Die Zukunft der Kernenergie

28. November 2016

von Daniel Mcglynn, University of California – Berkeley

Anfang dieses Jahres nahm Rachel Slaybaugh an einem Campus-Mixer zum Thema technologische Innovation teil. Als sie sich als Professorin für Nukleartechnik vorstellte, hielten die anderen Anwesenden inne und baten um Erläuterungen. Sie erinnert sich: „Die Leute sagten: ‚Warte. Was? Du kommst von wo?‘“

„Ich weiß nicht, ob Sie es bemerkt haben“, antwortete sie, „aber die Atomindustrie hinkt in Sachen Innovation etwas hinterher.“

Der Kernenergiesektor wird oft als Industrie des letzten Jahrhunderts angesehen. Aber das ändert sich. Ein wachsender Markt risikokapitalfinanzierter Start-ups signalisiert, dass wir kurz vor einer nuklearen Umstellung stehen.

Trotz einer turbulenten Geschichte bleibt der Reiz der Kernenergie – Stromerzeugung in großem Maßstab mit minimalen Emissionen – attraktiv. Aufgrund der geringen Emissionsrate empfiehlt der Internationale Ausschuss für Klimaänderungen der Vereinten Nationen, die weltweite Atomkapazität bis 2050 zu verdoppeln.

Die Kernenergie als wirksame Strategie zur Bekämpfung des Klimawandels sowie die faszinierende Physik der Kernspaltung haben Slaybaugh überhaupt erst auf das Feld gebracht. „Ich greife wegen Sicherheit und Auswirkungen immer wieder auf die Zahlen zurück“, sagt sie. „Auch ohne den Klimawandel zu berücksichtigen, schauen Sie sich nur die Auswirkungen der Luftverschmutzung auf die öffentliche Gesundheit an. Ich kann einfach keine Antwort finden, die nicht nuklear ist.“

Doch der Großteil der 100 Kernreaktoren, die derzeit in den USA in Betrieb sind und weiterhin etwa 20 Prozent der Energie des Landes produzieren, erreichen das Rentenalter, und die Kräfte des Energiemarkts sind nicht immer zugunsten der Kernenergie.

Im Juni kündigte der kalifornische Energieversorger Pacific Gas and Electric Pläne an, seinen seit langem umstrittenen Reaktor Diablo Canyon innerhalb eines Jahrzehnts abzuschalten. Als Grund wurden keine Umwelt- oder Sicherheitsbedenken genannt, sondern wirtschaftliche Gründe: Der alternde Reaktor könne preislich nicht mit anderen Energiequellen konkurrieren. „Es ist ironisch, dass bestehende Atomkraftwerke geschlossen werden, während Umweltgruppen sich für die Atomkraft oder zumindest für eine neutrale Haltung entscheiden – nicht wegen zunehmender öffentlicher Gegenreaktion, sondern wegen Verzerrungen auf dem Strommarkt“, sagt Slaybaugh.

„Ich bin ein großer Befürworter erneuerbarer Energien, aber für einige Ressourcen, die keine Luftverschmutzung verursachen, werden Produktionssteuergutschriften gezahlt, für andere nicht“, fährt sie fort. „Das macht wenig Sinn.“

Vielen ist klar, dass die gesamte Branche einer Überarbeitung bedarf, damit die Kernenergieproduktion eine Zukunft hat – einschließlich der Art und Weise, wie Regulierungsstrukturen und Energiemärkte aufgebaut werden, sowie wie Kernreaktoren entworfen, finanziert und gebaut werden. Die Notwendigkeit einer branchenweiten Modernisierung ist selbst im äußerst parteiischen Washington, D.C. klar, wo sich die Gesetzgeber auf beiden Seiten weitgehend einig sind, dass der Nuklearsektor – einer der am stärksten regulierten Industriezweige der Welt – entgegenkommender sein muss zu neuen Unternehmungen.

