Atomenergie: Bundesamt legt Studie zu alternativen Reaktorkonzepten vor – Nicht verfügbar – Keine Hilfe beim Klimaschutz

Während international trotz enormer Kosten und Sicherheitsrisiken für die Atomenergie mobilisiert wird, hat das Bundesamt für die Sicherheit der nuklearen Entsorgung (BaSE) ein Update seiner Studie zu alternativen Reaktorkonzepten vorgelegt. Medien erzeugen immer wieder den Eindruck, als seinen neue Reaktorkonzepte kurz vor einem weltweiten Einsatz. Doch tatsächlich sind fast alle diese Modelle noch im Entwicklungsstation, oftmals erst im Bereich der Konzeptentwicklung. Vielfach sind hohe technische Anforderungen noch ungelöst und oftmals geraten schnell die Kosten außer Kontrolle. Nicht wirtschaftliche oder politische Interessensvertreter:innen, sondern wissenschaftliche Untersuchungen und Expertise trägt BaSE zusammen. “Die wissenschaftliche Studie kommt zu dem Schluss, dass bei diesen Konzepten weiterhin zahlreiche sicherheitstechnische und ökonomische Fragestellungen offen sind. Sie werden bis zur Mitte dieses Jahrhunderts nicht in relevantem Umfang zum Einsatz kommen”, heißt es zu der neuen Veröffentlichung.

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• Die Studie ist hier als Langfassung und hier als Kurzfassung direkt online (PDF).

Zwei DOKUMENTATION von der Seite beim BaSE vom 21. März 2024

1. PM: BASE-Studie: Alternative Reaktorkonzepte lösen das Endlagerproblem nicht

Eine neue wissenschaftliche Studie im Auftrag des Bundesamts für die Sicherheit der nuklearen Entsorgung (BASE) zeigt: Die Markteinführung von alternativen Reaktorkonzepten (auch als „Generation IV“ bezeichnet) ist aktuell nicht absehbar. „Trotz teils intensiver Werbung von Herstellern sehen wir derzeit keine Entwicklung, die den Bau von alternativen Reaktortypen in den kommenden Jahren in großem Maßstab wahrscheinlich macht. Im Gegenteil: Wir müssen erwarten, dass aus sicherheitstechnischer Sicht die möglichen Vorteile dieser Reaktorkonzepte von Nachteilen und den nach wie vor ungeklärten Fragen überwogen werden“, sagt BASE-Präsident Christian Kühn und betont: „Die Konzepte lösen weder die Notwendigkeit, ein Endlager für die radioaktiven Abfälle zu finden, noch die drängenden Fragen des Klimaschutzes.“

Die alternativen Reaktorkonzepte, darunter auch SMR, werden zudem häufig mit der Hoffnung verknüpft, dass damit Sicherheitsrisiken und Entsorgungsprobleme der Kernkraft vermindert oder gar gelöst werden könnten. Um dies zu überprüfen, hat das BASE die Studie „Analyse und Bewertung des Entwicklungsstands, der Sicherheit und des regulatorischen Rahmens für sogenannte neuartige Reaktorkonzepte“ in Auftrag gegeben. Die wissenschaftliche Arbeit wurde vom Öko-Institut, der Technischen Universität Berlin sowie dem Physikerbüro Bremen durchgeführt.

„Kein alternativer Reaktortyp würde ein Endlager überflüssig machen“

Dazu wurden sieben international seit vielen Jahren diskutierte Technologielinien für alternative Reaktorkonzepte untersucht, die zuweilen auch als „Reaktoren der vierten Generation“ bezeichnet werden. Mit darunter sind beispielsweise die sogenannten blei- und gasgekühlten Reaktoren, Salzschmelzereaktoren oder beschleunigergetriebene Systeme. „Wer heute Euphorien in Verbindung mit alternativen Reaktorkonzepten weckt, blendet offene Fragen und Sicherheitsrisiken aus. Im Hinblick auf die Sicherheit der nuklearen Entsorgung bleibt festzuhalten, dass kein alternativer Reaktortyp den Bau eines Endlagers überflüssig macht“, betont BASE-Präsident Kühn.

Nach Ansicht ihrer Entwickler sollen die Reaktoren der IV. Generation gegenüber heutigen Kernkraftwerken Vorteile bei der Brennstoffausnutzung, Sicherheit und Zuverlässigkeit, Wirtschaftlichkeit sowie nuklearer Nichtverbreitung (Non-Proliferation) bieten. Ein weiterer Vorteil soll darin liegen, dass weniger hochradioaktive Abfälle entstehen oder gar bestehende Abfälle mit diesen Reaktoren entsorgt werden können.

