Kernkraftwerke Automatisch sicher

Abschalten, abreißen und zurück zur grünen Wiese: Das ist nach aktuellen Umfragen momentan der Volkswille, wobei es nur eine Frage von Wochen zu sein scheint, bis die durch den angepeilten Ausstieg aus der Kernenergie wegbrechende Kraftwerksleistung durch Windräder, Biogasanlagen und Photovoltaik ersetzt ist. Das zumindest versuchen uns populistisch denkende Politiker weiszumachen. Dabei ist längst klar, dass eine ökologische (nachhaltige) Neuausrichtung unserer Energielandschaft Jahre dauern und Milliarden Euro kosten wird. Sehr wichtig dabei: Sich auf das Geschehen innerhalb der Landesgrenzen zu konzentrieren wäre fahrlässig, wenn nicht gar sträflich. Denn wem ist gedient, wenn Deutschland seine „Stromlücken“ durch Lieferungen aus dem Ausland deckt, mit Elektrizität, die in Kernkraftwerken erzeugt wird, die einen deutlich niedrigeren Sicherheitsstandard haben als die aufs Altenteil geschickten deutschen „Schrottreaktoren“.

Mit welchen Techniken man den Stromhunger der Welt wird decken können, verlangt nach einer globalen Antwort. Dabei werden die katastrophalen und selbst mit viel Phantasie kaum vorstellbaren Ereignisse rund um das Atomkraftwerk Fukushima 1 nicht wirkungslos bleiben. Doch wie die Reaktionen auf die japanische Apokalypse etwa aus Frankreich, Amerika oder China zeigen, wird diese Technik keineswegs beerdigt. Nicht nur diese Länder werden an der Atomenergie festhalten - und sie vielmehr ausbauen: In der Welt werden derzeit 62 neue Reaktoren errichtet, rund 150 sind in der Planung und 442 in Betrieb.

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Nur mit dem Bau neuer Atommeiler, so die Energiestrategen, könne man die von der Internationalen Energie-Agentur (IEA) für das Jahr 2035 prognostizierte um 75 Prozent höhere Stromnachfrage decken. Selbst bei der erwarteten Verdreifachung der erneuerbaren Energien werden nach der IEA-Prognose in 25 Jahren Kohle und Öl immer noch die mit Abstand wichtigsten Energieträger sein. Im Vergleich dazu wird der Zuwachs bei Atomstrom moderat ausfallen.

Unwahrscheinlicher als bei den Fukushima-Blöcken

Es gibt kein Vertun: Auch in jedem der heute neu gebauten Kernkraftwerke kann es zur Kernschmelze kommen. Dass dieser Gau eintritt, ist jedoch deutlich unwahrscheinlicher als bei den 1971 in Betrieb gegangenen Fukushima-Blöcken, die nicht nur wegen ihres Alters von zahlreichen Fachleuten, wie man heute weiß, schon länger überaus kritisch beäugt wurden. Denn mit dem vergleichsweise klein bemessenen Containment (Sicherheitsbehälter) baut sich bei einem schweren Störfall rasch ein zerstörerisch wirkender Druck auf. Auch fehlte den Unfallreaktoren die an deutschen Anlagen vorhandene „gefilterte Druckentlastung“, die entweder über ein gezieltes Abbrennen oder über „Rekombinatoren“ den bei mangelnder Kühlung an den (zu) heißen Brennstäben entstehenden Wasserstoff zu Wasser werden lässt.

Auch waren die Havarie-Reaktoren weder gegen ein Erdbeben mit Magnituden von neun und größer noch gegen gewaltige Tsunami-Wellen geschützt. Nur so ist zu erklären, dass das externe Notstromsystem weggespült wurde. Auch soll die Flutwelle Öltanks weggerissen haben, die den Brennstoff für die innerhalb der Gebäude stehenden Notstromgeneratoren bunkerten. Die Dieselgeneratoren, die ordnungsgemäß angelaufen waren, haben Wasser „gezogen“, was sie binnen Sekunden zerstörte.

Damit hat sich, wie beim glimpflich ausgegangenen Störfall im schwedischen Kernkraftwerk Forsmark im Sommer 2006, wieder die Notstromversorgung als Achillesferse erwiesen. Seit diesem Zeitpunkt war klar, dass nicht, wie lange angenommen, ein Bruch der zum Reaktor führenden Notfall-Kühlmittelleitungen das für die Sicherheit eines Atomkraftwerks entscheidende Ereignis ist, sondern der Ausfall der Stromversorgung der für die Nachkühlung nötigen Pumpen. Nach Forsmark läuteten auch hierzulande kurz die Alarmglocken. Man hat diese Systeme noch einmal überprüft. Nicht jedoch in Fukushima.

