Die Nachfrage nach Kernenergie nimmt zu. Gemeinden und Unternehmen auf der ganzen Welt fordern Zugang zu erschwinglicher, zuverlässiger und sauberer Energie. Laut Maria Korsnick, Präsidentin und CEO des Nuclear Energy Institute (NEI), haben Netzplaner auf der ganzen Welt die 5-Jahres-Wachstumsprognose im letzten Jahr nahezu verdoppelt. Während ihrer Rede zur Lage der Kernenergiebranche im Jahr 2024 stellte sie zudem die Vorhersage einer aktuellen Studie von Grid Strategies heraus, nach der das Stromnetz in den nächsten fünf Jahren um mindestens 38 GW erweitert werden muss, getragen von fortschrittlicher Computertechnik, künstlicher Intelligenz und der Elektrifizierung des Produktions- und Transportsektors.
Aufgrund dieser Nachfrage könnten in den nächsten Jahren Hunderte von neuen Reaktoren in Betrieb genommen werden, von denen viele fortschrittliche oder kleine modulare Reaktoren (SMR) sein werden. SMRs bieten mehrere potenzielle Vorteile, müssen aber noch einige Herausforderungen meistern, um für einen breiteren Markt nutzbar zu sein. Die Technologie, insbesondere die Automatisierung, spielt eine entscheidende Rolle bei der Bewältigung dieser Herausforderungen.
Was ist ein kleiner modularer Reaktor?
SMRs sind fortschrittliche Kernreaktoren mit einer Leistung von bis zu 300 MW(e) pro Einheit, was etwa einem Drittel der Erzeugungskapazität herkömmlicher Kernkraftreaktoren entspricht.
SMRs sind für den Einsatz in der Industrie oder in abgelegenen Gebieten mit begrenzten Netzkapazitäten vorgesehen und sollen große Mengen kohlenstofffreien Stroms erzeugen.
Vorteile kleiner modularer Reaktoren
Viele der Vorteile von SMRs hängen mit der Art ihrer Konstruktion zusammen – wie ihr Name schon sagt, sind sie klein und modular. Aufgrund ihres geringeren Platzbedarfs können SMRs in Gebieten errichtet werden, die für größere Kernkraftwerke nicht geeignet sind. Außerdem können sie als vorgefertigte Einheiten oder Module in einer Fabrik hergestellt und dann versandt und vor Ort installiert werden. Sie können daher kostengünstiger gebaut werden als große Leistungsreaktoren, die oft für einen bestimmten Standort maßgeschneidert werden, was oft zu Bauverzögerungen und Kostenüberschreitungen führt. SMRs bieten Einsparungen bei Anschaffungskosten und Bauzeit und ihr Einsatz kann schrittweise an den steigenden Energiebedarf angepasst werden.
SMRs versprechen inhärente Sicherheitsmerkmale, und die Vereinfachung und Standardisierung machen die Bereitstellung von Kernkraftkapazitäten wesentlich leichter und wirtschaftlicher. Außerdem bieten sie erhebliche Fortschritte in Bezug auf die allgemeine Flexibilität der Kernenergie bei der Deckung des künftigen Energiebedarfs.
Aber kann diese Vision Wirklichkeit werden? Und welche Rolle wird die Technologie spielen?
Herausforderungen für Entwickler von kleinen modularen Reaktoren
Die Schwierigkeiten bei den jüngsten Kernenergieprojekten auf Basis traditioneller großer Kernreaktorkonzepte haben wertvolle Erkenntnisse gebracht, aber auch den Bedarf an alternativen Nukleartechnologien wie fortschrittlichen Reaktoren und SMRs deutlich gemacht, die erschwinglicher und einfacher zu bauen sind.
In der aktuellen Phase der Entwicklung von SMRs werden bereits verschiedene technologische Lösungen zur Bewältigung der Herausforderungen erprobt und genutzt.
Lassen Sie uns diese Herausforderungen näher beleuchten und besser verstehen, wie die Technologie bei der Überwindung vieler Hürden hilft.
Übersicht über Design und Konstruktion kleiner modularer Reaktoren
Einem von der Nuclear Energy Agency (NEA) veröffentlichten Bericht zufolge gibt es derzeit mindestens 75 SMR-Konzepte in verschiedenen Entwicklungsstadien, wobei erhebliche Unterschiede zwischen den wesentlichen Typen festzustellen sind. Auch der Grad der Modularisierung variiert von Design zu Design, was die Einhaltung von Genehmigungen und Lizenzen in dieser stark regulierten Branche noch komplexer macht.
