China stellt CFR-1000-Schnellreaktor vor und schlägt ein neues Kapitel der Kernenergie auf

Ein großer Schritt im Reaktordesign mit globaler Tragweite

China ist der kommerziellen Nutzung von Schnellen Reaktoren einen großen Schritt näher gekommen. Die China National Nuclear Corporation hat das Design des CFR 1000 vorgestellt, eines Schnellen Neutronenreaktors mit einer Leistung von bis zu 1,2 Gigawatt. Vorbehaltlich der Sicherheitsgenehmigungen strebt CNNC eine Inbetriebnahme Anfang der 2030er-Jahre an; als Planungsdatum wird vielfach 2034 genannt. Mit einer Leistung, die dem Strombedarf von rund einer Million Haushalten entspricht, wäre der Reaktor einer der größten fortgeschrittenen Reaktoren in der Entwicklung.

Anders als Druckwasserreaktoren, die das Rückgrat der heutigen Kernkraftflotten bilden, bremst der CFR 1000 Neutronen nicht mit einem Moderator wie Wasser ab. Er ist ein Schneller Neutronenreaktor. Das Design gehört zu einer Klasse, die häufig der vierten Generation zugerechnet wird und eine bessere Brennstoffnutzung, weniger Abfall und hohe Sicherheitsstandards anstrebt. CNNC sieht den CFR 1000 als ersten kommerziellen Schritt eines stufenweisen Plans, der mit einem kleinen Versuchsreaktor begann und zwei Demonstrationsanlagen umfasst, die derzeit gebaut werden. Das Unternehmen stellte das Design auf einem Symposium zur fortgeschrittenen Kernenergie in Fuzhou in der Provinz Fujian vor. Vertreter der Energiebehörden waren anwesend.

Das Interesse reicht weit über Chinas Grenzen hinaus. Ein kommerzieller Schneller Reaktor dieser Größenordnung könnte die Energieversorgungs- und Klimaplanung vieler Länder verändern. Er könnte auch die Debatte über die Wiederaufarbeitung von Brennstoff, den Umgang mit Plutonium und den Handel mit Kernmaterialien neu entfachen. Das Tempo wird von den chinesischen Aufsichtsbehörden vorgegeben. Fachleute im Ausland werden die Leistung des Designs beobachten und zugleich ihre eigenen Schnellreaktorprogramme vorantreiben.

Der CFR 1000 nutzt flüssiges Natrium statt Wasser, um Wärme vom Reaktorkern zu den Anlagen zur Stromerzeugung zu transportieren. Natrium ermöglicht höhere Betriebstemperaturen bei niedrigem Druck. Das verbessert den thermischen Wirkungsgrad und verringert einige Unfallrisiken, die bei wassergekühlten Systemen auftreten. Diese Entscheidung bringt auch besondere technische Herausforderungen mit sich. Natrium reagiert mit Wasser und Luft. Deshalb setzt das Anlagendesign auf abgeschlossene Bereiche, Lecküberwachung und mehrere Wärmetransportkreisläufe, um das Metall von Dampf und Atmosphäre zu trennen.

Wie ein Schneller Neutronenreaktor Energie erzeugt

Im Zentrum jedes Reaktors steht eine Kettenreaktion. In einem konventionellen Kraftwerk befinden sich Brennstäbe in Wasser, das mehrere Aufgaben erfüllt. Das Wasser moderiert, also verlangsamt Neutronen, sodass sie mit größerer Wahrscheinlichkeit Uran-235 spalten. Außerdem kühlt es den Brennstoff und transportiert Wärme zu den Dampferzeugern. Bei einem Schnellen Reaktor entfällt der Moderator. Die Neutronen bleiben energiereicher und können ein breiteres Spektrum an Atomkernen spalten, darunter Plutoniumisotope, die im Brennstoff entstehen.

Diese Änderung hat mehrere Auswirkungen. Der Brennstoff kann umfassender genutzt werden, bevor er verbraucht ist. Das neutronenreiche Umfeld ermöglicht einen geschlossenen Brennstoffkreislauf, in dem der Reaktor aus dem reichlich vorhandenen Uran-238 neues spaltbares Material erbrütet. Wird dieses Material abgetrennt und wiederaufbereitet, können dieselben Atome mehrfach zur Stromerzeugung beitragen. Das Verfahren kann außerdem einen Teil der langlebigen Abfälle aus konventionellen Reaktoren verbrauchen und so die langfristige Abfallmenge verringern, sofern der gesamte Kreislauf in großem Maßstab umgesetzt wird.

