In unserer ausführlichen Analyse vom 27. Juni 2025 haben wir große Kernkraftwerke (KKW) diskutiert und versprochen, uns insbesondere mit dem Thema kleine modulare Reaktoren (SMR) und Mikroreaktoren zu befassen. Genau das wollen wir im Folgenden tun und einige der vielversprechendsten und fortschrittlichsten Projekte untersuchen, die derzeit laufen.
Zunächst müssen wir einige technische Konzepte vorstellen, die es uns ermöglichen, jedes Projekt besser zu verstehen und die Vorteile und Vorzüge von Mikroreaktoren zu würdigen. Wir wissen, dass das Klassifizierungskriterium par excellence die jährlich erzeugte Energiemenge ist: SMRs sind Reaktoren mit einer Leistung von bis zu 300 MWe pro Jahr, während Mikroreaktoren, die eine Unterkategorie darstellen, maximal 20 MWe erreichen. Und hier stoßen wir auf die erste technische Definition: MWe, oder Megawatt Strom, messen die Stromerzeugungskapazität (natürlich in MW) einer Anlage und sollten nicht mit Megawatt thermischer Energie (MWt) verwechselt werden, die die thermische Energie (ebenfalls in MW gemessen) messen, die in eine Stromerzeugungsanlage eingespeist wird; vereinfacht gesagt, misst erstere die Leistung, letztere den Input.
Ein weiteres technisches Merkmal von grundlegender Bedeutung ist die zur Strom- (oder Wärmeerzeugung) verwendete Technologie. Mikroreaktoren verwenden in ihren Varianten oder Integrationen im Wesentlichen zwei: den Brayton-Zyklus und den Rankine-Zyklus.
Der Brayton-Zyklus ist ein thermodynamischer Zyklus, der zur Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit verwendet wird, die zum Antrieb einer Turbine oder anderer Vorrichtungen genutzt werden kann, die thermische Energie zur Erzeugung nützlicher Arbeit, wie beispielsweise elektrischer Energie, verwenden.
Der Rankine-Zyklus ist ein thermischer Zyklus, der zur Erzeugung von Hochdruckdampf aus Wasser mit niedriger Temperatur verwendet wird. Er kann in offenen oder geschlossenen Kreisläufen durchgeführt werden, wobei erstere für industrielle Anwendungen häufiger sind. Bei diesem Verfahren wird das Wärmeträgermedium (HTF), beispielsweise Wasser, durch Verbrennen von Brennstoff erhitzt, um Hochdruckdampf zu erzeugen, und dann durch Expansion in einem Kondensator gekühlt. Bei der Durchführung des Rankine-Zyklus in einem offenen Kreislauf ist ein Kondensator erforderlich, da sonst ein Druck entsteht, der das System aufgrund seines eigenen Gewichts implodieren lassen würde.
Der Hauptunterschied zwischen dem Brayton-Zyklus und dem Rankine-Zyklus besteht darin, dass ersterer vollständig mit Gasen arbeitet, die in ihn eingeleitet werden, während letzterer eine Flüssigkeit (oder direkt Dampf) als eines seiner Arbeitsmedien verwendet. Im Brayton-Zyklus wird Luft komprimiert, durch einen Brennstoffbrenner erhitzt und dann durch eine Turbine expandiert, um mechanische Arbeit zu erzeugen, die den Kompressor antreibt, während im Rankine-Zyklus Wasser erhitzt wird, um Dampf zu erzeugen, der durch eine Turbine expandiert, um mechanische Arbeit zu erzeugen, die einen Elektrogenerator antreibt.
Tabelle 1. Unterschiede zwischen Brayton- und Rankine-Zyklus.
Die Umwandlung der Leistung von Mikroreaktoren in Elektrizität basiert in den meisten Projekten auf dem Brayton-Zyklus, der einen Zwischenwärmetauscher verwendet. Es ist zu betonen, dass in einigen Mikroreaktorprojekten der Wärmetransport vom Kern zum Zwischenwärmetauscher über Rohre erfolgt, was einen starken Unterschied zu den derzeitigen Kernkraftwerken darstellt.