Erfreulicherweise dürften die Lernkurven bei der Entwicklung, dem Bau und der Inbetriebnahme von SMRs im Vergleich zu größeren Reaktoren aufgrund des höheren Grades an Modularisierung, Designvereinfachung und Standardisierung kürzer ausfallen. Darüber hinaus werden SMRs von einer „Serienfertigung“ profitieren, wie sie in der Luftfahrtindustrie üblich ist, wo der Einsatz neuer automatisierter Fertigungstechniken eine bessere Qualitätskontrolle und ein geringeres Konstruktionsrisiko bei der Herstellung ermöglicht.
Wie bereits erwähnt, sind SMRs modular aufgebaut und eignen sich daher besonders gut für die Fabrikmontage. Bei der Herstellung von SMRs werden die Hauptkomponenten des Kernreaktors in einer Fabrikumgebung gefertigt und zur Endmontage an den Endstandort geliefert. Durch die Fabrikmontage können qualitativ hochwertigere Komponenten in einem engeren Zeitrahmen hergestellt werden, während große Kernkraftwerke in der Regel vor Ort, am endgültigen Standort des Kraftwerks, gebaut werden. Für den Bau vor Ort müssen die spezialisierten Arbeiter anreisen und sich vor Ort befinden, was zu höheren Kosten und größeren Zeitrahmen führt.
Einführung in die Automatisierung – Kostenmanagement und Projektzeitrahmen
Mit SMRs soll der Bau vor Ort oder im Gelände begrenzt werden. Dies wiederum wird die langen Bauzeiten, die bei größeren Anlagen typisch sind, erheblich verkürzen. Aufgrund der Modularität und der geringen Größe der Reaktoren werden kürzere Lieferzeiten, bessere Qualität und Effizienz sowie geringere Vorabinvestitionen bei SMRs erwartet.
SMRs ermöglichen auch ehrgeizigere Fertigungstechniken und geben der Fabrikautomatisierung eine größere Rolle bei der Prozessoptimierung. Sobald ein stabiler und wiederholbarer Prozess etabliert ist, ermöglicht eine Automatisierung, dass bei steigender Energienachfrage zusätzliche Module einfach schrittweise hinzugefügt werden können.
Obwohl SMRs voraussichtlich mit niedrigeren Investitionskosten pro Einheit auskommen, muss ihre wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit auf Basis der Stromgestehungskosten erst noch in der Praxis bewiesen werden, wenn sie einmal in Betrieb sind. Automatisierte Technologien werden jedoch als ein Instrument zur Effizienzsteigerung angesehen, was dazu führt, dass die Investitionskosten niedrig bleiben und die Projektzeitpläne eingehalten werden können.
Wie Automatisierung eine Reduzierung der technischen Komplexität ermöglicht
In vielen Fällen sind SMR-Designs im Vergleich zu bestehenden Reaktoren einfacher. Da es sich jedoch um neue Konstruktionen handelt, ist ein innovativer Ansatz erforderlich, der oft eine Form von Technologie oder Automatisierung wie im Beispiel oben beinhaltet.
Ein weiteres gutes Beispiel für die Vereinfachung der Konstruktion ist der Betankungsprozess. Bei vielen aktuellen SMR-Designs müssen die Reaktoren einen geringeren Brennstoffbedarf aufweisen oder der Betankungsprozess muss wie im Fall der VOYGR™ SMR-Anlage von NuScale durch Automatisierung wesentlich effizienter gestaltet werden.
Im Rahmen des VOYGR-Projekts, ist NuScale eine Partnerschaft mit ATS eingegangen, um eine neuartige vollautomatische Technologie namens MAEB (Modular Bolting Assembly Equipment) zu entwickeln. Bei MAEB handelt es sich um ein wesentliches Hilfsmittel für die Demontage und den Wiederzusammenbau der Energiemodule zur routinemäßigen Wartung, Inspektion und Betankung.
Das System besteht aus 12 Manipulationswerkzeugen im Zusammenspiel die Montageaufgaben NuScale Power Module effizient und zuverlässig autonom ausführen.
Der Werkzeugsatz übt auf jeden der Bolzen die nötige Kraft aus, um den ordnungsgemäßen Zusammenbau der Behälter zu gewährleisten. Das Gerät arbeitet ferngesteuert und vollständig untergetaucht im Betankungsbecken und dient zur Wartung der verschiedenen Reaktormodule, die Teil des NuScale-Anlagendesigns sind.
Erfahren Sie mehr über die Funktionsweise.
Die Minimierung von Ausfallzeiten ist für NuScale von entscheidender Bedeutung, da so eine maximale Stromproduktion für das Netz gewährleistet wird. Das Konzept von NuScale unterscheidet sich von herkömmlichen Kernkraftwerken durch mehrere kleine Reaktoren anstelle eines großen Reaktors. Dieser Ansatz führt zu kürzeren Ausfallzeiten und es muss jeweils nur eines der (bis zu 12) Module aufgetankt werden, was eine kontinuierliche Stromerzeugung ermöglicht. Das Design der NuScale-Anlage und der Prozess der Neubetankung ermöglichen eine erhebliche Reduzierung der typischen Neubetankungszeit und sind ein Beispiel für den Einsatz von Automatisierung zur Effizienzsteigerung und für die Machbarkeit der SMR-Technologie für einen größeren Markt.