Brüten, Wiederaufarbeitung und geschlossener Kreislauf

Brüten bezeichnet die Erzeugung neuen spaltbaren Brennstoffs im Reaktor. In einem typischen Aufbau fängt Uran-238 ein Neutron ein und wird durch eine Reihe von Zerfällen zu Plutonium-239. Umgeben die Entwickler den Kern mit Brutmänteln aus fertilem Material, kann die Anlage genügend neuen Brennstoff erzeugen, um den Verbrauch des Reaktorkerns auszugleichen. Dieses Verhältnis, die Brutrate, bestimmt, wie viel neues Material für die nächste Brennstoffladung zur Verfügung steht.

Um den Kreislauf zu schließen, muss der Brennstoff wiederaufgearbeitet werden. China betreibt Wiederaufarbeitungsanlagen im Pilot- und Demonstrationsmaßstab und hat gemeinsam mit Partnern Industrieprojekte geprüft. Mischoxidbrennstoff, eine Mischung aus Plutonium und Uran, wird in Schnellen Reaktoren sowie in einigen konventionellen Anlagen eingesetzt. CNNC hat für spätere Programmphasen auch Metallbrennstoff ins Gespräch gebracht. Jede Option bringt Abwägungen bei Leistung, Materialhandhabung und Komplexität der Wiederaufarbeitung mit sich.

Warum flüssiges Natrium für das Design entscheidend ist

Flüssiges Natrium ist ein bevorzugtes Kühlmittel für Schnelle Reaktoren, weil es Neutronen nicht abbremst und Wärme sehr gut transportiert. Es bleibt über einen großen Temperaturbereich flüssig und siedet erst bei sehr hohen Temperaturen. Dadurch kann der Reaktor bei annähernd atmosphärischem Druck betrieben werden. Der niedrige Druck verringert die Belastung von Rohren und Druckbehältern und schließt große Dampfexplosionen aus, die bei wassergekühlten Anlagen zu bestimmten Unfallszenarien gehören.

Nach öffentlichen Beschreibungen chinesischer Projekte dieser Reihe wird der CFR 1000 als Beckenreaktor ausgelegt. Reaktorkern, Pumpen und Wärmetauscher befinden sich in einem großen Natriumbehälter. Die Wärme wird vom primären Natriumkreislauf auf einen sekundären Natriumkreislauf und anschließend auf ein Wasser- oder überkritisches Kohlendioxidsystem übertragen, das die Turbinen antreibt. Dieser dreistufige Aufbau soll verhindern, dass mögliche Dampf-Lecks bis in den radioaktiven Primärkreislauf gelangen.

Sicherer Umgang mit Natrium

Der Umgang mit Natrium ist eine zentrale Disziplin bei dieser Art von Anlage. Das Metall reagiert mit Wasser und Sauerstoff. Entwickler begegnen dem mit abgeschlossenen Schutzgassystemen, meist mit Argon, sauerstofffreien Gehäusen, schneller Leckdetektion und Anlagen, die den Sauerstoffgehalt im Natrium extrem niedrig halten, um Korrosion zu begrenzen. Dampferzeuger werden aus widerstandsfähigen Materialien gefertigt und mit Überwachungssystemen ausgestattet, die schon eine winzige Wasserstoffübertragung erkennen können, lange bevor ein Rohr bricht.

Der Brandschutz unterscheidet sich von dem in einem wassergekühlten Kraftwerk. Betreiber planen für Natriumlecks, bei denen Rauch entstehen oder das Natrium an der Luft brennen kann. Räume mit inerter Atmosphäre, Auffangwannen und spezielle Löschmittel gehören zu den bewährten Verfahren aus früheren Anlagen in Russland, Frankreich, Japan und den Vereinigten Staaten. Die weltweiten Betriebserfahrungen umfassen Lehren aus Zwischenfällen; moderne Designs versuchen, diese Erkenntnisse in Anlagenlayouts und Betriebsabläufe einfließen zu lassen.

Sicherheitsfragen für die Aufsichtsbehörden

Schnelle Reaktoren beruhen auf einer anderen Physik als konventionelle Anlagen. Deshalb konzentrieren sich die Aufsichtsbehörden auf einige wiederkehrende Fragen. Eine davon ist das Verhalten des Reaktors, wenn das Kühlmittel siedet oder der Durchfluss ausfällt. Entwickler streben eine starke negative Reaktivitätsrückkopplung an, damit sich die Kettenreaktion bei steigenden Temperaturen verlangsamt. Eine weitere Priorität ist die Abfuhr der Nachzerfallswärme über viele Tage hinweg, ohne dass ein Eingreifen des Betriebspersonals nötig ist. Moderne Schnellreaktoren verfügen über passive Systeme, die auf natürlicher Konvektion und im Kühlmittel eingetauchten Wärmetauschern beruhen.

