In den USA erfordert die Dekarbonisierung eine radikale Umgestaltung des Energiesektors. Kernkraft könnte im Zentrum dieser Transformation stehen: Am Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) widmen sich Wissenschaftler deshalb fünf Schlüsselbereichen der nächsten Generation von Reaktoren. Gleichzeitig sollen die 93 alten Reaktoren, die derzeit die Hälfte des kohlenstofffreien Stroms der USA liefern, erhalten und verbessert werden. Im Folgenden werden die fünf Schlüsselbereiche und die Köpfe hinter ihnen erläutert.
1. Fortschrittliche Reaktorkonstruktion und Sicherheitsanalyse
Die Wissenschaftler, die das erste Experiment mit einer sich selbst erhaltenden nuklearen Kettenreaktion beobachteten, verwendeten keinerlei Strahlenschutz. Im Dezember 1942 in Chicago trugen sie wahrscheinlich normale Wollkleidung, als sie weniger als 8 m von natürlichem Uran entfernt standen, als die Kernspaltung begann. Der Schutz vor einem solchen Experiment könnte heute nicht unterschiedlicher sein.
Laut Tingzhou Fei, dem leitenden Nuklearingenieur in Argonne für fortschrittliche Reaktorkonstruktion und Sicherheitsanalyse, kann die Abschirmung mindestens das Zehnfache der Masse des aktiven Wirkstoffs ausmachen, der den Reaktorkern antreibt. Der überwiegende Teil der Struktur dient dem Schutz der Menschen, die dort arbeiten.
„Wenn wir die Abschirmungskonfiguration moderner Reaktoren optimieren und reduzieren können, können wir viel Platz sparen und sie kleiner machen“, sagt Fei. Diese Art von wirtschaftlichem, kompaktem Design ist für Menschen in abgelegenen Gebieten, das Militär, Universitäten und sogar für diejenigen interessant, die sich für Reaktoren am Straßenrand für elektrische Langstrecken-Lkw-Flotten interessieren.
Fei konzentrierte sich früher auf die Entwicklung fortschrittlicher Reaktorkernkonzepte zur Deckung des Energiebedarfs. Diese Kernentwürfe, so sagt er, „wurden fast nie zu Papier gebracht“. Er findet seine jetzige Arbeit befriedigend, weil die Optimierung der Abschirmung ein komplexes Thema ist, das viel näher an den Projekten der Nuklearindustrie liegt, die tatsächlich gebaut werden könnten. „Mein Teil ist nur ein Teil eines ganzen Systems, und ich muss sicher sein, dass es sicher ist und andere Komponenten nicht beeinträchtigt“, sagt Fei.
Der Forscher arbeitet deshalb mit Experten für Materialwissenschaften, Teams für mechanische Konstruktion und anderen Ingenieuren zusammen, um ein und dasselbe Problem aus verschiedenen, aber gleichermaßen wichtigen Blickwinkeln zu untersuchen. „Ich kann nicht alles auf einmal lösen, aber ich kann einen kleinen Teil davon lösen. Jeder kleine Teil, den ich tue, trägt zum Gesamtziel bei.“
2. Verwaltung von Kernmaterial und Nichtverbreitung
Neben der Sicherheit von Kernreaktoren konzentrieren sich die Argonne-Forscher auf die Sicherheit von Kernmaterial, die auf dem verantwortungsvollen Umgang mit Kernmaterial und -anlagen im In- und Ausland beruht. Sie betrachten das Material auf seinem Weg in ein nukleares Verfahren oder System und auf seinem Weg aus diesem heraus. Über alles muss Rechenschaft abgelegt werden.
„Unsere kollektive Aufgabe ist es, sicherzustellen, dass jegliche Nutzung der Kernenergie friedlich und zum Nutzen aller oder vieler ist und nicht zum Nutzen einiger weniger“, erklärt Claudio Gariazzo, Gruppenleiter für Innovation im Bereich Nichtverbreitung von Kernwaffen in den Bereichen Forschung, Analyse und Engagement. „Wir arbeiten mit internationalen Partnern wie der Internationalen Atomenergie-Organisation (IAEO) zusammen, um den Schutz von Kernmaterial und die Nutzung von kerntechnischen Anlagen und Technologien zu gewährleisten.“
Die IAEO ist die Aufsichtsorganisation, die weltweit Anlagen inspiziert, um sicherzustellen, dass Kernkraftwerke nicht missbraucht werden und dass das gesamte zivil genutzte Kernmaterial bis hin zur kleinsten Menge erfasst wird. Die strengen Berichterstattungsvorschriften der IAEO veranlassen Konstrukteure, Anlagenbetreiber und die internationale Gemeinschaft, mit Experten wie Gariazzo und seinen Kollegen zusammenzuarbeiten, um sicherzustellen, dass die Bemühungen um die Nichtverbreitung von Kernwaffen und eine genaue, präzise Materialverwaltung Teil eines jeden bestehenden Betriebs oder eines neuen Reaktordesigns sind.
