US-Mikroreaktor steht kurz vor dem Start, gekühlt wird mit flüssigem Natrium und Kalium
Flüssigmetall statt Wasser: Der US-Mikroreaktor MARVEL rückt mit seinem neuen Primärkühlsystem näher an den Start.
Das Primärkühlsystem des Mikroreaktors MARVEL ist an der Transient Reactor Test Facility des Idaho National Laboratory eingetroffen. Rechts ist ein Teil des Systems zu sehen, in dem später eine flüssige Natrium-Kalium-Legierung die Wärme aus dem Reaktorkern abführt.
Foto: Idaho National Laboratory
MARVEL ist klein, technisch aber ziemlich ambitioniert. Der Forschungsreaktor am Idaho National Laboratory soll nur 85 kW Wärmeleistung erreichen. Entscheidend ist deshalb nicht seine Leistung, sondern was die Forscher mit ihm erproben wollen: den Betrieb eines Mikroreaktors unter realen Bedingungen.
Dafür ist jetzt eine wichtige Komponente eingetroffen. Das Primärkühlsystem soll in der Transient Reactor Test Facility, kurz TREAT, mit den übrigen Teilen des Reaktors verbunden werden. Danach steht der nächste große Schritt an: MARVEL soll erstmals eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion erreichen.
Damit gehört das Projekt zu den wenigen Mikroreaktoren, die bereits weit über die Konzeptphase hinaus sind. Wie groß die Lücke zwischen Planung und tatsächlichem Einsatz bei kleinen Kernreaktoren noch ist, zeigt unser Überblick, Mini-Atomkraft: Was Sie über SMR jetzt wissen sollten.
Inhaltsverzeichnis
Flüssiges Metall transportiert die Wärme
Technisch fällt MARVEL vor allem durch sein Kühlmittel auf. Statt Wasser zirkuliert im Primärkreislauf eine Legierung aus Natrium und Kalium, kurz NaK. Die Mischung hat einen wichtigen Vorteil: Sie ist bereits bei Raumtemperatur flüssig und bleibt es auch bei den hohen Temperaturen im Reaktor. Für den Primärkreislauf sind etwa 500 bis 550 °C vorgesehen.
NaK siedet bei wesentlich höheren Temperaturen als Wasser. Der Primärkreislauf muss deshalb nicht mit den hohen Drücken arbeiten, die beispielsweise für einen klassischen Druckwasserreaktor typisch sind. Auch große Kühlmittelpumpen braucht MARVEL im Normalbetrieb nicht. Die heiße Flüssigkeit steigt aufgrund ihrer geringeren Dichte auf, kühlere Flüssigkeit sinkt ab. Dieser Dichteunterschied hält die sogenannte natürliche Zirkulation in Gang und transportiert die Wärme aus dem Reaktorkern zu den Wärmeübertragern.
Das Prinzip wurde vorab ohne Kernspaltung getestet. Dafür baute das Idaho National Laboratory mit dem Primary Coolant Apparatus Test, kurz PCAT, nahezu den gesamten Primärkreislauf nach. Elektrische Heizungen übernahmen dabei die Rolle des Reaktorkerns. Die Versuche sollten unter anderem zeigen, ob die natürliche Zirkulation die vorgesehene Wärme tatsächlich abführen kann.
Natrium und Kalium haben auch Nachteile
Flüssigmetalle ermöglichen hohe Betriebstemperaturen bei vergleichsweise niedrigem Druck. Einfach zu handhaben sind sie deshalb noch lange nicht.
Sowohl Natrium als auch Kalium sind chemisch sehr reaktiv. Sie reagieren insbesondere mit Wasser heftig und können sich beim Kontakt mit Luft entzünden. Der Primärkreislauf muss deshalb so ausgelegt sein, dass Leckagen möglichst verhindert und mögliche Störfälle sicher beherrscht werden.
MARVEL dient gerade deshalb als Forschungsreaktor. Die Anlage soll nicht nur Daten zur Kernphysik liefern, sondern auch zeigen, wie Komponenten, Regelung und Kühlsystem unter realen nuklearen Bedingungen zusammenarbeiten.
Warum der Reaktor nur 85 kW leistet
Mit einer thermischen Leistung von etwa 85 kW spielt MARVEL in einer völlig anderen Größenordnung als ein kommerzielles Kernkraftwerk. Große Leistungsreaktoren erreichen mehrere Tausend Megawatt thermische Leistung.
