Ohne diese Brennstoffkugeln bleiben viele SMR nur Entwürfe
TRISO-Kugeln gelten als Schlüssel für neue SMR. Doch Produktion, Brennstofftests und HALEU-Versorgung müssen erst industriell aufgebaut werden.
TRISO-Brennstoffkugeln für Hochtemperaturreaktoren: Die aufgeschnittene Kugel zeigt den inneren Bereich, in dem Tausende beschichtete Brennstoffpartikel in eine Graphitmatrix eingebettet sind.
Foto: picture alliance / ASSOCIATED PRESS | George Walker IV
Eine schwarze Kugel von etwa 6 cm Durchmesser soll zum Schlüssel für eine neue Generation von Kernreaktoren werden. Sie besteht überwiegend aus Graphit. In ihrem Inneren stecken mehr als 18.000 winzige Brennstoffpartikel. Hunderttausende dieser Kugeln werden benötigt, um einen Hochtemperaturreaktor dauerhaft zu versorgen.
In Oak Ridge im US-Bundesstaat Tennessee entsteht derzeit die erste kommerzielle Großproduktion dieser TRISO-Brennstoffkugeln in den USA. Der Bundesstaat unterstützt den Ausbau des Standorts mit 11 Mio. US-$.
Der geplante Brennstoffcampus
- TX-1: erste Fabrik, derzeit im Bau
- TX-2: geplante größere und stärker automatisierte Fertigung
- TX-L: vorgesehenes Entwicklungs- und Forschungszentrum
- 55 Xe-100-Module: mögliche Versorgungskapazität des vollständig ausgebauten Standorts nach Angaben von X-energy
Bis dahin ist es noch ein weiter Weg. Der Umfang der Erweiterung steht nach Angaben der staatlichen Wirtschaftsförderung noch nicht endgültig fest. TX-1 soll Anfang 2028 mit der Produktion beginnen. Die erste Reaktoranlage, für die der Brennstoff vorgesehen ist, besitzt bislang keine Baugenehmigung.
Hinzu kommt ein zweiter Engpass: In den USA fehlt es an ausreichend angereichertem Ausgangsmaterial. Nicht nur die Reaktoren müssen gebaut werden. Auch die industrielle Lieferkette für ihren Brennstoff entsteht erst noch.
Inhaltsverzeichnis
- Mehr als 18.000 Brennstoffpartikel in einer Kugel
- Was „TRISO“ bedeutet
- Kann TRISO-Brennstoff wirklich nicht schmelzen?
- Nicht jeder SMR benötigt TRISO-Kugeln
- So wandern die Brennstoffkugeln durch den Reaktor
- 700.000 Kugeln für elf Reaktormodule
- TX-1 besitzt die Lizenz, produziert aber noch nicht
- Vor der Kugelfabrik liegt der nächste Engpass
- Der Brennstoff muss sich noch im Reaktor bewähren
- Die Technik hat deutsche Wurzeln
Mehr als 18.000 Brennstoffpartikel in einer Kugel
Die Abkürzung TRISO steht für „Tristructural Isotropic“. Der eigentliche Kernbrennstoff steckt in Partikeln, die kaum größer als Mohnsamen sind. Bei der Variante TRISO-X besteht der Kern aus Uran, Kohlenstoff und Sauerstoff. Um diesen Kern liegen mehrere Schutzschichten:
- Poröse Kohlenstofflage: Nimmt gasförmige Spaltprodukte auf und gleicht mechanische Belastungen aus.
- Innere Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff: Stabilisiert das Partikel strukturell.
- Keramische Siliziumcarbidschicht: Bildet die wichtigste Barriere gegen das Entweichen von Spaltprodukten.
- Äußere Pyrokohlenstoffschicht: Schützt den gesamten Verbund zusätzlich nach außen.