„Wenn sich ein Land für die Nutzung der Kernenergie entscheidet und eine Anlage zur Herstellung von Brennelementen baut, ist es verpflichtet, der internationalen Gemeinschaft seine Materialmengen genauestens zu melden“, sagt Gariazzo. Er fügt hinzu, dass es ein gutes Gefühl ist, in einer Gemeinschaft zu arbeiten, die etwas zum Wohle der globalen Gesellschaft tut. „Es ist von entscheidender Bedeutung, dass wir die Vorteile der Kernenergie nutzen können, ohne das Risiko der nuklearen Weiterverbreitung zu erhöhen.“
3. Reaktor- und Brennstoffkreislaufphysik
Vor zehn Jahren führten US-Wissenschaftler eine große Studie durch, um festzustellen, welche Brennstoffkreislauf- und Reaktortechnologien für die künftige Entwicklung der Kernenergie am vielversprechendsten sind. Die Antworten, zu denen sie kamen, stützten sich auf fortschrittliche Reaktoren.
Aufbauend auf dieser Forschung investiert das DOE Office of Nuclear Energy heute in das Advanced Reactor Demonstration Program, um die Demonstration fortgeschrittener Reaktoren durch Partnerschaften mit der amerikanischen Industrie auf Kostenteilungsbasis zu unterstützen. Zu diesen Investitionen gehört auch die Hinzuziehung von Experten in den nationalen Laboratorien, um fortgeschrittene Entwürfe innerhalb bestimmter Fristen über das Entwurfsstadium hinaus in die US-Infrastruktur zu bringen.
Mehrere Entwürfe der Privatindustrie zielen beispielsweise auf die Verwendung von proliferationsresistentem hochangereichertem, niedrig angereichertem Uran (HALEU) ab. Dieser Ansatz wirft Fragen auf, zum Beispiel: Können die USA ihre Anreicherungsanlagen hochfahren, um genügend HALEU zu produzieren? Wie viel HALEU benötigen die USA tatsächlich, und wie viel Abfall würde bei den vorgeschlagenen Brennstoffzyklen anfallen? Wie teuer wäre die Umstellung auf HALEU-betriebene Reaktoren, und wie viel staatliche Unterstützung wäre nötig, bevor die Privatwirtschaft den Betrieb übernimmt?
Scott Richards, ein leitender Nuklearingenieur bei Argonne, arbeitet an der Beantwortung dieser Fragen. Sein Ziel ist es, den politischen Entscheidungsträgern unvoreingenommene Informationen zur Verfügung zu stellen, damit sie gut über die Wege informiert sind, die zur Erreichung der für 2030, 2050, 2100 und darüber hinaus gesetzten Ziele erforderlich sind. „Derzeit fällen wir keine Urteile darüber, was das Beste ist und was nicht“, sagt Richards. „Wir schauen uns an, was für einen erfolgreichen kommerziellen Einsatz nötig wäre.“
Die Modellierung der komplexen Systeme zur Beantwortung dieser Fragen hat für Richards hohe Priorität. Er promovierte über die Modellierung der physikalischen Frage, wie sich Isotope unter verschiedenen Bedingungen verändern, unter Verwendung von Nuklear-Codes, die keine Abstriche bei der Berechnungseffizienz machen. Er sei beeindruckt von dem Umfang und der Unmittelbarkeit der derzeitigen Unterstützung für die Kernenergie. „Das stimmt mich ziemlich optimistisch für die Zukunft der Kernenergie im Allgemeinen. Ich denke, wir haben eine Chance, die Netto-Null-Ziele zu erreichen.“
4. Nukleartechnik, Modellierung und Simulation
Da es in der Kerntechnik keine Kristallkugel gibt, versucht der leitende Kerntechniker von Argonne, Shikhar Kumar, mittels fortschrittlicher Computermodelle und Simulationen vorherzusagen, was im Kern eines Kernreaktors passieren wird. Sein Computerbildschirm ist die meiste Zeit mit Codezeilen gefüllt. Sie werden verwendet, um ein 3D-Modell eines Reaktorkerns und der Vorgänge im Inneren zu erstellen. Kumar kann an einen bestimmten Bereich heranzoomen und sehen, was dort passiert.
