Auch wenn 2023 die letzten drei deutschen Atomkraftwerke vom Netz genommen wurden, hat sich Deutschland noch nicht endgültig von der Kernenergie verabschiedet. Tatsächlich wird an diesem Thema nach wie vor geforscht. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) [externer Link] beschäftigen sich verschiedene Arbeitsgruppen unter anderem mit Fragen rund um die Sicherheit von Kernreaktoren.
Das Interesse der Teams gilt dabei verstärkt sogenannten SMRs, Small Modular Reactors. In solchen kleinen, modularen Reaktoren sieht manch einer die Zukunft der Kernenergie. Allerdings existieren in vielen Fällen bislang gerade einmal die Konzepte für solche Reaktoren. Trotzdem versuchen Forschende jetzt schon, mehr darüber herauszufinden, wie sich die Anlagen zum Beispiel bei einem Störfall verhalten würden.
Großer technischer Aufwand zum Test kleiner Reaktoren
Die Simulation der Bedingungen im Reaktorinneren erfordert einen enormen technischen Aufwand: Die Versuchsanlage COSMOS-H [externer Link] erstreckt sich mit ihren Kesseln, Druckbehältern und Rohren über mehrere Etagen einer Halle. Mittendrin haben die Forschenden ein rechteckiges Metallgefäß an die Rohre angeschlossen. Es ist etwa 30 Zentimeter hoch, mit Wasser gefüllt, und hat schmale Beobachtungsfensterchen auf allen Seiten. Im Inneren sind fünf Metallstäbe zu erkennen, dünner als ein kleiner Finger.
In einem echten Reaktorbrennelement wären diese Stäbe bis zu vier Meter lang. Bei den Versuchen werden sie elektrisch auf hohe Temperaturen aufgeheizt. „Was wir hier machen, ist Blasensieden, Kochen würde man in der Küche dazu sagen“, erklärt Dr. Stephan Gabriel. Er ist Abteilungsleiter am Institut für Thermische Energietechnik und Sicherheit [externer Link] am KIT.
Was geschieht genau an den Brennelementen im Reaktor?
Wenn die Temperatur der dünnen Stäbe ansteigt, bilden sich irgendwann Bläschen. Entscheidend ist der Punkt, wo aus diesen einzelnen Bläschen ein geschlossener Dampf-Film wird. Denn Dampf leitet kaum Wärme. Die Hitze könnte nicht mehr abgeführt werden. In einem Kernreaktor würden in so einem Fall massive Schäden drohen. „Und im Hinblick auf SMRs gibt es eben verschiedene Konzepte, die international vorgeschlagen sind, wo wir uns angucken: Ist hier tatsächlich eine Verbesserung?“ Etwa durch Material und Oberflächenbeschaffenheit der Brennstäbe.
Wie Reaktor-Brennelemente unter noch extremeren Bedingungen reagieren, lässt sich in einer anderen Halle auf dem KIT-Gelände testen. Im Rahmen des QUENCH-Programms [externer Link] simulieren Forschende auch dort unterschiedliche Störfallszenarien in Kleinreaktoren. „Im Prinzip ist ja ein SMR eine kleine Version von einem Standardreaktor. Mit dem Unterschied natürlich: neu entwickelt. Das heißt: neue Möglichkeiten, neue Materialien. Und das ist auch, was wir dann hier betrachten“, sagt Conrado Rössger, der an der Versuchsanlage als Ingenieur arbeitet.
Große Hitze und Kühlwasser-Schock – Brennstäbe unter Stress
Für die Tests lässt sich ein ganzes Bündel von etwa 20 Brennstäben gleichzeitig elektrisch aufheizen – wenn es sein soll auf über 2.000 Grad Celsius. Temperaturen, wie sie auftreten können, wenn die Wasserkühlung in einem Reaktor versagt. In den dünnen Rohren, die den Brennstoff umhüllen, steckt bei den Versuchen statt Uran ein nicht-radioaktives Material mit ähnlichen Eigenschaften.
Für den eigentlichen Versuch lassen die Forschenden Wasser oder Dampf in den Testbehälter strömen. „Man kann auch superheißen Dampf erzeugen mit dem Überhitzer, der geht bis auf 800 Grad. Diesen heißen Dampf kann man dann einleiten und verschiedene Effekte dann sehen mit den Hüllrohrmaterialien“, erklärt Rössger.
Belastung bis zur Kernschmelze
Zum einen kann sich unter solchen Bedingungen Wasserstoffgas bilden. Wie groß die Menge ist, das wird im Versuchsbehälter genau gemessen. Je weniger, desto besser. Denn durch Wasserstoff besteht das Risiko einer Explosion. Genau das ist bei der Katastrophe in Fukushima passiert. Insgesamt drei Reaktorgebäude wurden dort zerstört.
Zum anderen können die Hüllrohre bei Überhitzung auch platzen oder schmelzen und so den radioaktiven Inhalt freisetzen. Man spricht dann von einer Kernschmelze. Noch etwas, das sich in Fukushima ereignet hat – ebenso wie vor 40 Jahren in Tschernobyl. Ein weiteres Mal sollte es aber möglichst nicht geschehen.
Dank all der Labortests hoffen die Forschenden, besser einschätzen zu können, ob die neuen, kleinen Reaktoren den großen, die heute weltweit laufen, beim Thema Sicherheit tatsächlich überlegen sind. Und das schon lange, bevor SMRs vielleicht einmal in Serienproduktion gehen.