Die in der Studie untersuchten Reaktorkonzepte wurden bzgl. ihrer Sicherheit, Wirtschaftlichkeit, Proliferationsresistenz oder des Brennstoffverbrauchs verglichen. „Einzelne Technologielinien könnten – bei konsequenter Auslegung – in einzelnen der Kriterien potenzielle Vorteile gegenüber heutigen Leichtwasserreaktoren erzielen. Aber für keine der Technologielinien ist in allen Bereichen ein Vorteil zu erwarten, in einzelnen Bereichen sind auch Nachteile gegenüber heutigen Leichtwasserreaktoren möglich“, sagt Christoph Pistner vom Öko-Institut.

Eine Betrachtung von sechs Ländern ergab: „Auch im internationalen Kontext stellen die alternativen Reaktorkonzepte weder den bisherigen Trend zu Leichtwasserreaktoren in Frage, noch stellen sie eine machbare, wirtschaftliche Option für zukünftige Energieversorgung dar“, sagt Christian von Hirschhausen von der TU Berlin. „Dies wird in der Studie anhand von sechs ausführlichen Länderstudien (USA, Russland, China, Südkorea, Polen, Belgien) ausgeführt. Insbesondere die USA, von denen in der öffentlichen Diskussion häufig die Rede ist, hat bei der Entwicklung von nicht-Leichtwasserreaktoren keine Durchbrüche erzielt bzw. sogar angekündigte Inventionen wieder zurückgenommen („Traveling Wave Reactor“).“

Resultate der Studie

Das vom BASE geförderte Forschungsvorhaben kommt zu folgenden Schlüssen:

1. Entwicklungsstand: Alle derzeit unter dem Stichwort „Generation IV“ diskutierten Konzepte sind seit Jahrzehnten, teilweise seit den 1950er Jahren in Entwicklung und konnten bisher keine Marktreife erreichen. Nach wie vor bestehen erhebliche Forschungs- und Entwicklungsbedarfe. Falls die technischen Hürden sowie Sicherheitsfragen gelöst werden können, würde der weitere Zeitbedarf für die Entwicklung wahrscheinlich im Bereich von mehreren Jahrzehnten liegen. Vor diesem Hintergrund kann nicht davon ausgegangen werden, dass solche Reaktorkonzepte bis zur Mitte dieses Jahrhunderts in relevantem Umfang zum Einsatz kommen werden. Insbesondere zeigen einzelne Länderstudien, dass ein Systemwechsel von Leichtwasserreaktoren zu serienreifen alternativen Reaktorkonzepten nicht absehbar ist.
2. Abfallaufkommen: Die alternativen Reaktoren würden weiterhin hochradioaktive Abfälle erzeugen, die sich teilweise deutlich von den Abfällen der Leichtwasserreaktoren unterscheiden, beispielsweise weil sie nicht als feste Brennelemente sondern als Salzschmelze vorliegen. Die Abfallbehandlung wäre dabei deutlich erschwert, da heutige Endlagerplanungen in aller Regel nicht auf diese Abfälle ausgelegt sind. Das Volumen der hochradioaktiven Abfälle könnte in Verbindung mit der Wiederaufbereitungstechnologien zwar reduziert werden, das Aufkommen an mittel- und schwachradioaktiven Abfällen würde sich aber deutlich erhöhen.
3. Transmutationseigenschaften: Einzelne der untersuchten Reaktorkonzepte könnten theoretisch genutzt werden, um einzelne Teile der bestehenden hochradioaktiven Abfälle zu spalten (transmutieren). Dies wäre mit einem hohen Aufwand über einen langen Zeitraum verbunden. Diese Maßnahmen würden absehbar jedoch nur einen vergleichsweise geringen Beitrag zur Reduktion des Flächenbedarfs eines Endlagers oder zu dessen Langzeitsicherheit leisten. Dies liegt insbesondere daran, dass die Stoffe, die den größten Einfluss auf die Sicherheit haben (langlebige Spaltprodukte) sich nur schlecht transmutieren lassen und daher nicht dafür vorgesehen werden.
4. Regelwerk: Die untersuchten Regelwerke internationaler Organisationen (bspw. IAEA) und nationalen Regelwerke (USA, Kanada und V.K.) machen teilweise sehr konkrete, technologie-spezifische Vorgaben, die auf jahrzehntelanger Betriebserfahrung mit Leichtwasserreaktoren aufbauen. Diese Regelwerke sind daher nicht direkt auf die untersuchten, alternativen Reaktorkonzepte anwendbar. Aktuell finden Überarbeitungen statt, allerdings ist aufgrund einer deutlich geringeren Betriebserfahrung von einem erheblichen Zeitbedarf auszugehen, bis ein ähnlich fundiertes Regelwerk vorliegt.