Zehn Jahre später schon 1000-MW-Blöcke errichtet

Wie bei anderen Techniken hat sich über die Jahre auch das „Design“ von Kernkraftwerken verändert. Nachdem man in den sechziger Jahren mehrere Prototypen und Demonstrationsanlagen mit Leistungen von nur wenigen 100 Megawatt (MW) gebaut hatte, wurden zehn Jahre später schon 1000-MW-Blöcke errichtet, wobei man primär daran interessiert war, deren Baukosten durch Standardisierungen „klein“ zu halten. Diese Anlagen der zweiten Generation - vor allem Siedewasser- und Druckwasserreaktoren - stellen heute das Gros in Europa. Über die Jahre wurden sie ständig nachgerüstet. Auslöser waren mehr oder weniger große Störfälle, so haben etwa die weitgehende Zerstörung des Reaktorkerns im Druckwasserreaktor Three Mile Island 1979 und später die Katastrophe von Tschernobyl 1986 eine Flut von Neuerungen ausgelöst. Deutsche Anlagen wurden mit nach den damaligen Umweltministern benannten „Wallmann“-Ventilen und „Töpfer“-Kerzen nachgerüstet. Beide Installationen sollten schwere Störfälle verhindern helfen, konnten die Sicherheitsphilosophie aber nicht grundsätzlich ändern. Daher hat man in den Folgejahren nach „sichereren“ Konzepten gesucht und den European Pressurized Water Reaktor (EPR) entwickelt. Diese Technik wurde vom französischen Reaktorbauer Framatom gemeinsam mit Siemens vorangetrieben. Seit der Zusammenlegung der Nuklearaktivitäten beider Gesellschaften werden die Arbeiten von Areva NP weitergeführt.

Hinter dem Konzept dieses europäischen Druckwasserreaktors steht der Gedanke, dass man einen schweren Störfall grundsätzlich nicht ausschließen kann, die Auswirkungen auf den Reaktor aber begrenzen will. Hierzu wird der Reaktorbehälter auf eine Keramikwanne und eine mehrere Meter dicke Betonschicht gesetzt. Eine gleichstarke Betonhülle soll verhindern, dass radioaktiver Dampf nach außen dringt. Zudem hat der Reaktor ein vierfach redundantes Notkühlsystem, das zum Schutz vor inneren oder äußeren „Einwirkungen“ in getrennten Gebäuden untergebracht ist. Und ein „Sprühsystem“ soll den Druck im Containment reduzieren helfen, wenn es hier zu einem Leitungsbruch kommt.

Zwei Anlagen sollen in China ans Netz gehen

2009 sollte der erste EPR im finnischen Olkiluoto in Betrieb gehen. Auch im Kernkraftwerk Flamanville im Norden Frankreichs wird an einem EPR gebaut; zwei Anlagen sollen in China ans Netz gehen. Doch wie die Dinge momentan stehen, hinken die Projekte weit hinter den Planungen zurück. So wird das finnische Kraftwerk frühestens Anfang 2013 fertig werden. Die Kosten sind von ursprünglich geplanten 3,2 Milliarden Euro bereits auf 5,2 Milliarden gestiegen, so dass es längst Zweifel an der Wirtschaftlichkeit des EPR gibt.

Wegen seiner Sicherheits-Features rechnet das Gros der Nuklearexperten den EPR zu den Kernkraftwerken der dritten Generation. Diesen Rang nehmen auch der von Areva angebotene Siedewasserreaktor SWR 1000 und der von Westinghouse entwickelte Druckwasserreaktor AP 1000 für sich in Anspruch, da sie passiv wirkende Systeme zum Abführen der Nachwärme nach dem „Kühlmittelverluststörfall“ haben. Über mehrere Tage, so das Argument, können diese Anlagen nach einer gravierenden Störung ohne menschliches Eingreifen, und selbst wenn die Stromversorgung ausfällt, ausreichend gekühlt werden.

Passiv wirkende Kühlsysteme sind ein Fortschritt. Da diese „neuen“ Kraftwerkskonzepte jedoch die Kernschmelze weiterhin grundsätzlich nicht ausschließen können, äußern sich immer wieder Fachkollegen kritisch und sprechen ihnen den Rang der „dritten Generation“ ab. Allenfalls hätten sie ein 2+ oder 2++ verdient. Erst wenn Kernkraftwerke inhärent sicher seien, sei der Durchbruch in eine akzeptable Technik geschafft. Es müssen Anlagen gebaut werden, die auch nach dem Ausfall externer Komponenten sicher arbeiten.