Was „TRISO“ bedeutet
Die Bezeichnung „tristructural“ verweist auf die drei tragenden Schichten eines Brennstoffpartikels. Die poröse Kohlenstoffschicht im Inneren dient als Puffer und wird bei der Namensgebung nicht mitgezählt. Tatsächlich besitzt jedes Partikel somit vier Beschichtungen.
Mehr als 18.000 dieser Partikel werden in eine Graphitmatrix eingebettet und zu einer etwa 6 cm großen Brennstoffkugel gepresst. Die einzelnen Schichten sollen:
- gasförmige Spaltprodukte aufnehmen,
- mechanische Belastungen ausgleichen,
- den Brennstoffkern stabilisieren,
- und radioaktive Stoffe auch bei hoher Temperatur im Partikel zurückhalten.
Jedes Partikel wirkt damit wie ein eigener kleiner Sicherheitsbehälter. Bei üblichen Leichtwasserreaktoren übernimmt diese Barriere vor allem das metallische Hüllrohr um die Brennstoffpellets.
Kann TRISO-Brennstoff wirklich nicht schmelzen?
Unternehmen und das US-Energieministerium beschreiben TRISO häufig als Brennstoff, der nicht schmelzen könne. Technisch ist diese Aussage zu pauschal.
Der keramische Schichtverbund verhält sich zwar anders als ein metallisches Hüllrohr und besitzt keinen direkt vergleichbaren Schmelzpunkt. Unbegrenzt belastbar ist er dennoch nicht. Beschichtungen können versagen, etwa durch:
- Fertigungsfehler,
- sehr hohe Temperaturen,
- starke Bestrahlung,
- oder außergewöhnlich hohe mechanische und chemische Belastungen.
Die Sicherheit hängt daher nicht allein von der Brennstoffkugel ab. Auch der Reaktor muss so ausgelegt sein, dass Leistungsdichte und Wärmeabfuhr die Temperaturen selbst bei Störfällen unterhalb der zulässigen Grenzwerte halten.
Nicht jeder SMR benötigt TRISO-Kugeln
Der Begriff Small Modular Reactor (SMR) umfasst verschiedene technologische Ansätze. Kompakte Leichtwasserreaktoren verwenden weiterhin klassische Brennstäbe mit Uranoxidpellets und benötigen keine TRISO-Kugeln.
Der kugelförmige Brennstoff ist vor allem für bestimmte nicht wassergekühlte Reaktoren relevant. Dazu gehören Hochtemperaturreaktoren sowie einige salzgekühlte Reaktor- und Mikroreaktorkonzepte. TRISO-Partikel können dabei wahlweise in Kugeln, zylindrische Presslinge oder Graphitblöcke eingebettet werden.
X-energy entwickelt mit dem Xe-100 einen heliumgekühlten Hochtemperaturreaktor. Ein Modul soll 80 MW elektrische Leistung oder bis zu 200 MW Wärme bereitstellen. Vier Module könnten zu einer Anlage mit 320 MW elektrischer Leistung kombiniert werden. Die hohe Austrittstemperatur soll neben der Stromproduktion auch die Versorgung von Industrieanlagen mit Prozessdampf ermöglichen.
So wandern die Brennstoffkugeln durch den Reaktor
Im Xe-100 sollen sich mehr als 200.000 Brennstoffkugeln befinden. Anders als ein klassischer Leichtwasserreaktor wird er nicht in längeren Stillständen vollständig neu beladen. Stattdessen zirkulieren die Kugeln kontinuierlich durch den Kern.
Der Ablauf:
- Einfüllen: Frische Brennstoffkugeln gelangen von oben in den Reaktorkern.
- Durchlauf: Durch die Schwerkraft bewegen sie sich langsam nach unten.
- Prüfung: Am unteren Ende werden die Kugeln entnommen und messtechnisch kontrolliert.
- Wiederverwendung: Kugeln, die ihren vorgesehenen Abbrand noch nicht erreicht haben, gelangen erneut in den Kern.