Beide Technologien weisen natürlich das Problem der Kühlung auf. Die Wahl des Kühlmittels ist von grundlegender Bedeutung, da es die Wärmeabfuhr beeinflusst, die, wenn sie nicht angemessen kontrolliert wird, einen kritischen Faktor darstellt.
Die Hauptmerkmale eines Kühlmittels sollten sein:
• hohe volumetrische Wärmekapazität,
• keine Phasenänderungen unter normalen und ungewöhnlichen Bedingungen (es sei denn, das Wasser soll für einen direkten Rankine-Zyklus zum Sieden gebracht werden),
• geringe Neutronenabsorption,
• möglichst niedriger Druck bei Betriebstemperaturen,
• begrenzte Aktivierung in Gegenwart von Neutronen,
• chemische Verträglichkeit mit Kern- und Strukturmaterialien,
• gute Wärmeleitfähigkeit.
Die für diese Eigenschaften am besten geeigneten Kühlmittel sind geschmolzene Salze, Natrium und Kühlmittel auf Bleibasis.
Geschmolzene Salze bieten die Vorteile der Kühlung durch natürliche Konvektion, um einen hohen Temperaturunterschied in den Kernbereichen zu erreichen, sowie eine hohe volumetrische Wärmekapazität. Die Hauptprobleme sind jedoch die Korrosionsanfälligkeit und der hohe Schmelzpunkt.
Die Vorteile von Natrium sind das vorhandene umfangreiche technische Wissen, der niedrige Schmelzpunkt, die Möglichkeit, einen hohen Temperaturunterschied in den Kernbereichen zu erreichen, und die Möglichkeit, elektromagnetische Pumpen oder natürliche Zirkulationskühlung zu verwenden, um das Volumen im Reaktor zu reduzieren. Die Nachteile von Natrium sind jedoch die begrenzte Möglichkeit, den Durchfluss zur Verbesserung der natürlichen Zirkulation zu regulieren, sowie seine chemische Reaktivität mit Wasser und Luft.
Die Vorteile von Kühlmitteln auf Bleibasis sind die Kühlung durch natürliche Konvektion, die Möglichkeit, die Strömungsflächen zu vergrößern, die hohe thermische Trägheit aufgrund des hohen Siedepunkts und die hohe volumetrische Wärmekapazität. Zu den Nachteilen zählen der hohe Schmelzpunkt, die Korrosion und die Bildung flüchtiger Poloniumverbindungen.
Und schließlich der Brennstoff. Kernkraftwerke arbeiten in der Regel mit Uranstäben und erzeugen Strom unter Verwendung von Leichtwasser (LWR). In den Vereinigten Staaten erzeugen Kernkraftwerke Strom unter Verwendung von schwach angereichertem Uran (LEU). Schwach angereichertes Uran hat einen Uran-235-Gehalt von mehr als 0,7 % und weniger als 20 %. Aktuelle LWR-Reaktoren verwenden LEU mit einem Uran-235-Gehalt von weniger als 5 %. Einige fortschrittliche Reaktoren werden derzeit für die Verwendung von LEU mit einem Uran-235-Gehalt zwischen 5 % und 20 % entwickelt. Brennstoff, der aus auf 5 % bis 20 % angereichertem Uran-235 hergestellt wird, wird als HALEU-Brennstoff bezeichnet und kann die Brennstoffausnutzung verbessern und zu einer besseren Gesamtwirtschaftlichkeit der Anlage beitragen. Der für Mikroreaktoren vorgesehene HALEU-Brennstoff wird in der Regel in Metall- oder Keramikformen eingekapselt und ist ein Brennstoff der neuen Generation mit isotropen dreistrukturellen Partikeln (TRISO).