Fazit: Die in der öffentlichen Diskussion und von Entwicklern formulierte Erwartung, dass die alternativen Reaktorkonzepte einen signifikanten Beitrag zur Lösung der heutigen Probleme der Kerntechnik betragen können, kann angesichts des gegenwärtigen Entwicklungsstandes dieser Systeme und der tatsächlich nachgewiesenen und erwartbaren Vor- aber auch Nachteile der einzelnen Technologielinien damit insgesamt nicht als realistisch eingeschätzt werden.

2. Studie zu alternativen Reaktorkonzepten

International werden seit Jahrzehnten alternative Reaktorkonzepte diskutiert, erforscht und entwickelt. Sie sollen als Lösungsstrategie zur Dekarbonisierung der Stromerzeugung sowie teilweise auch der Wärmeversorgung für den Industrie- und Wohnsektor beitragen.

Studie: “Analyse und Bewertung des Entwicklungsstandards, der Sicherheit und des regulatorischen Rahmens für sogenannte neuartige Reaktorkonzepte”

Im Auftrag des BASE wurden im Rahmen eines Forschungsvorhabens aktuelle Entwicklungen von solchen Reaktorkonzepten, die sich wesentlich von Leichtwasserreaktoren unterscheiden, untersucht. Die Unterschiede finden sich meist bei Kühlmittel, Moderator, Neutronenspektrum sowie Art und Form des Brennstoffs.

Die untersuchten Konzepte sind:

• Natriumgekühlte Schnelle Reaktoren (Sodium-cooled Fast Reactor, SFR)
• Bleigekühlte Schnelle Reaktoren (Lead-cooled Fast Reactor, LFR)
• Gasgekühlte Schnelle Reaktoren (Gas-cooled Fast Reactor, GFR)
• Salzschmelzereaktoren (Molten Salt Reactor, MSR)
• Mit superkritischem Wasser gekühlte Reaktoren (Supercritical-water-cooled Reactor, SCWR)
• Hochtemperaturreaktoren (Very High Temperature Reactor, VHTR)
• Beschleunigergetriebene Systeme (ADS)

Die ersten sechs Reaktorkonzepte werden teilweise auch als „Generation IV“-Konzepte bezeichnet, da sie von dem sogenannten „Generation IV International Forum“ (GIF) mitentwickelt werden. Bei dem GIF handelt es sich um einen 2001 gegründeten, internationalen Verbund von Staaten und Industrieunternehmen, welche die Entwicklung der entsprechenden Reaktorkonzepte voranzutreiben versuchen.

Studie betrachtet Sicherheit der Reaktorkonzepte und Entsorgungsfrage

Die untersuchten Konzepte wurden anhand der Kriterien des technologischen Entwicklungsstands, der Sicherheit, Ver- und Entsorgungsfragen, Proliferationsrisiken und der erwarteten Kosten bewertet. Die Studie kommt zum Ergebnis:

• In manchen Kategorien weisen die untersuchten Reaktorkonzepte Vorteile gegenüber Leichtwasserreaktoren auf. Es ist aber nicht zu erwarten, dass eines der Konzepte in allen Bereichen Vorteile aufweisen wird. In einzelnen Bereichen sind auch Nachteile gegenüber heutigen Leichtwasserreaktoren absehbar.
• Einige Reaktorkonzepte werfen neue sicherheitstechnische Fragestellungen auf. Beispielsweise die Möglichkeit von Kühlmittelbränden bei natriumgekühlten Reaktoren, ein verstärktes Auftreten von Korrosion bei Salzschmelzereaktoren oder eine schwierigere Regelbarkeit des Reaktors aufgrund einer anspruchsvolleren Neutronenphysik bei schnellen Reaktoren, bedingt durch einen geringeren Anteil verzögerter Neutronen.
• Trotz der Tatsache, dass die Reaktorkonzepte teils seit Jahrzehnten in Entwicklung sind, existiert bis heute kein kommerziell konkurrenzfähiges Reaktorkonzept. Der weitere Zeitbedarf für die Entwicklung der untersuchten Konzepte wird im Bereich von mehreren Jahrzehnten gesehen.
• Teilweise könnten die untersuchten Konzepte Kostenvorteile gegenüber Leichtwasserreaktoren aufweisen. Es ist nicht davon auszugehen, dass diese Kostenvorteile die bisherigen Kostennachteile heutiger Leichtwasserreaktoren gegenüber anderen Stromerzeugungstechnologien, insbesondere erneuerbaren Energien, ausgleichen oder gar in einen Kostenvorteil umkehren könnten.