Ebenso muss die Ausbildung neuer Arbeitskräfte im Nuklearbereich überarbeitet werden. Aus diesem Grund startete Slaybaugh mit einem Gefühl der Dringlichkeit und günstigem politischen Rückenwind ein Bootcamp für nukleare Innovationen. Das im August abgehaltene zweiwöchige Bootcamp war Gastgeber für 25 Universitätsstudenten aus der ganzen Welt und ermutigte sie, sich vorzustellen, wie „neue Atomkraft“ aussehen würde. Slaybaugh arbeitete mit Third Way zusammen, einem in DC ansässigen zentristischen Think Tank, der sich mit Fragen der Kernenergie befasst, sowie mit dem Industriekonsortium Nuclear Innovation Alliance, um den Lehrplan für den zweiwöchigen Kurs zu entwickeln.

„Einer der Gründe, warum es Sinn macht, dieses Bootcamp in Berkeley abzuhalten“, sagt Todd Allen, Experte für Kernenergie und leitender Gastwissenschaftler bei Third Way, „ist, dass dort eine Kultur der Innovation herrscht. Einer der ersten Inkubatoren des Energieministeriums.“ , Cyclotron Road, befindet sich im Berkeley Lab. In der Bay Area gibt es alle Teile, die so etwas unterstützen könnten.“

Das goldene Zeitalter der Atomkraft begann unmittelbar nach dem Zweiten Weltkrieg, als die Bundesregierung damit begann, Forschungs- und Entwicklungsgelder in kommerzielle Kernreaktorkonstruktionen zu stecken.

Im Jahr 1951 legten Wissenschaftler der National Reactor Testing Station (heute Teil des Idaho National Laboratory) in einem Betongebäude inmitten der Beifuß-Buschebenen im Osten Idahos den Schalter für den ersten Reaktor um, der die bei der Spaltung von Uranatomen entstehende Wärme umwandeln sollte in Strom umwandeln. Während seines ersten Lebens zündete der Reaktor vier 200-Watt-Glühbirnen und leitete damit ein Jahrzehnt bahnbrechender Forschung und Technik ein – gefolgt von vier Jahrzehnten voller Kontroversen und katastrophaler technologischer Misserfolge.

In den späten 1950er Jahren gingen im ganzen Land die ersten großen kommerziellen Kernreaktoren ans Netz. Im Jahr 1960 schätzte die Atomenergiekommission, dass das Land bis zum Jahr 2000 über Tausende von Kernreaktoren verfügen würde.

„Damals bestand die Philosophie darin, dass der kommerzielle Einsatz so schnell wie möglich erfolgen musste“, sagt Per Peterson, Professor für Nukleartechnik und stellvertretender Dekan der Hochschule. „Wir erlangten Kompetenz im Bau und Betrieb wassergekühlter Reaktoren für U-Boote. Und dann haben wir uns auf diese eine Technologie spezialisiert.“

Trotz früherer Entwicklungen mit anderen Reaktordesigns und Brennstoffkonfigurationen entschied sich die Industrie für dieses einzige Design – wassergekühlte Reaktoren, auch Leichtwasserreaktoren genannt – als universellen Standard. Der Zeit- und Kostenaufwand für den Genehmigungsprozess im Nuklearbereich machte eine Abweichung vom akzeptierten Entwurf unerschwinglich teuer.

Leichtwasserreaktoren erzeugen Strom, indem sie Dampf erzeugen, um eine Turbine anzutreiben. Der feste Brennstoff, meist in Stäben angeordnetes Uran, das etwa alle vier Jahre ausgetauscht werden muss, wird durch Druckwasser gekühlt. Bei einem Unfall in einem Leichtwasserreaktor können radioaktive Stoffe in Form feiner Partikel freigesetzt werden. Mit Hochdruckdampf können diese Partikel aus einem Reaktorgebäude austreten, wie bei den aufsehenerregenden Unfällen in Tschernobyl und Fukushima.

„Die Folgen schwerer Unfälle sind bei diesem Reaktortyp ziemlich groß“, sagt Peterson. „Deshalb war es ein großer Aufwand, äußerst zuverlässige aktive Systeme zu entwickeln, die für Kühlung, geringe Leckage und Hochdruck-Eindämmungsstrukturen sorgen, was diese Reaktoren teurer macht. Deshalb wurden sie immer größer gebaut, um Skaleneffekte zu erzielen.“

„Am Ende schien das nicht so gut zu funktionieren“, sagt er.