Mit der Entwicklung fortschrittlicher Reaktortechnologie werden sowohl neu gebaute als auch bereits in Betrieb befindliche Leistungsreaktoren HALEU-Brennstoff benötigen. Die Infrastruktur des Kernbrennstoffkreislaufs in den Vereinigten Staaten ist noch nicht darauf ausgerichtet, neue HALEU-Quellen und qualifizierte Verpackungen für den Transport bereitzustellen. Es ist davon auszugehen, dass eine kommerzielle Versorgung erst dann zustande kommt, wenn sich ein Markt für Mikroreaktoren gebildet hat. Kernbrennstoff bringt das Problem der Entsorgung (eigentlich Einschließung und damit Lagerung) der Rückstände (oder Abfälle) mit sich. Abgesehen von der Lösung der selbstvermehrenden Reaktoren, auf die wir in einem späteren Artikel näher eingehen werden, erfordern Mikroreaktoren einfachere und kostengünstigere Barrieren als große Reaktoren. Dieser Vorteil ist hauptsächlich auf die geringere Strahlungsquelle, den niedrigen Druck des Systems unter normalen Bedingungen und die geringere Wahrscheinlichkeit chemischer Reaktionen zurückzuführen. Bei der Konfiguration mit geschmolzenen Salzen als Kühlmittel kommt es zur Auflösung des Brennstoffs im Salz. Die Vorteile liegen zum einen im starken negativen Temperaturkoeffizienten, dem hohen Verbrennungsgrad und dem hohen Umwandlungsverhältnis (bei kontinuierlicher Brennstoffreinigung) sowie in der Möglichkeit, einen redundanten Abschaltmechanismus für die Entfernung des Brennstoffs in unterkritischen Behältern zu erreichen.
Andererseits könnte die Technologie, da sie noch nicht vollständig ausgereift ist, einem Kühlmittelverlust ausgesetzt sein, was wiederum zum Verlust von aktivem Brennstoff führen würde. Darüber hinaus sind die Anfangsinvestitionen und der Bau eines integrierten Systems mit chemischer Salzreinigung beträchtlich. Es könnten Probleme aufgrund des Fehlens eines Sicherheitsgebäudes auftreten, wie es normalerweise für Kernkraftwerke vorgesehen ist. Dieser Aspekt verringert die Anzahl der Barrieren zwischen radioaktiven Materialien und der Umwelt und wirft das Problem des Schutzes vor Flugzeugaufprallen auf, das normalerweise bei Kernkraftwerken berücksichtigt wird, aber für Mikroreaktoren sinnvoll sein könnte, wenn wir auch kleine Drohnen als Flugzeuge betrachten.
Mit diesen allgemeinen (und oberflächlichen) technischen Kenntnissen können wir eine Liste der derzeit vielversprechendsten Mikroreaktorprojekte erstellen (siehe Tabelle 2). Natürlich ist die Liste bei weitem nicht vollständig und – wie bereits erwähnt – handelt es sich um Projekte, die wir zu Recht oder zu Unrecht für die vielversprechendsten und sicherlich für die am meisten diskutierten halten. So waren beispielsweise eVinci und X-energy Gegenstand eines kürzlich in der FT erschienenen Artikels.
Tabelle 2. Wichtigste Projekte für Kernmikroreaktoren.
Wie leicht vorstellbar ist, bieten Mikroreaktoren einige klare Vorteile, aber ebenso viele Herausforderungen bei der Entwicklung und einige Besonderheiten in wirtschaftlicher Hinsicht.
Die wichtigsten Vorteile von Mikroreaktoren sind:
1. Geringe Kohlendioxidemissionen, wodurch sie zumindest hinsichtlich der Treibhausgasemissionen eine saubere Energiequelle darstellen.
2. Ihre geringe Größe, zumindest im Vergleich zu Kernkraftwerken. Dadurch können sie an ein Mikronetz angeschlossen werden, um 1 bis 20 MWe zu erzeugen. Mikroreaktoren sind in erster Linie dafür konzipiert, Prozesswärme für industrielle Anwendungen zu liefern, abgelegene Dörfer ohne Stromnetz zu versorgen oder militärische Einrichtungen mit zuverlässiger Wärme und Energie zu versorgen. Mikroreaktoren können eine Option sein, um die Stromversorgung in Gebieten, die von Naturkatastrophen heimgesucht wurden (z. B. nach einem Tsunami, einem Hurrikan oder einem Erdbeben), schnell wiederherzustellen oder für humanitäre Hilfe, z. B. zur Unterstützung von Krankenhäusern oder der Wasserversorgung lokaler Gemeinden. Dank ihrer geringen Größe können die meisten Komponenten im Werk zusammengebaut werden (Modularität). Dies ermöglicht eine schnellere Produktion, senkt die Kapitalkosten und verkürzt die Installationszeit vor Ort, wodurch einige der typischen Probleme von Kernkraftwerken beseitigt werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Mikroreaktoren dort eingesetzt werden können, wo große Reaktoren nicht funktionieren. Sie stellen eine Alternative dar, wenn eine kostengünstige Quelle sauberer Energie anstelle eines großen Reaktors benötigt wird.