Auch die Reaktionen zwischen Natrium und Wasser stehen im Fokus. Selbst bei getrennten Kreisläufen kann ein Leck in einem Dampferzeuger Wasser in heißes Natrium spritzen. Dabei entstehen Wärme und Wasserstoff. Anlagen werden mit Rohren kleinen Durchmessers, schnell schließenden Absperrventilen und Entleerungsbehältern gebaut, die das Natrium innerhalb von Sekunden aus dem Dampferzeuger abführen können. Diese Maßnahmen verringern die Wahrscheinlichkeit eines Rohrbruchs und begrenzen die Folgen, falls es doch dazu kommt.

CNNC zufolge erfüllt die Technologie die Ziele der vierten Generation in den Bereichen Sicherheit, Abfall und Wirtschaftlichkeit. Die chinesische Aufsichtsbehörde wird diese Aussagen im formellen Genehmigungsverfahren prüfen. Die Betriebserfahrungen mit dem China Experimental Fast Reactor, einer Anlage mit 20 Megawatt elektrischer Leistung nahe Peking, und den Demonstrationsreaktoren CFR 600 in Fujian werden in den Sicherheitsnachweis für die größere Anlage einfließen. Internationale Fachleute werden das Verfahren beobachten und mit ihren eigenen Standards vergleichen.

Chinas Fahrplan: vom Experiment zur kommerziellen Größe

Die Arbeiten an Schnellen Reaktoren in China reichen bis in die 1960er-Jahre zurück. Der China Experimental Fast Reactor erreichte 2010 erstmals Kritikalität und absolvierte in den folgenden Jahren mehrere Leistungstests, darunter einen anhaltenden Betrieb bei voller Leistung. Er dient Forschungszwecken und ist zeitweise ans Stromnetz angeschlossen. Der nächste Schritt ist der CFR 600, ein Paar Demonstrationsreaktoren im Kreis Xiapu in der Provinz Fujian. Für Ausrüstung und Brennstoffversorgung dieser Anlagen wurde unter anderem mit russischen Unternehmen zusammengearbeitet.

Öffentliche Planungsunterlagen beschreiben den CFR 1000 als kommerzielle Ausbaustufe. Angaben der World Nuclear Association zufolge könnte der Bau noch vor Ende dieses Jahrzehnts beginnen; die Inbetriebnahme ist für etwa 2034 vorgesehen. CNNC gibt an, eine heimische Lieferkette für große Schnelle Reaktoren aufgebaut zu haben, die Auslegungsvorschriften, Werkzeuge zur Sicherheitsanalyse, Anlagenfertigung, Brennstoffherstellung und Projektmanagement umfasst. Einen endgültigen Standort für den ersten CFR 1000 hat das Unternehmen nicht bekanntgegeben.

Programmunterlagen sehen für die kommerzielle Ausbaustufe Metallbrennstoff mit einem angestrebten Abbrand von etwa 120 bis 150 Gigawatt-Tagen pro Tonne vor. Das liegt über den typischen Werten in thermischen Reaktoren. Ein höherer Abbrand verringert die Häufigkeit von Brennstoffwechseln, die Menge abgebrannter Brennelemente je erzeugter Strommenge und den Bedarf an Uranressourcen.

Der Fahrplan folgt einer Drei-Stufen-Strategie, auf die sich chinesische Regierungsvertreter häufig beziehen. Erstens schaffen thermische Reaktoren auf Basis von Druckwasserreaktoren Kapazitäten im großen Maßstab. Zweitens steigern Schnelle Reaktoren die Brennstoffeffizienz und schaffen die Voraussetzungen für einen geschlossenen Kreislauf. Drittens soll die Kernfusion langfristig Teil des Energiemixes werden. Die Stufe der Schnellen Reaktoren soll die Uranressourcen effizienter nutzen, die Belastung von Endlagern verringern und flexible Möglichkeiten für industrielle Wärme und die Isotopenproduktion schaffen.

Brennstoffkreislauf, Abfall und Nichtverbreitung

Die Wiederaufarbeitung abgebrannter Brennelemente zur Rückgewinnung nutzbarer Materialien ist ein zentraler Bestandteil des Versprechens, das Schnelle Reaktoren beim Thema Abfall geben. Werden Plutonium und das verbleibende Uran abgetrennt und langlebige Aktinoide in den Reaktorkern zurückgeführt, kann das Volumen und die Radiotoxizität des Materials sinken, das für die tiefe geologische Endlagerung vorgesehen ist. Dafür braucht es Anlagen zur Abtrennung im industriellen Maßstab und Fertigungslinien für Brennstoff, die mit neuen Mischungen und stärkerer Strahlenbelastung umgehen können.