Rationalisierung von SMR-Sicherheit und -Compliance mithilfe von Technologie
Obwohl die Technologie schwerpunktmäßig die Konstruktion unterstützt, kann sie auch bei einer der größten Herausforderungen helfen, mit der Konstrukteure von SMRs derzeit konfrontiert sind: die Einhaltung von Vorschriften und Sicherheit.
Ähnlich wie traditionelle Reaktoren unterliegt auch der SMR-Bereich strengen Vorschriften, komplizierten Genehmigungsanforderungen und erheblichen regulatorischen Verpflichtungen. Wie bereits erwähnt, werden derzeit mehr als 75 Konzepte entwickelt, die ein breites Spektrum an technologischen Ansätzen und Reifegraden abdecken, was den Genehmigungsprozess zusätzlich erschwert. Obwohl die Entwicklung in die richtige Richtung geht, erfordert der groß angelegte Einsatz von SMRs erhebliche Anstrengungen, um zum Erfolg zu führen.
Wir sind der Meinung, dass die Technologie hier eine wichtige Rolle spielt, indem sie durch Machbarkeitsstudien, digitale Zwillinge, Simulationen, Pilotanlagen und die Entwicklung technologischer Möglichkeiten des Machbarkeitsnachweises dazu beiträgt, die Einhaltung von Genehmigungen zu beschleunigen.
Während Simulationstechnologie im Nuklearsektor schon seit geraumer Zeit eingesetzt wird, scheint sie im SMR-Bereich immer mehr an Bedeutung zu gewinnen. Dazu gehört auch der Einsatz von High-Fidelity-Simulationen, um die Akzeptanz durch die Aufsichtsbehörden zu unterstützen, aber auch für Entwicklung und Konstruktion, Optimierung sowie Betrieb und Wartung.
In Anlehnung an das MAEB-Projekt für NuScale Power wurde eine High-Fidelity-Simulation erstellt, um das gesamte Kabelverhalten des Systems darzustellen und die optimale Funktionsfähigkeit des Systems bereits in der Entwurfsphase sicherzustellen.
Aufbauend auf der Simulation wurde ein System für Machbarkeitsnachweise entwickelt und getestet, das nun zur Validierung der Designgenehmigung verwendet werden kann. Es zeigt auch den innovativen Ansatz von NuScale im Bereich der fortschrittlichen Reaktortechnologie und wird möglicherweise dazu beitragen, zusätzliche Finanzmittel für eine anschließende Erweiterung der Produktionskapazitäten zu gewinnen.
Die vereinfachte Konstruktion, die mit der kompakten Größe eines SMRs einhergeht, erhöht die allgemeine Attraktivität im Hinblick auf Sicherheit. Allerdings stellt die begrenzte Erfahrung mit diesen neuen Konstruktionen eine Herausforderung beim Nachweis der Sicherheit und dem Erhalt der erforderlichen Genehmigungen dar.
Da viele SMR-Anlagen voraussichtlich in abgelegenen Gebieten mit begrenzten Ressourcen vor Ort gebaut werden, könnten Fernüberwachungs- und -diagnosefunktionen eine ideale Lösung sein. Dies setzt voraus, dass die damit verbundenen Herausforderungen in Bezug auf Cybersicherheit und Regulierung gemeistert werden.
SMRs können eine wichtige Rolle auf dem Weg zur erneuerbaren, kohlenstofffreien Stromerzeugung spielen. Sie stellen eine spannende Möglichkeit für neue Formen der nuklearen Stromerzeugung dar und machen stetige Fortschritte auf dem Weg zu kommerziell nutzbarer Kernenergie.
Es bestehen jedoch weiterhin erhebliche Herausforderungen. Glücklicherweise gibt es zur Überwindung dieser Hürden ein immenses Potenzial für technologische Innovationen auf mehreren Ebenen. Von hochmodernen automatisierten Fertigungstechniken und der Optimierung von Anlagen über die Entwicklung vereinfachter Designkonzepte bis hin zur Erstellung fortschrittlicher Simulationen und Machbarkeitsnachweise – Technologie wird zweifellos eine zentrale Rolle spielen. Mit strategischen technologischen Fortschritten kann die Branche diese Hindernisse überwinden und die Zukunft von SMRs revolutionieren.
Sprechen Sie mit einem Mitglied unseres Nuklearteams, um mehr darüber zu erfahren, wie unsere automatisierten Lösungen Ihnen bei der Bewältigung Ihrer Modernisierungsaufgaben helfen können.