3. Einfachere Anlagenstruktur. Beispielsweise ermöglicht die Wärmerohrtechnologie die Entwicklung einer kompakten und einfachen Struktur, wodurch Reaktorkühlpumpen und alle damit verbundenen Hilfssysteme vermieden werden. Die thermische Belastung kann reguliert werden, was eine einfachere autonome Anpassung an die Belastung ermöglicht, und dank der hohen Betriebstemperatur kann eine effizientere Leistungsumwandlung erreicht werden. Einige Projekte verwenden passive Sicherheitssysteme, die das Risiko einer Überhitzung oder Kernschmelze verhindern. Darüber hinaus gewährleisten verschiedene Mikroreaktormodelle eine lange Lebensdauer des Kerns, der 10 Jahre oder länger ohne Nachfüllen betrieben werden kann. Auf diese Weise wird die Wahrscheinlichkeit von Unfällen im Zusammenhang mit der Handhabung und dem Transport von Brennstoff verringert und im Idealfall der Kapazitätsfaktor erhöht. Die Kombination all dieser Eigenschaften ermöglicht die Planung halbautarker Anlagen und selbstregulierender Systeme innerhalb einer robusten und klar definierten Sicherheitshülle. Darüber hinaus erfordern einige Modelle von Mikroreaktoren nur wenige Mitarbeiter vor Ort, um den Betrieb zu unterstützen. Für die Wartung des Moduls wird die Möglichkeit berücksichtigt, regelmäßige Rücktransporte zum Werk zur Inspektion und Überholung durchzuführen.
4. Einfache Installation vor Ort. Mikroreaktoren können innerhalb weniger Tage angeschlossen werden und Energie erzeugen, was eine erhebliche Verkürzung der Implementierungszeit im Vergleich zu Kernkraftwerken bedeutet, die in der Regel Jahre benötigen. Darüber hinaus können sie einfach und schnell vom Standort entfernt und durch neue ersetzt oder an einen anderen Standort transportiert werden. Diese Eigenschaft ist nützlich, um die für Kernkraftwerke erheblichen Installationszeiten und -kosten zu reduzieren, und macht Mikroreaktoren einzigartig für den Einsatz in Gebieten, in denen bei Naturkatastrophen oder Stromausfällen die Stromversorgung wiederhergestellt werden muss. Viele Mikroreaktoren sind so konzipiert, dass sie in Standard-ISO-Container passen. Dies ermöglicht einen leichteren Transport per Bahn, Lkw, Schiff und sogar Frachtflugzeug. Die einfache Transportierbarkeit und Installation der (bereits mit Strom versorgten) Mikroreaktoren vom Werk zum Einsatzort wirft auch einige Fragen hinsichtlich der Vorschriften und Kontrollen während der Transportphase auf.
Die wichtigsten Herausforderungen für Mikroreaktoren sind im Wesentlichen drei.
1. Bestehende Kernkraftwerke arbeiten mit Uran-235, das in der Regel bis zu 5 % angereichert ist. Eine höhere Anreicherung ist jedoch erforderlich, um kleinere Abmessungen mit einem höheren Leistungs-/Volumenverhältnis und einer längeren Nachladezeit zu erreichen. Hierfür wird HALEU benötigt, das eine Anreicherung zwischen 5 % und 20 % erreichen könnte. Es wird außerdem erwartet, dass HALEU eine Optimierung des Systems für eine längere Lebensdauer des Kerns sowie eine Steigerung der Effizienz und eine bessere Nutzung des Brennstoffs ermöglichen wird. Derzeit ist es jedoch noch nicht in großem Maßstab verfügbar. Daher sind in diesem Bereich noch umfangreiche Forschungsarbeiten und Investitionen erforderlich.