Ein knappes Dutzend Länder kamen zusammen

Über solche Konzepte wird schon länger nachgedacht. Auf Initiative Amerikas kam Anfang 2000 ein knappes Dutzend Länder im Rahmen des „Generation IV International Form“ zusammen, um über die Zukunft der Nukleartechnik zu sprechen. Sie formulierten die Eigenschaften, die eine „nachhaltige“ Kerntechnik haben muss. Konkret wurde gefordert, dass die Wahrscheinlichkeit eines Schadens am Reaktorkern extrem gering (präzis: kleiner als eins, bezogen auf zehn Millionen Reaktorjahre, und damit zehnmal geringer als bei den Anlagen der dritten Generation) und externe Notfallmaßnahmen grundsätzlich entbehrlich sein müssen. Und: Die Anlagen der vierten Generation sollen die Gefahr der Proliferation ausschließen, sie sollen den am wenigsten attraktiven Weg für das Abzwacken von Spaltmaterial für den Bombenbau darstellen.

Aus mehr als 130 Vorschlägen wurden letztlich sechs ausgewählt. Wie zu erwarten, waren darunter keine völlig neuen Konzepte, zu allen gibt es Vorläufer. Das gilt für den in den siebziger Jahren in Jülich entwickelten Hochtemperaturreaktor (HTR), der seinen Vorteil aus einer schlichten physikalischen Gesetzmäßigkeit ableitet: Der Neutronenfluss in den Brennelementen - tennisballgroße Graphitkugeln, in die der Kernbrennstoff eingebettet ist - nimmt mit steigender Temperatur ab.

Die zu einem Haufen aufgetürmten Kugeln werden von gasförmigem Helium durchströmt, das sich dabei auf 1000 Grad erwärmt, um anschließend in der Turbine zu entspannen. Sollte das kühlende Helium durch ein Loch in der Reaktorhülle knapp werden, würden keine so hohen Temperaturen entstehen, dass die Brennelemente schmelzen könnten. Sogenannter pyrolytischer Grafit gibt erst bei 3650 Grad nach, die Temperatur, die bei keinem Kugelhaufenreaktorunfall erreicht wird. Ein Risiko bestünde nur dann, wenn nach einem Unfall das Helium entweichen und Luft in den Reaktor strömen und den heißen Grafit erodieren ließe. Es ist jedoch technisch möglich, einen solchen „Kaminzug“ auszuschließen. Die HTR-Technik wird heute in China und Japan vorangetrieben.

Natriumgekühlte Schnelle Reaktoren setzen auf Neutronen

Zu den favorisierten Konzepten gehören gleich drei, die auf schnelle Neutronen setzen. Es sind dies der natriumgekühlte Schnelle Reaktor (SFR), wie er in Frankreich als Phénix und Superphénix und in Japan als Monju bereits relativ weit entwickelt wurde. Weiter der mit Blei gekühlte Schnelle Reaktor (LFR). Vorläufer sind hier unter anderem die Reaktoren in russischen U-Booten. Und drittens der gasgekühlte Schnelle Reaktor (GFR), ein Prinzip, das dem HTR ähnelt, denn hier wird ebenfalls mit einem Heliumkreislauf gearbeitet.

Alle diese Reaktoren benötigen im Gegensatz zu den Leichtwasserreaktoren keinen Moderator, der die Neutronen bremst. Sie können aber auch nicht mit dem Neutronen bremsenden Wasser gekühlt werden. Einen Vorteil sieht man in der Tatsache, dass mit Hilfe der schnellen Neutronen Plutonium aus dem in der Natur häufig vorkommenden Uran-238 gewonnen und direkt wieder als Brennstoff eingesetzt werden kann. Gegenüber Leichtwasserreaktoren kann man so ein Vielfaches der Energie aus dem Uran-Brennstoff gewinnen, zudem besteht hier die Chance, dass weniger radioaktive Abfälle anfallen.

Recht exotisch wirken der mit überkritischem Wasser gekühlte Reaktor (SCWR) und der Salzschmelze-Reaktor (MSR). Beim SCWR handelt es sich um einen thermischen Reaktor, dessen Aufbau einem Siedewasserreaktor mit einem einfachen Kreislauf ähnelt. Den Einsatz von Salzschmelze-Reaktoren hatte man schon vor 60 Jahren in Amerika für den Antrieb von Militärflugzeugen in Erwägung gezogen. Sie bestehen aus einem durchlöcherten Grafitblock, durch den flüssige Uransalze zirkulieren. Der Grafit moderiert die Neutronen.

Optimistische Forscher stellen den ersten funktionsfähigen und inhärent sicheren Reaktor für 2040 in Aussicht. Bis dahin könnte auch die Entwicklung von Kernfusionsreaktoren (ITER in Cadarache) so weit sein, dass erste Kraftwerke ihren Betrieb aufnehmen können. Da ihr Brennstoff (die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium) unbeschränkt zur Verfügung steht, ist diese Technik prädestiniert, zusammen mit den erneuerbaren Energien den globalen Energiebedarf zu decken.