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Das MicroURANUS-Projekt unter der Leitung von Professor Il Soon Hwang vom Ulsan National Institute of Science and Technology in Ulsan, Republik Korea, hat einen neuen kleinen modularen Reaktor entwickelt, der Seeschiffe mit Energie versorgen kann und während seiner 40-jährigen Lebensdauer nicht nachgetankt werden muss. Diese kleinen modularen Reaktoren weisen inhärente Sicherheits- und Schutzmerkmale auf und sind auch im Falle eines Unfalls umweltfreundlich.

Professor Il Soon Hwang, 17. November 2021

Der internationale Seeverkehr macht 90 % des Welthandelsvolumens aus. Derzeit produzieren maritime Systeme, einschließlich Schiffen und Anlagen, bis zu 3 % der weltweiten Treibhausgase (THG). Auf seiner letzten Sitzung hat der Ausschuss für den Schutz der Meeresumwelt der Internationalen Seeschifffahrtsorganisation (IMO) beschlossen, bis 2050 70 % der Treibhausgasemissionen gegenüber 2008 zu reduzieren. Die Europäische Union strebt an, über das IMO-Ziel hinauszugehen.

Die Kosten für Dieselkraftstoff in der internationalen Schifffahrt machen etwa die Hälfte der gesamten Betriebskosten aus. Die Umstellung von Diesel auf Erdgas erhöht zwar die Kosten, führt aber nicht zu einer nennenswerten Verringerung der Treibhausgasemissionen, da das Treibgas durch einen Prozess namens Methanschlupf aus den Motoren entweicht. Eine effektivere Lösung kann grüner Wasserstoff sein, der zur Stromerzeugung verwendet werden kann.

Schifffahrtsexperten sehen in der Kernkraft die ultimative Lösung, um eine emissionsfreie Schifffahrt kostengünstig zu machen. Kleine modulare Reaktoren (SMR) werden seit mehr als 60 Jahren in U-Booten und Schiffen der Marine eingesetzt. Obwohl SMRs viel sicherer sind als ihre größeren Gegenstücke, ist die maritime Umgebung zu rau, um Sicherheitsbedenken zu ignorieren.

Aufgrund der Beschränkungen der Internationalen Atomenergie-Organisation (IAEO) für die Urananreicherung auf maximal 20 Prozent können zivile SMR nur Kernbrennstoffe mit einer Urananreicherung von höchstens 20 Prozent verwenden. Aus diesem Grund müssen wassergekühlte Kernreaktoren während ihrer typischen Lebensdauer von etwa 40 Jahren mehrfach nachgetankt werden. Bei der Betankung von Atom-U-Booten auf dem Wasser ist es aufgrund unkontrollierter Reaktorbewegungen bereits zu nuklearen Explosionen gekommen, die zu einem erheblichen radioaktiven Niederschlag in den umliegenden Gebieten geführt haben.

Damit ein Seeschiff seine zivilen Kernreaktoren mit niedrig angereichertem Uran nicht mehr auftanken muss, wurde im Rahmen des MicroURANUS-Projekts am Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) in der Republik Korea der MicroURANUS entwickelt, ein schneller Neutronenreaktor, der 20 MWe erzeugt und es einem Handelsschiff mit Nuklearantrieb ermöglicht, seine erste Kernbrennstoffladung während seiner gesamten Lebensdauer von 40 Jahren zu verwenden. Ein Paar MicroURANUS-Mikroreaktoren kann eines der größten Containerschiffe antreiben, ohne während seiner gesamten Lebensdauer Treibhausgase auszustoßen.

Der Reaktorkern von MicroURANUS besteht aus Urandioxid-Brennstoff und einem flüssigen Schwermetall-Kühlmittel namens Blei-Wismut-Eutektikum. Dieses Kühlmittel ist jedoch auch dafür berüchtigt, unter Neutronenbeschuss hochgiftige Polonium-Radioisotope zu erzeugen. Die Besatzung an Bord kann beruhigt sein, denn der robuste MicroURANUS-Reaktorbehälter wird nach der ersten Brennstoffladung hermetisch verschlossen, so dass das Polonium keine Chance hat, zu entweichen. Sollte das Schiff bei einem Unfall sinken, wird das flüssige Metall gefroren, wenn Seewasser die Außenwand des leckdichten Reaktorbehälters berührt, wodurch die gesamte Radioaktivität im Inneren eingeschlossen wird und dem hohen Druck unter Wasser standhält.