2. Durch die Verwendung des sehr seltenen und wertvollen Brennstoffs HALEU stellen Mikroreaktoren im Vergleich zu Kernkraftwerken ein erhöhtes Risiko in Bezug auf Sicherheit und Proliferation dar. Tatsächlich macht die Verwendung von HALEU oder höher angereicherten Brennstoffen diese Anlagen für Rüstungsprogramme interessanter, da sie den Aufwand für die Gewinnung von waffenfähigem Uran verringern. Darüber hinaus könnten bei einem Erfolg der Mikroreaktortechnologie und der Entstehung eines groß angelegten Marktes mehrere Anlagen weltweit und an abgelegenen Standorten verteilt werden. Die Anzahl der Mikroreaktoren könnte potenziell viel höher sein als die Anzahl der Kernkraftwerke, was die Kontrolle jeder einzelnen Anlage erheblich erschweren würde. Es ist wahrscheinlich, dass der Kontrollbereich eines Mikroreaktors viel kleiner sein wird als der eines großen Kernkraftwerks, und auch die Sicherheitsmaßnahmen könnten geringer ausfallen. Daher könnte das Risiko potenzieller Diebstähle von radioaktivem Material steigen. Schließlich wirft das Fehlen eines Sicherheitsgebäudes, wie es normalerweise für große Kernkraftwerke vorgesehen ist, die Frage auf, wie mit den Auswirkungen eines Flugzeug- oder Drohnenaufpralls umgegangen werden soll.
3. Mikroreaktoren stellen ein Problem in Bezug auf Vorschriften und Genehmigungen für die Konstruktion und Herstellung dar. Mikroreaktoren sollten, wie zuvor erläutert, mit Ausrüstung und Dienstleistungen konstruiert, hergestellt, betrieben und verwaltet werden, die Energie und Leistung für bestimmte Anwendungen erzeugen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, den Betriebsbedingungen von Mikroreaktoren besondere Aufmerksamkeit zu widmen, um die zuständige Regulierungsbehörde zu ermitteln. Insbesondere könnten neue Vorschriften oder Änderungen bestehender Vorschriften für das Genehmigungsverfahren erforderlich sein. Beispielsweise legen die Vorschriften für große Kernkraftwerke die Anwesenheit von Mitarbeitern im Kontrollraum fest. Wenn ein Mikroreaktor für die Fernsteuerung ausgelegt ist und Mitarbeiter außerhalb des Standorts arbeiten, könnte eine Änderung der Vorschriften erforderlich sein. Für den Transport der Reaktormodule zu und von verstreuten Einsatzorten werden zusätzliche Vorschriften erforderlich sein. Tatsächlich wurden die aktuellen Methoden zur Sicherheitsbewertung oder die Zulassungskriterien nicht berücksichtigt, um die Sicherheit der Module eines Mikroreaktors (der bereits im Werk betankt wurde) während des Transports und der Mobilisierung/Demobilisierung der Module an sehr abgelegenen Standorten zu gewährleisten. Es gibt drei Hauptaspekte im Zusammenhang mit der Erteilung von Genehmigungen. (i) Erstens kann der Mikroreaktor in der Produktionsstätte des Reaktors gebaut und montiert und anschließend an den ausgewählten Standort transportiert werden. Auf diese Weise muss der Brennstoff zur Produktionsstätte der Anlage transportiert und dort in den Reaktor geladen werden. Daher müssen Behälter für den Transport des Brennstoffs entworfen werden, die auch den gesamten Reaktor aufnehmen können, der sich nach dem Befüllen mit dem Brennstoff zusammen mit diesem fortbewegt. (ii) Zweitens muss der Mikroreaktor vom Produktionswerk zum ausgewählten Standort transportiert werden, und es muss die Möglichkeit in Betracht gezogen werden, ihn wieder zum Werk zurückzubringen. In diesen Situationen muss der Brennstoff im Reaktormodul verbleiben, um den Transport zu erleichtern. (iii) Drittens können Mikroreaktoren als temporäre oder semipermanente Anlagen konzipiert werden. Daher muss eine vielseitige, robuste und skalierbare Methode für die Standortcharakterisierung, Umweltbewertung, Notfallmanagement usw. entwickelt werden.