- Aussortieren: Verbrauchte oder beschädigte Kugeln werden aus dem Kreislauf entfernt.
Auf diese Weise lässt sich der Reaktor während des Betriebs fortlaufend mit Brennstoff versorgen.
700.000 Kugeln für elf Reaktormodule
Die Fabrik TX-1 soll jährlich rund 700.000 Brennstoffkugeln herstellen. Nach Angaben des US-Energieministeriums reicht diese Menge für den laufenden Bedarf von bis zu elf Xe-100-Modulen. Das bedeutet jedoch nicht, dass TX-1 jedes Jahr elf vollständige Reaktorkerne beladen kann:
- Für die Inbetriebnahme ist zunächst ein großer Grundbestand an Kugeln erforderlich.
- Im späteren Betrieb ersetzt die Fabrik vor allem Kugeln, die ihren Zielabbrand erreicht haben.
- Noch nutzbare Kugeln durchlaufen den Reaktorkern mehrfach.
Die genannte Produktionskapazität beschreibt damit den jährlichen Nachschub für elf laufende Module – nicht elf komplette Erstbeladungen.
TX-1 besitzt die Lizenz, produziert aber noch nicht
Die erste Fabrik TX-1 entsteht auf dem TRISO-X-Campus in Oak Ridge. Die Hochbauarbeiten begannen im November 2025. Im Februar 2026 erteilte die US-Atomaufsichtsbehörde NRC dem Unternehmen eine auf 40 Jahre ausgelegte Lizenz nach 10 CFR Part 70.
Diese Lizenz erlaubt es TRISO-X, spezielles Kernmaterial zu besitzen, zu verwenden und kommerziellen Brennstoff herzustellen. Es handelt sich dabei ausdrücklich nicht um eine Betriebsgenehmigung für einen Reaktor. Nach Angaben des US-Energieministeriums ist es die erste von der NRC erteilte Brennstofffertigungslizenz der Kategorie II und die erste neue US-Lizenz für eine solche Anlage seit rund 50 Jahren.
TX-1 soll pro Jahr etwa 5 t Uran verarbeiten. X-energy plant den Produktionsbeginn für Anfang 2028. Bevor die Fertigung starten kann, muss die NRC die fertiggestellte Anlage jedoch einer finalen Inspektion unterziehen. Mit den Fördermitteln aus Tennessee soll die weitere Entwicklung des Campus vorangetrieben werden. Die Planung umfasst drei Säulen:
- TX-1: Die bereits im Bau befindliche erste kommerzielle Fabrik.
- TX-2: Eine größere und stärker automatisierte zweite Fertigungslinie.
- TX-L: Ein Labor für Brennstoffentwicklung, Qualitätsprüfungen und Prozessoptimierung.
Die von X-energy genannte Endausbaukapazität für rund 55 Xe-100-Module (knapp 4,5 GW) stammt aus der strategischen Unternehmensplanung. Der exakte Bauumfang, die Investitionshöhe und der Zeitplan dieser Erweiterung sind noch nicht verbindlich festgelegt.
Vor der Kugelfabrik liegt der nächste Engpass
TX-1 reichert selbst kein Uran an. Die Fabrik verarbeitet bereits angereichertes Ausgangsmaterial zu Brennstoffpartikeln und schließlich zu Kugeln. Für den Xe-100 wird sogenanntes HALEU benötigt – High-Assay Low-Enriched Uranium.
| Brennstoff | Anteil Uran-235 | Typischer Einsatz |
| Konventionelles niedrig angereichertes Uran | bis 5 % | heutige Leichtwasserreaktoren |
| HALEU | mehr als 5 % bis knapp 20 % | zahlreiche fortgeschrittene Reaktor- und Mikroreaktorkonzepte |
Die höhere Anreicherung ermöglicht kompaktere Reaktorkerne und eine längere Nutzung des Brennstoffs. Bei bestimmten Reaktorkonzepten unterstützt sie zudem höhere Betriebstemperaturen.