Im Jahr 1979 kam es in einem Reaktor auf Three Mile Island in Pennsylvania aufgrund von Ventilversagen und menschlichem Bedienerfehler zu einer teilweisen Kernschmelze, was zur Evakuierung von 140.000 Menschen führte. Nach dem Unfall wurde die Anti-Atomkraft-Stimmung zu einer Grundlage der aufkeimenden Umweltbewegung des Landes und warf Fragen über die Sicherheit von Nuklearanlagen und die Frage auf, was mit dem wachsenden Haufen abgebrannter Kernbrennstäbe geschehen solle.

In den nächsten 30 Jahren wurde die Vision aus den Anfängen der Kernenergie – Tausende von Reaktoren, die emissionsfreie Energie produzieren – durch wirtschaftliche und politische Faktoren gemildert.

Trotz der düsteren Wachstumsaussichten wurde Slaybaugh Anfang der 2000er Jahre als Student an der Penn State University neugierig auf eine Karriere in der Nukleartechnik. Sie interessierte sich zunächst für Physik, als sie zufällig einen Arbeitsstudienauftrag im Forschungsreaktor der Universität bekam.

Während ihres Graduiertenstudiums an der University of Wisconsin begann sie, die Boltzmann-Transportgleichung zu studieren – „eine einzige Gleichung, die beschreibt, wo sich alle Neutronen in einem Kernsystem befinden“, erklärt Slaybaugh. „Alles in einem Kernsystem beginnt damit, wo sich alle Neutronen befinden, sodass man alles andere herausfinden kann.“

Die Arbeit mit der Gleichung kann eine Herausforderung sein, daher entwickelte Slaybaugh Fachwissen in der Entwicklung von Algorithmen und Software, um die Gleichung schneller und effizienter zu lösen, was letztendlich auf den Entwurf und die Modellierung neuer Nukleartechnologien angewendet werden kann.

„Eine wirklich prädiktive Modellierung wird es am Ende viel praktikabler, erschwinglicher und praktischer machen, Fragen darüber zu stellen, was in neuen Reaktordesign-Szenarien passieren wird“, sagt Slaybaugh. „Ich habe auch ernsthafte Bedenken hinsichtlich Best Practices und Qualität: Sie möchten sicherstellen, dass die Codes, die Sie in Nuklearsystemen verwenden, funktionieren.“

„Grundsätzlich“, sagt Slaybaugh, „stelle ich die Werkzeuge her, die andere Leute für Analysen verwenden. Deshalb bin ich wirklich begeistert davon, bessere Hämmer zu bauen, damit andere Leute bessere Häuser bauen können.“ Slaybaugh, der kürzlich vom Energieminister in den Beratenden Ausschuss für Kernenergie berufen wurde, arbeitet auch mit dem Gateway for Accelerated Innovation in Nuclear (GAIN) zusammen, einer vom Energieministerium organisierten Gruppe, die Leitlinien zu technischen, regulatorischen und finanziellen Fragen bereitstellen soll aufstrebende „fortgeschrittene Nuklearindustrie“.

„Advanced Nuclear“ ist der Überbegriff für neuartige Forschungen zu kleineren Reaktorkonstruktionen, die alternative Kernbrennstoffe und Kühlsysteme umfassen. Einige fortschrittliche Designs nutzen vorhandenen Atommüll als Brennstoff wieder; oder Brennstoff verwenden, der keiner Anreicherung bedarf, was die mit der Kernenergie verbundenen Sicherheitsbedenken verringert.

