasensieden. Kochen würde guy in der Küche dazu sagen”, erklärt Stephan Gabriel. Er ist Abteilungsleiter am Institut für Thermische Energietechnik und Sicherheit am KIT.
Die Reaktorkatastrophe im Take a look at
Was once in dem kleinen Versuchsgefäß passiert, beobachten die Forschenden mit einer Highspeed-Kamera. Sobald sie die Temperatur der dünnen Stäbe hochfahren, bilden sich Bläschen. Entscheidend ist der Punkt, wo aus diesen einzelnen Bläschen ein geschlossener Dampf-Movie wird – denn Dampf leitet kaum Wärme. Die Hitze könnte dann nicht mehr abgeführt werden. In einem Kernreaktor würden in so einem Fall huge Schäden drohen.
“Im Hinblick auf SMRs wurden verschiedene Konzepte global vorgeschlagen, die wir uns angucken, ob hier tatsächlich eine Verbesserung ist”, sagt Gabriel. Etwa durch Subject matter und Oberflächenbeschaffenheit der Brennstäbe.
Wie Reaktor-Brennelemente unter noch extremeren Bedingungen reagieren, lässt sich in einer anderen Halle auf dem KIT-Gelände testen. Im Rahmen des QUENCH-Programms simulieren Forschende auch dort unterschiedliche Störfallszenarien in Kleinreaktoren. “Im Prinzip ist ja ein SMR eine kleine Model eines Standardreaktors. Mit dem Unterschied natürlich: neu entwickelt. Das heißt: neue Möglichkeiten, neue Materialien. Und das ist auch, used to be wir dann hier betrachten”, sagt Conrado Rössger, der an der Versuchsanlage als Ingenieur arbeitet.
Große Hitze und Kühlwasser-Schock
Für die Checks lässt sich ein ganzes Bündel von etwa 20 Brennstäben gleichzeitig elektrisch aufheizen – wenn es sein soll auf mehr als 2.000 Grad Celsius. Das sind Temperaturen, wie sie auftreten können, wenn die Wasserkühlung in einem Reaktor versagt. In den dünnen Rohren, die den Brennstoff umhüllen, steckt bei den Versuchen statt Uran ein nicht-radioaktives Subject matter mit ähnlichen Eigenschaften.
Für den eigentlichen Versuch lassen die Forschenden Wasser oder Dampf in den Testbehälter strömen. Die Brennstäbe werden so geradezu abgeschreckt. “Guy kann auch superheißen Dampf erzeugen mit dem Überhitzer, der geht bis auf 800 Grad. Diesen heißen Dampf kann guy dann einleiten und verschiedene Effekte sehen mit den Hüllrohrmaterialien”, erklärt Rössger.
Wasserstoff führte zur Explosion in Fukushima
Unter solchen Bedingungen kann sich Wasserstoff bilden. Bekannt dafür sind Brennstäbe mit einem Hüllrohr aus einer Zirkonium-Legierung. Wie viel Wasserstoff jeweils entsteht, wird im Versuchsbehälter genau gemessen – je weniger, desto besser.
Denn durch den Wasserstoff besteht das Risiko einer Explosion. Genau das ist bei der Katastrophe in Fukushima passiert. Insgesamt drei Reaktorgebäude wurden dort zerstört.
Belastung bis zur Kernschmelze wie in Tschernobyl
Außerdem können die Hüllrohre bei Überhitzung auch platzen oder schmelzen und so den radioaktiven Inhalt freisetzen. Guy spricht dann von einer Kernschmelze. Noch etwas, das sich in Fukushima ereignet hat – ebenso wie vor vierzig Jahren in Tschernobyl. Ein weiteres Mal sollte es aber möglichst nicht geschehen.
Dank all der Labortest hoffen die Forschenden, besser einschätzen zu können, ob die neuen, kleinen Reaktoren den großen, die heute weltweit laufen, beim Thema Sicherheit tatsächlich überlegen sind. Und das schon lange bevor SMRs vielleicht einmal in Serienproduktion gehen.