Produktion liegt weit unter dem erwarteten Bedarf
In den USA ist HALEU bislang nicht in den Mengen verfügbar, die für eine größere Flotte fortgeschrittener Reaktoren erforderlich wären. Das US-Energieministerium rechnet bis 2035 mit einem heimischen Bedarf von bis zu 50 t pro Jahr. Ob dieser Wert erreicht wird, hängt davon ab, wie viele der angekündigten Reaktoren tatsächlich gebaut werden.
Die derzeitige Ausgangslage:
- gut 1,9 t: Diese Menge HALEU-Hexafluorid produzierte Centrus Energy bis Juni 2026 im Rahmen eines mehrjährigen Demonstrationsvertrags. Es handelt sich nicht um eine jährliche Kapazität.
- 12 t pro Jahr: So viel soll eine erste kommerzielle Ausbaustufe von Centrus liefern.
- 2029: In diesem Jahr soll die zusätzliche Kapazität nach Unternehmensplanung anlaufen.
- bis zu 50 t pro Jahr: Diesen US-Bedarf hält das Energieministerium bis 2035 für möglich.
Damit bleibt der Zeitplan eng: TX-1 soll bereits Anfang 2028 mit der Brennstofffertigung beginnen. Größere amerikanische Anreicherungskapazitäten werden dagegen erst für die Zeit danach angekündigt. Ohne ausreichend HALEU kann die Kugelfabrik ihre geplante Leistung nicht ausschöpfen.
Der Brennstoff muss sich noch im Reaktor bewähren
TRISO-Brennstoff wird seit Jahrzehnten erforscht und bestrahlt. Für den Xe-100 reicht diese allgemeine Erfahrung jedoch nicht aus: Die konkrete TRISO-X-Ausführung muss separat qualifiziert werden. Seit November 2025 laufen dafür Tests im Advanced Test Reactor des Idaho National Laboratory. Untersucht werden 16 Brennstoffkugeln über einen Zeitraum von 13 Monaten.
Geprüft wird insbesondere,
- wie sich die Kugeln bei unterschiedlichen Temperaturen und Leistungen verhalten,
- welchen Abbrand sie erreichen,
- ob die Beschichtungen intakt bleiben,
- und in welchem Umfang Spaltprodukte aus den Partikeln austreten.
Nach der Bestrahlung folgen detaillierte Untersuchungen am Idaho National Laboratory und am Oak Ridge National Laboratory. Die Ergebnisse sollen die Grundlage für die Qualifikation des Brennstoffs im kommerziellen Einsatz bilden.
Dabei laufen drei rechtlich getrennte Verfahren:
| Verfahren | Gegenstand |
| Lizenz der Brennstofffabrik | Herstellung und Umgang mit dem angereicherten Material |
| Brennstoffqualifikation | Nachweis des Verhaltens unter Betriebs- und Störfallbedingungen |
| Reaktorgenehmigung | Bau und späterer Betrieb des Xe-100 |
Die bereits erteilte Lizenz für TX-1 bedeutet daher nicht, dass der Brennstoff sämtliche Nachweise für den Einsatz im Reaktor erbracht hat.
Der erste Xe-100 ist für ein Chemiewerk geplant
Der erste konkrete Einsatzort liegt in Seadrift im US-Bundesstaat Texas. Dort will der Chemiekonzern Dow vier Xe-100-Module errichten. Sie sollen das Werk mit Strom und Hochtemperaturwärme versorgen.
Der bisherige Genehmigungsstand:
- Mai 2025: Die US-Atomaufsicht NRC nimmt den Antrag auf eine Baugenehmigung zur Prüfung an.
- Mai 2026: Die Umweltprüfung wird abgeschlossen. Die Behörde erwartet keine erheblichen Umweltauswirkungen.