In Summe geht die Studie davon aus, dass die untersuchten Konzepte bis zur Mitte des 21. Jahrhunderts nicht im relevanten Umfang zum Einsatz kommen werden.

Einfluss alternativer Reaktorkonzepte auf radioaktive Abfallmengen

Das Vorhaben untersuchte, in welchem Umfang alternative Reaktorkonzepte radioaktive Abfälle erzeugen oder sogar reduzieren können und wie sich diese Abfälle von jenen aus Leichtwasserreaktoren unterscheiden. Diese Fragen lassen sich jedoch nicht pauschal beantworten. Das liegt zum einen daran, dass sich die Technologien noch in der Entwicklung befinden und zum anderem daran, dass dies maßgeblich davon abhängt, in welches System aus Kernkraftwerken die alternativen Reaktorkonzepte integriert werden. Beispielsweise ob eine Wiederaufbereitung angedacht ist.

Entwicklungsstand der Reaktorkonzepte in anderen Ländern

Die Studie untersuchte auch die Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten zu den Reaktorkonzepten im Ausland. Die Auswertung ausgewählter Länder ergab, dass neben dem (fraglichen) Ziel einer günstigen Erzeugung von Strom (und ggf. Wärme) folgende Motive vorhanden sind:

• Geopolitischer Einfluss (beispielsweise die Möglichkeit durch Exporte Einfluss auf die Atom-Programme anderer Länder zu nehmen),
• Nutzung von Synergien mit militärischen Atom-Programmen,
• Aufrechterhaltung von Wissen und industriellen Kapazitäten im Bereich der Kernenergie,
• die Dekarbonisierung des Energiesystems,
• die Entwicklung eines sogenannten geschlossenen Brennstoffkreislaufs; also der Möglichkeit durch Wiederaufbereitung einen Teil der Abfälle aus Leichtwasserreaktoren zu nutzen oder neuen Brennstoff für Leichtwasserreaktoren zu erbrüten.

Im Rahmen der Studie wurden die Forschungsaktivitäten der USA, Chinas, Russlands (Staaten mit Atomwaffen und Atomkraftwerken), Südkoreas und Belgiens (Staaten mit Atomkraftwerken aber ohne Atomwaffen) sowie Polen (ein potentielles Einstiegsland in die Atomenergie) auf dem Gebiet von alternativen Reaktorkonzepten vertieft analysiert.

Untersuchung ausgewählter Regelwerke

Damit ein Kernkraftwerk gebaut und betrieben werden darf, muss im Vorfeld ein Sicherheitsnachweis erbracht werden. Darin muss der Betreiber darlegen, welche Risiken von der Anlage ausgehen und welche Maßnahmen er zu Reduzierung dieser Risiken ergreift.

Das nationale Regelwerk eines Landes legt dabei fest, welche Anforderungen ein Reaktor erbringen muss, um eine Genehmigung zu erhalten. Die Regelwerke legen zum einen grundlegende Anforderungen fest (zielorientierte Regelwerke), zum anderen geben sie auch konkrete technische Ausführungen vor bzw. stellen Anforderungen mit Bezug auf konkrete technologische Lösungen (präskriptive Regelwerke).

Die Regelwerke wurden überwiegend auf Basis der Erkenntnisse aus Bau und Betrieb der heutigen, wassergekühlten Reaktorkonzepte entwickelt. Die untersuchten alternativen Reaktorkonzepte unterscheiden sich jedoch in mehreren Aspekten deutlich von wassergekühlten Reaktorkonzepten. Die präskriptiven Regeln sind daher oft nicht direkt auf alternative Reaktorkonzepte übertragbar.