China betreibt Wiederaufarbeitungsanlagen im Pilotmaßstab und hat gemeinsam mit internationalen Partnern Großprojekte geprüft. Das Land stellt bereits MOX-Brennstoff her und entwickelt Fähigkeiten zur Produktion von Metallbrennstoff, der für die späteren Kerne Schneller Reaktoren geeignet ist. Jeder Schritt unterliegt den Sicherungsmaßnahmen des Vertrags über die Nichtverbreitung von Kernwaffen. Inspektoren erfassen besonderes Kernmaterial und überprüfen, dass der Brennstoff für die Energieversorgung und nicht für Waffen verwendet wird.

Debatten über die Nichtverbreitung drehen sich häufig um Plutonium. Schnelle Reaktoren können hochreines Plutonium-239 erzeugen. Das macht ein Energieprogramm nicht automatisch zu einem Waffenprogramm, erfordert aber eine solide Materialbuchführung, physischen Schutz und einen starken politischen Rahmen. Chinas Liefervereinbarungen mit russischen Partnern über angereicherten Brennstoff und Technologie stehen angesichts der breiteren geopolitischen Spannungen ebenfalls unter ausländischer Beobachtung. Transparente Berichterstattung und die Zusammenarbeit mit internationalen Organisationen werden zu jedem Plan für einen Ausbau dieser Reaktorflotte gehören.

Wie sich das Projekt in den globalen Wettbewerb einfügt

China ist nicht das einzige Land, das wieder auf Schnelle Reaktoren setzt. Russland betreibt im Kernkraftwerk Belojarsk den BN-800 und entwickelt eine größere Anlage vom Typ BN-1200 mit einem ähnlichen Zielwert von 1,2 Gigawatt. Indien verfolgt in Kalpakkam den Bau eines Schnellen Brutreaktors mit 500 Megawatt und will in späteren Phasen Thorium nutzen. Frankreich und Japan bauten mehrere Anlagen, die nach technischen Rückschlägen und wegen des Kostendrucks wieder stillgelegt wurden. Die Vereinigten Staaten beendeten ihr Integral-Fast-Reactor-Programm in den 1990er-Jahren und betreiben heute keinen Schnellen Reaktor zur Stromerzeugung.

Neue Designs machen Fortschritte. TerraPower und GE Hitachi bauen in Wyoming einen natriumgekühlten Reaktor, der eine Kernkraftanlage mit 345 Megawatt mit einem Energiespeicher auf Basis geschmolzenen Salzes kombiniert, um eine flexible Stromproduktion zu ermöglichen. Mehrere private Unternehmen in Europa, Japan und Nordamerika arbeiten an Designs mit flüssigem Blei, Turbinen mit überkritischem Kohlendioxid und weiteren Neuerungen. Viele dieser Projekte setzen auf kleine modulare Anlagen, während China und Russland auf Anlagen der Gigawattklasse hinarbeiten.

Diese Programme spiegeln unterschiedliche Prioritäten wider. Einige Teams setzen auf geringere Kosten und einfachere Bauweise mit kleineren Anlagen. Andere sehen Vorteile in sehr leistungsstarken Kraftwerken, die große Kohlekraftwerke ersetzen und den Bedarf der Schwerindustrie decken können. Entscheidend werden die Sicherheitsbilanz, die Kostenkontrolle und die Frage sein, wie schnell die einzelnen Länder vom ersten Projekt einer Baureihe zu wiederholten Bauvorhaben übergehen. Das Generation IV International Forum, ein Forschungsverbund von Regierungen und Laboren, führt natrium-, blei- und gasgekühlte Schnelle Reaktoren als Schwerpunkte der langfristigen Entwicklung auf.

Wirtschaftlichkeit und Rolle im chinesischen Stromnetz

Eine Anlage mit 1,2 Gigawatt bringt hohe Kosten mit sich, auch wenn CNNC bisher keine Zahl veröffentlicht hat. Investitionskosten, Einrichtungen für den Brennstoffkreislauf und Finanzierungsbedingungen werden darüber entscheiden, ob der CFR 1000 mit fortgeschrittenen Druckwasserreaktoren, Kohlekraftwerken mit CO₂-Abscheidung und großen Anlagen für erneuerbare Energien in Kombination mit Speichern konkurrieren kann. Befürworter argumentieren, dass die Brennstoffkosten nach Schließung des Kreislaufs sinken und die Versorgungssicherheit steigt, weil ein großer Teil der Energie aus reichlich vorhandenem Uran-238 gewonnen wird.