- November 2026: Zu diesem Zeitpunkt soll nach bisherigem Behördenplan die abschließende Sicherheitsbewertung vorliegen.
- Offen: Wann die NRC über die Baugenehmigung entscheidet.
Selbst nach einer positiven Entscheidung dürfte die Anlage noch nicht betrieben werden. Für die spätere Inbetriebnahme ist ein eigenes Betriebsgenehmigungsverfahren erforderlich.
Die Technik hat deutsche Wurzeln
Kugelhaufenreaktoren sind keine neue US-Entwicklung. Das Grundprinzip wurde bereits vor Jahrzehnten in Deutschland erprobt.
| Anlage | Standort | Betriebszeit | Bedeutung |
| AVR | Jülich | 1966 bis 1988 | Versuchsreaktor mit umlaufenden kugelförmigen Brennelementen |
| THTR-300 | Hamm-Uentrop | 1985 bis 1989 | erster größerer deutscher Leistungsreaktor nach dem Kugelhaufenprinzip |
| HTR-PM | Shidaowan, China | kommerzieller Betrieb seit 2023 | zwei Kugelhaufenreaktoren versorgen gemeinsam eine Dampfturbine |
Beim AVR konnten die Brennstoffkugeln während des Betriebs unten aus dem Reaktor entnommen, geprüft und erneut eingesetzt werden. Dieses Prinzip findet sich auch bei heutigen Kugelhaufenreaktoren.
Wirtschaftlicher Durchbruch blieb in Deutschland aus
Ein dauerhafter Erfolg stellte sich jedoch nicht ein. Der THTR-300 wurde 1989 nach nur 423 Tagen Volllastbetrieb stillgelegt. Ausschlaggebend waren technische und sicherheitstechnische Probleme sowie hohe Betriebskosten. Auch die wissenschaftliche Aufarbeitung des AVR-Betriebs zog sich über Jahrzehnte hin.
International wurde das Konzept dennoch weiterentwickelt. Seit Dezember 2023 läuft im chinesischen Shidaowan der HTR-PM kommerziell. Die Anlage besteht aus zwei Reaktoren mit jeweils 250 MW thermischer Leistung, die gemeinsam eine Dampfturbine antreiben. Auch dort durchlaufen die Brennstoffkugeln den Reaktorkern mehrfach.
TX-1 wäre daher weder die erste Fabrik noch der erste praktische Einsatz kugelförmigen TRISO-Brennstoffs weltweit. Neu ist vor allem der Versuch, in den USA eine kommerzielle Lieferkette aufzubauen, die HALEU-Anreicherung, Partikelfertigung und Brennstoffkugelproduktion miteinander verbindet.
Quellen:
- Tennessee Department of Economic and Community Development: TRISO-X to Create More Than 1,100 Jobs Through New Fuel Facility, Research and Development Center
- X-energy: TRISO-X Awarded Tennessee Grant to Support Expansion of Nuclear Fuel Campus
- U.S. Department of Energy: TRISO-X Receives NRC Special Nuclear Material License for Advanced Fuel Fabrication Facility
- U.S. Department of Energy: TRISO Particles – The Most Robust Nuclear Fuel on Earth
- U.S. Department of Energy: X-energy Begins First Irradiation Tests of Advanced Nuclear Fuel Pebbles
- U.S. Nuclear Regulatory Commission: Long Mott Generating Station – Xe-100 Power Reactor Application
- U.S. Department of Energy: What is High-Assay Low-Enriched Uranium?
- Centrus Energy: Contract for Commercial HALEU Production
- Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit: Der Kugelhaufenreaktor des Kernkraftwerks Shidaowan
- X-energy: Xe-100 Technology Explainer
- U.S. Nuclear Regulatory Commission: Advanced Reactors
- U.S. Nuclear Regulatory Commission: Fuel Cycle and New Fuels
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