Schließlich kann uns die wirtschaftliche Analyse Aufschluss darüber geben, ob Mikroreaktoren wettbewerbsfähig sind. Um dies festzustellen, müssen wir zunächst ermitteln, wie viel die Erzeugung von einem MWe mit einem Mikroreaktor kostet. Dies geschieht anhand einer analytischen Buchhaltung, bei der jedem einzelnen MWe alle direkten und indirekten, fixen und variablen Kosten des Mikroreaktors zugeordnet werden. Das Nuclear Energy Institute (2019) hat vorgeschlagen, die Stromgestehungskosten (LCOE) als Vergleichsgröße heranzuziehen. Die LCOE werden auf der Grundlage bestimmter Annahmen geschätzt. Die Kosten beziehen sich auf eine Anlage mit zwei 5-MWe-Mikroreaktoren mit einer Gesamtleistung von 10 MWe und gehen von einer Betriebsdauer von 40 Jahren aus, wobei alle 10 Jahre eine Brennstoffnachfüllung oder ein Austausch des Reaktorkerns erfolgt.
Außerdem wird davon ausgegangen, dass die Mikroreaktoren in der Nähe bestehender Großkraftwerke stehen, wo sie einen Kapazitätsfaktor von 95 % aufrechterhalten könnten. In einem Mikronetz könnte der Mikroreaktor nämlich nicht ständig mit maximaler Leistung laufen. Die Kosten für die Standortplanung und die Lizenzierung/Genehmigung sind in den Kapitalkosten enthalten.
Die Kosten werden auch von Faktoren beeinflusst, die mit den Installationsbedingungen (Verkehrsanbindung, Wetter- und Klimabedingungen, Arbeitsbedingungen) und der Konstruktion der Mikroreaktoren (Technologie, Konstruktion der Unterstützungseinrichtung) zusammenhängen. Auch die Art der Organisation, die Eigentümerin der Mikroreaktoren ist (privat oder öffentlich), und die Verfügbarkeit von Kreditgarantien beeinflussen die Kapitalkosten. Sie werden hingegen nicht durch den Bedarf an zusätzlicher Übertragungs- oder Verteilungsinfrastruktur beeinflusst, da diese auch für den Standort anderer Erzeugungstechnologien erforderlich sein wird.
Und schließlich fehlt der Vergleichsmaßstab. Auf den ersten Blick würde man spontan einen Vergleich mit Kernkraftwerken anstellen. In Wirklichkeit sind jedoch nicht diese der direkteste Konkurrent eines Mikroreaktors, sondern vielmehr die derzeit in abgelegenen Gebieten eingesetzten Technologien. In diesem Zusammenhang sollten Mikroreaktoren in erster Linie mit Dieselmotoren ähnlicher Größe verglichen werden, die derzeit die für Mikroreaktoren vorgesehenen Anwendungen abdecken. Darüber hinaus ist zu betonen, dass Mikroreaktoren bei den voraussichtlichen Kosten für die Stromerzeugung auch gegenüber anderen dezentralen erneuerbaren Energiequellen wettbewerbsfähig sind, wie z. B. Solarzellen auf Dächern oder allen Technologien zur Erzeugung sauberer Energie, die abgelegene Gemeinden versorgen.
In diesem Zusammenhang fasst Tabelle 3 eine vergleichende wirtschaftliche Analyse zusammen, die die Investitionen rechtfertigt, die derzeit und hoffentlich auch in Zukunft in diese innovative Technologie getätigt werden.
Tabelle 3. Vergleich zwischen Mikroreaktortechnologien, Dieselgeneratoren und erneuerbaren Energiequellen in Mikronetzen.
Wir hoffen, auf wenigen Seiten aufgezeigt zu haben, dass dieses Investitionsthema nicht nur bereits jetzt eine Allokation von Kapital verdient, sondern auch aufmerksam verfolgt und überwacht werden sollte. Es handelt sich nicht einfach um eine Investition in die Kernenergie, die durch den Kauf von Aktien von Unternehmen, die im Bau und in der Wartung von Kernkraftwerken tätig sind, getätigt werden kann (was ebenfalls ein sehr interessantes Thema ist). Es handelt sich vielmehr um eine Nischen-Kernenergie, die Probleme löst, die mit einem Kernkraftwerk derzeit nur schwer zu bewältigen sind, und gerade deshalb den Vorteil und den Wert der Komplementarität bietet.
Haftungsausschluss
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