„Das Wichtigste ist, dass die Regierung privaten Unternehmen nationale Laborressourcen auf eine Art und Weise zur Verfügung stellt, wie es vorher nicht möglich war“, sagt Slaybaugh. „Wenn Sie ein Nuklear-Startup sind, können Sie nur so weit gehen, bis Sie Tests durchführen müssen, und Sie werden keine Nukleartestanlage bauen, weil das schwierig und teuer ist. Aber jetzt könnten Sie mit einem nationalen Labor zusammenarbeiten.“ nutzen ihre experimentellen Ressourcen. Ich habe darüber gesprochen, wie man von Universitäten aus einen Weg für diese Art von Forschung etablieren kann.“

Im vergangenen Jahr veröffentlichte Third Way, ein Unterstützer von Slaybaughs Nuklearinnovations-Bootcamp, eine Reihe von Berichten und Weißbüchern, in denen die fortschrittliche Nuklearindustrie definiert wurde. Sie fanden 48 Projekte und Start-up-Unternehmen, die in den USA und Kanada an fortschrittlichen Kernenergietechnologien im Wert von über 1,3 Milliarden US-Dollar arbeiten.

Eines dieser Projekte wird von Per Petersons Forschungsgruppe in Berkeley geleitet. Nach seinem Ph.D. Nach seiner Forschung im Maschinenbau in Berkeley begann Peterson mit der Entwicklung passiver Sicherheitssysteme für Leichtwasserreaktoren mit dem Ziel, die ursprünglich von der Industrie eingeführten aktiven Sicherheitssysteme zu ersetzen und erheblich zu vereinfachen.

„Bereits im Jahr 2002“, sagt er, „haben die USA eine internationale Initiative zu fortschrittlichen Nukleartechnologien namens Generation IV gestartet. Dies brachte uns dazu, darüber nachzudenken, was wir von fortschrittlichen Nukleartechnologien sehen wollten, die über die bloße passive Sicherheit hinausgehen.“

Diese Erfahrungen veranlassten Peterson, völlig neue Designs zu konzipieren. „Mittlerweile bezieht sich der Großteil meiner Forschung auf fortschrittliche Reaktoren, die durch geschmolzene Fluoridsalze gekühlt werden. Diese haben große Fortschritte gemacht, seit geschmolzene Salze ab Ende der 1950er Jahre erstmals für Reaktoranwendungen untersucht wurden“, sagt er.

Schmelzsalzreaktoren werden durch Fluoridsalze gekühlt, die sich verflüssigen und bei hohen Temperaturen stabil bleiben. Sie müssen nicht wie Leichtwasserreaktoren unter Druck gesetzt werden, was die Wahrscheinlichkeit größerer Unfälle verringert.

„Geschmolzene Salze sind fantastische Wärmeübertragungsflüssigkeiten; sie haben eine enorme volumetrische Wärmekapazität, was bedeutet, dass sie bemerkenswert kompakt sind. Dies versetzt Sie in die Lage, Reaktorbehälter so zu konstruieren, dass sie eine begrenzte Lebensdauer haben und während der Lebensdauer eines Reaktors mehrmals ausgetauscht werden müssen.“ Pflanze", sagt Peterson. „Sobald man sich auf die begrenzte Lebensdauer konzentriert, befindet man sich in Bezug auf Innovation und Aufrüstung alter Komponenten in einem ganz anderen Feld.“

Peterson wurde 2010 in die Blue-Ribbon-Kommission des US-Energieministeriums für die nukleare Zukunft Amerikas berufen und trägt auch zur nationalen Diskussion über neue nukleare Regulierungsstandards bei. „Hier sind wir nur 10 Jahre, nachdem die NASA ihr Commercial Orbital Transport Services-Programm zur Finanzierung von Start-up-Unternehmen wie SpaceX gestartet hat, und mit der Idee, dass Start-up-Unternehmen aus dem Privatsektor wesentlich flexibler sein und dennoch in Bereichen arbeiten können, die ein hohes Niveau erfordern, hat sich ein gewaltiger Wandel vollzogen.“ von technischer Raffinesse.“

Peterson sagt, dass es ihn optimistisch halte, sich von den Erfolgen anderer stark regulierter Branchen inspirieren zu lassen. „Es besteht das Potenzial für schnelle Innovationen, und wir können große Veränderungen in der Nukleartechnologie bewirken. Daran müssen wir im kommenden Jahrzehnt arbeiten.“

Bereitgestellt von der University of California – Berkeley