MARVEL soll dagegen als Versuchsanlage dienen. Das US-Energieministerium will damit unter anderem untersuchen, wie Mikroreaktoren kleinere Stromnetze versorgen, Wärme für industrielle Prozesse bereitstellen oder mit automatisierten Steuerungen betrieben werden können. Das DOE nennt beispielsweise Microgrids, kleinere Rechenzentren und Ladeinfrastruktur als mögliche Anwendungen solcher Systeme.
Der Reaktor selbst ist rund 4,5 m hoch und soll in einem unterirdischen Bereich der TREAT-Forschungsanlage betrieben werden. Als Brennstoff kommt Uran-Zirkonium-Hydrid zum Einsatz. MARVEL ist damit kein verkleinertes kommerzielles Kernkraftwerk. Vielmehr handelt es sich um eine nukleare Versuchsanlage, an der Technologien für spätere Mikroreaktoren getestet werden sollen.
Was „erste Kritikalität“ bedeutet
Bevor MARVEL mit voller Leistung betrieben werden kann, steht ein wichtiger Zwischenschritt an: die sogenannte trockene Erstkritikalität.
Der Begriff „kritisch“ klingt problematischer, als er in diesem Zusammenhang ist. In der Reaktorphysik bezeichnet er einen stabilen Zustand: Jede Kernspaltung löst im Mittel genau eine weitere aus. Die Kettenreaktion erhält sich damit selbst, ohne stärker oder schwächer zu werden.
Bei der trockenen Erstkritikalität geschieht das mit extrem geringer Leistung. Das Primärkühlmittel wird dafür noch nicht benötigt. Die Forschenden können so zunächst überprüfen, ob sich der Reaktorkern neutronenphysikalisch so verhält wie berechnet.
Das US-Energieministerium hat dafür bereits wichtige Sicherheitsunterlagen genehmigt. Die Analysen beschreiben ausdrücklich eine Konfiguration für eine trockene Erstkritikalität bei nahezu null Leistung.
Wann wird MARVEL erstmals kritisch?
Beim Termin gibt es derzeit widersprüchliche Angaben. Nach der jüngsten Projektmitteilung, in der auch die Ankunft des Primärkühlsystems bekannt gegeben wurde, soll die erste Kritikalität bereits im Dezember erfolgen. Die öffentlich zugängliche Projektseite des US-Energieministeriums nennt dagegen weiterhin 2027 für die trockene Erstkritikalität und 2028 für den Übergang zum Betrieb mit voller Leistung.
Die Diskrepanz spricht dafür, dass der Projektzeitplan zuletzt überarbeitet wurde oder die öffentlichen Projektseiten noch nicht auf demselben Stand sind. Bis eine aktualisierte Terminplanung veröffentlicht wird, sollte der Dezember-Termin deshalb als aktuelle Projektangabe und nicht als endgültig bestätigter Starttermin verstanden werden.
Mikroreaktoren müssen ihren Nutzen erst beweisen
MARVEL trifft auf eine Branche, die große Hoffnungen mit kleinen Kernreaktoren verbindet. Seriell gefertigte Reaktoren sollen schneller errichtet werden als klassische Großkraftwerke und sich auch dort einsetzen lassen, wo mehrere Hundert Megawatt Leistung nicht benötigt werden.
Wie gut diese Rechnung tatsächlich aufgeht, ist offen. Viele Projekte befinden sich noch in Entwicklung, Termine verschieben sich und die Wirtschaftlichkeit einer Serienfertigung ist bislang kaum im kommerziellen Maßstab belegt. Das zeigt auch der aktuelle World Nuclear Industry Status Report. Mehr dazu: SMR: Bremsspuren beim Hochlauf
MARVEL soll diese wirtschaftlichen Fragen nicht beantworten. Für die Forschung ist der kleine Reaktor aus Idaho trotzdem interessant: Er liefert erstmals reale Betriebsdaten zu einem Mikroreaktor, dessen Primärkreislauf seine Wärme ohne hohen Wasserdruck und ohne ständig laufende große Umwälzpumpe abführen soll.
Quellen
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U.S. Department of Energy:
MARVEL Microreactor Project
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Idaho National Laboratory:
MARVEL – Microreactor Applications Research Validation and Evaluation
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Idaho National Laboratory:
DOE approves safety documentation for MARVEL microreactor initial criticality
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