„Man kann die Stromerzeugung sehen, und in Bereichen mit hoher Leistung ist auch die Wärmeentwicklung höher“, erklärt er. „Wir wollen diese Wärme aus dem Kern selbst in ein Kühlmittel ableiten, das diese Wärme in elektrische Energie umwandelt. Der erste Schritt, zu sehen, wo die Energie genutzt wird, ist ein visueller Hinweis darauf, wo wir erwarten, dass die Energie lokalisiert wird.“
Kumar kam im März 2021 zu Argonne, nachdem er seinen Doktortitel in Kerntechnik erworben hatte. Er ist in Japan aufgewachsen, spricht Japanisch und arbeitet mit anderen Wissenschaftlern aus dem Inselstaat zusammen, um Datensätze auszutauschen und Analysetools zu vergleichen. „Mit den zur Verfügung stehenden Werkzeugen, wie zum Beispiel Low-Level-Algorithmen, versuchen wir, das Materialinventar in einem Reaktorkern zu ermitteln, damit wir wissen, wie radioaktiv die Dinge sind, wie effektiv wir im Laufe der Zeit Energie produzieren und wie viel Brennstoff übrig ist“, sagt der Forscher.
Experimente mit kleineren, modulareren neuen Reaktortypen wirken sich auf Vorhersagen darüber aus, was im Inneren des Kerns passiert, und das macht Kumars Arbeit zu einer Herausforderung. Aber wenn er sich große Datensätze ansieht, kann er nicht nur vorhersagen, was im Kern vor sich geht, sondern die Daten auch validieren. „Die Energiedichte im Zusammenhang mit der Kernenergie ist etwas, das mich schon immer interessiert hat und von dem ich glaube, dass das Land erkennt, dass es darin investieren muss. Auf diese Weise werden wir uns in Richtung einer sauberen Energiezukunft bewegen.“
5. Sensoren, Instrumente und Diagnostik
Genau wie beim Training für einen seiner Marathonläufe bringt Tim Nguyen in seiner Rolle als leitender Nuklearingenieur die Fähigkeiten der Vorbereitung, des Trainings und der Planung ein. Seine Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung von Sensoren, Instrumenten und Diagnoseinstrumenten, mit denen Fehler in einem System erkannt und behoben werden können, bevor sie zu einem wichtigen Grund für eine Reparatur werden. Diese Instrumente helfen den Betreibern von Anlagen, ihre Wartungspläne nach einem festen Zeitplan zu optimieren, anstatt sich mit kostspieligen Komponentenausfällen oder der Abschaltung einer Anlage auseinandersetzen zu müssen. „Eine der größten Herausforderungen der Kernkraft sind die hohen Betriebs- und Wartungskosten“, sagt Nguyen.
Nguyen kam Anfang 2020 zu Argonne und half bei der Entwicklung eines patentierten Fehlererkennungs- und Diagnosecodes. Dieser verwendet physikalisch basierte Modelle, um detaillierte Informationen über den aktuellen Zustand des physikalischen Systems zu sammeln und Komponentenfehler und Sensoren zu diagnostizieren, die nicht kalibriert oder ausgefallen sind. Das Ergebnis wird in Form einer Rangliste von Fehlerkandidaten dargestellt, die nach dem größten Ausfallrisiko und der geringsten Wahrscheinlichkeit geordnet ist. Dies hilft den Anlagenbetreibern bei der Entscheidungsfindung.
„Ich arbeite an der Entwicklung und Kommerzialisierung von Computercodes für Anwendungen zur Kostensenkung in Kernkraftwerken, damit die Kernenergie im Vergleich zu anderen Energiequellen eine wirtschaftlich wettbewerbsfähige Wahl ist“, erklärt Nguyen. „Mir gefällt es, den Wert meiner Arbeit in praktischen Anwendungen zu sehen. Die Leute reden über Klimawandel und erneuerbare Energien, und die Kernenergie ist ein wichtiger Bestandteil davon. Ich glaube, dass meine Arbeit dazu beitragen kann, die Rentabilität der Kernenergie auf dem Energiemarkt zu verbessern. Sie kann auf sinnvolle Weise etwas bewirken.“
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