China baut ein sehr großes Stromnetz mit zahlreichen industriellen Zentren an der Küste und schnell wachsenden Städten im Landesinneren. Leistungsstarke Kernkraftwerke können die Schwerindustrie und die Wasserstoffproduktion versorgen. Ein Schneller Reaktor arbeitet zudem bei höheren Temperaturen als ein Wasserreaktor. Das kann die Effizienz der Stromerzeugung verbessern und Möglichkeiten für die industrielle Wärmenutzung eröffnen. Eine Integration an bestehenden Standorten mit Druckwasserreaktoren könnte gemeinsam genutzte Infrastruktur und einen stetigen Strom abgebrannter Brennelemente für die Wiederaufarbeitung ermöglichen.

Der Standort wird eine wichtige Rolle spielen. Ein Standort an der Küste erleichtert die Wärmeabfuhr und die Logistik für schwere Komponenten. Im Landesinneren sind die Wasserbewirtschaftung und seismische Bedingungen zu berücksichtigen. Die Standortwahl wird auch Teil der behördlichen Prüfung sein, weil die Anlage neue Fragen zur Notfallplanung und zu Umweltprüfungen im Zusammenhang mit dem Umgang mit Natrium aufwirft.

Genehmigungsverfahren und Zeitplan

CNNC zufolge ist die Vorplanung abgeschlossen und das Projekt in die Genehmigungsphase eingetreten. In China muss ein großer Reaktor ein mehrstufiges Prüfverfahren durchlaufen, das die Auslegungssicherheit, das Management schwerer Unfälle, die Umweltverträglichkeit und die Qualitätssicherung entlang der gesamten Lieferkette umfasst. Bei einem Schnellen Reaktor prüfen die Aufsichtsbehörden die Kernphysik, das Verhalten des Kühlmittels bei Störungen und die Zuverlässigkeit der Systeme zur Abfuhr der Nachzerfallswärme.

Die Zeitplanangaben deuten auf eine Bauentscheidung gegen Ende dieses Jahrzehnts hin. Bei Erreichen der Meilensteine soll die Stromproduktion um 2034 beginnen. Tests an den CFR-600-Anlagen werden Daten zum Brennstoffverhalten, zu Materialien und Betriebsabläufen liefern. Internationale Zusammenarbeit kann die Lernkurve verkürzen. Chinesische Teams haben in der Demonstrationsphase bereits mit russischen Partnern bei Brennstoff und Ausrüstung zusammengearbeitet.

Die öffentliche Kommunikation wird die Akzeptanz prägen. Ein transparenter Plan zur Natriumsicherheit, zu Abfallströmen und zu Sicherungsmaßnahmen kann dem Projekt helfen, innenpolitische und internationale Bedenken auszuräumen. Sollten die Aufsichtsbehörden den Bau genehmigen, werden Ingenieure und Investoren die ersten Betriebsjahre genau beobachten, während sie entscheiden, wo sie auf die Kerntechnik der nächsten Generation setzen.

Die wichtigsten Punkte

• CNNC stellte das Design des Schnellen Neutronenreaktors CFR 1000 vor. Er soll bis zu 1,2 Gigawatt leisten und um 2034 in Betrieb gehen.
• Der Reaktor nutzt flüssiges Natrium als Kühlmittel, arbeitet bei niedrigem Druck und erreicht höhere Austrittstemperaturen als wassergekühlte Anlagen.
• Die Physik Schneller Reaktoren ermöglicht einen geschlossenen Brennstoffkreislauf, in dem aus Uran-238 neuer Brennstoff erbrütet wird und langlebige Abfälle verringert werden können.
• Zu den Sicherheitsfragen zählen die Abfuhr der Nachzerfallswärme, Reaktionen zwischen Natrium und Wasser in Dampferzeugern sowie eine starke negative Reaktivitätsrückkopplung.
• China entwickelt das Programm vom Versuch mit dem CEFR über die Demonstrationsanlagen CFR 600 bis zum kommerziellen CFR 1000 weiter.
• Fragen des Brennstoffkreislaufs und der Nichtverbreitung bleiben zentral, weil Schnelle Reaktoren Plutonium erzeugen, das unter Sicherungsmaßnahmen stehen muss.
• Auch Russland, Indien und private Unternehmen in den Vereinigten Staaten treiben Projekte zu Schnellen Reaktoren voran und schaffen damit ein neues Wettbewerbsfeld.
• Finanzierung, behördliche Genehmigungen und Kostenkontrolle werden darüber entscheiden, ob sich die Technologie im chinesischen Stromnetz durchsetzt.