MicroURANUS wird das Geschäft mit der Kernenergie völlig neu gestalten. Er wird das so genannte „Cradle-to-Grave“-Konzept umsetzen, das von weltweit führenden Persönlichkeiten wie dem ehemaligen Generaldirektor der IAEO Mohammed El Baradei, dem ehemaligen US-Präsidenten George W. Bush und dem Präsidenten der Russischen Föderation Wladimir Putin gefordert wurde. Wie bei der Produktion von Düsentriebwerken und ihren Qualitätssicherungsverfahren wird der fertige MicroURANUS im Werk durch Neutronenbeschuss bis zu einer ausreichenden Belastung getestet, wie im obigen Schema dargestellt. Nach Abschluss des Werkstests wird der schwach radioaktive MicroURANUS in einem stark abgeschirmten Behälter in ein Trockendock einer Werft transportiert, wo er in den Motorraum eines Lastkahns oder eines Schiffs eingebaut wird. Der zweite Qualifikationstest wird an Bord des Schiffes im Trockendock durchgeführt. Anschließend wird eine Probefahrt auf See durchgeführt, bevor der Behälter für seine 40-jährige Reise in Betrieb genommen wird. Sicherheitsprüfungen und Sicherheitsinspektionen des Reaktors und des maritimen Systems werden in Übereinstimmung mit nationalen und internationalen Vorschriften durchgeführt. Um den Wartungsaufwand zu minimieren, verzichtet MicroURANUS auf alle rotierenden Maschinen und ersetzt sie durch innovative statische Mechanismen wie elektromagnetische Pumpen für den Kühlmittelkreislauf.

Am Ende seiner Lebensdauer wird der Mikroreaktor abgeschaltet und tiefgekühlt, bevor er ausgebaut, in den stark abgeschirmten Transportbehälter eingesetzt und zu einem internationalen Wiederauffüllungszentrum transportiert wird (siehe Schema). Die nuklearen Abfälle aus dem Reaktor werden durch das Recycling der abgebrannten Brennelemente, des Kühlmittels und anderer Materialien minimiert, wodurch das gesamte System nachhaltig und umweltverträglich wird. Die Sicherheit des Reaktors ist dank der chemischen Reaktionsträgheit und des hohen Siedepunkts des eutektischen Blei-Wismut-Kühlmittels jedem anderen Kernreaktor weit überlegen. Die Möglichkeit eines Kernschmelzunfalls ist konstruktionsbedingt praktisch ausgeschlossen, und selbst im hypothetischen schlimmsten Fall ist keine Evakuierung der Besatzung erforderlich, da der Mikroreaktor mit ausreichenden Sicherheitsreserven ausgestattet ist und die gesamte Radioaktivität innerhalb des Kernkraftmaschinenraums bleibt. Der Aufbau einer ausreichend langen Sicherheitsbilanz, die für den Einbau in ein in Betrieb befindliches Seeschiff erforderlich ist, wird mehr als ein Jahrzehnt dauern.

Die Lebensdauer des Mikroreaktors kann auch die Überwachungsaufgaben der IAEO erleichtern, da es keine Möglichkeit gibt, Brennstoffe aus dem hermetisch abgeschlossenen Reaktor zu entfernen. Dies gewährleistet auch die nukleare Sicherheit und den Schutz vor Piraten oder Terroristen. Die erste Anwendung der Mikroreaktoren wird die Erzeugung von Strom und Wärme auf Lastkähnen vor der Küste sein, so dass emissionsfreier Wasserstoff zu geringen Kosten aus Meerwasser hergestellt werden kann. Man hofft, dass die Betriebsaufzeichnungen dieser Offshore-Wasserstoffanlagen der IMO eine ausreichende Datenbasis liefern, um ihren Sicherheitscode zu aktualisieren und Seehäfen davon zu überzeugen, mit MicroURANUS betriebene Schiffe zu akzeptieren.

Weitere Einzelheiten über MicroURANUS sind in der SMR-Publikation der IAEO zu finden, die im Internet unter https://aris.iaea.org/Publications/SMR_Book_2020.pdf abrufbar ist und auch wertvolle Informationen über nicht wassergekühlte Mikroreaktorkonstruktionen enthält, die ohne Nachfüllen ein Leben lang laufen. Das MicroURANUS-Projekt (NRF-2019M2D1A1067205) wird seit 2019 von der National Research Foundation der Republik Korea unterstützt.

Bild: MicroURANUS für Wasserstoffproduktion und Schiffsantrieb mit nachhaltigem Lebenszyklus. © UNIST
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