Kugelbettreaktoren: Deutschlands vergessene Energiechance

In Kürze:

• Deutschlands Energieversorgung steckt in einer Krise: Kohle, Öl und Gas erzeugen Emissionen; Wind und Sonne sind nicht zuverlässig.
• Eine deutsche Erfindung könnte Emissionsfreiheit und Zuverlässigkeit verbinden: Kugelbettreaktoren.
• Der Wiedereinstieg in die zivile Kernkraft erfordert eine politische Umkehr in Berlin.
• Auf Grundlage deutscher Entwicklungen erfolgt derzeit die Kommerzialisierung im Ausland.

Deutschland steht energiepolitisch unter Druck. Die Strompreise steigen, ganze Industriezweige drohen abzuwandern, während die Energiewende auf Wind- und Solaranlagen fixiert bleibt. Dabei könnte eine in Deutschland erfundene Technologie den Energiesektor weltweit revolutionieren – störfallfrei, emissionsarm und bezahlbar. Es handelt sich um den Hochtemperatur- (HTR) oder auch Kugelbettreaktor, der die erforderliche Grundlast bei der Strom- und Wärmeerzeugung sichern könnte.

Die Wurzeln reichen in die 1960er-Jahre zurück. Damals entwickelte man am Forschungszentrum Jülich den sogenannten TRISO-Brennstoff. Dafür werden winzige Uran- oder Thoriumkügelchen in mehreren Schichten gasdicht verkapselt und in widerstandsfähige Grafitkugeln mehrfach eingebettet. Dieses Design macht eine Kernschmelze physikalisch unmöglich, da jede Kugel nur eine kleine Menge Brennstoff enthält.

Schematischer Aufbau eines Kraftwerks mit Kugelbettreaktor. Foto: ts/Epoch Times nach Picoterawatt | Wikimedia Commons, gemeinfrei und San Jose, Wikimedia Commons | CC BY 3.0

Mit dem Versuchskraftwerk AVR Jülich (Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor Jülich) und später mit dem THTR-300 in Hamm-Uentrop wurden in Deutschland Pionierprojekte gestartet. Trotz Milliardeninvestitionen und anfänglicher Euphorie wurden beide Anlagen wieder stillgelegt – offiziell aus technischen und wirtschaftlichen Gründen. Gleichzeitig wuchs aber auch die politische Ablehnung.

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Die berechtigte Angst vor einem Atomunfall

Geprägt wurde die politische Ablehnung insbesondere durch zwei Ereignisse: die Kraftwerkshavarien in Tschernobyl und Fukushima. Analysen haben gezeigt, dass beide Vorfälle in deutschen KKWs, die zu den sichersten der Welt zählten, nicht passiert wären, doch Angst, die einmal in den Köpfen der Bevölkerung und der Amtsträger sitzt, lässt sich nur schwer beseitigen – und die Angst vor dem Austreten von Radioaktivität im Zusammenhang mit Schadensereignissen bei Atommeilern ist durchaus berechtigt.

Das betrifft vor allem jene Kernkraftwerkstypen, die wir schon lange kennen, die prinzipiell technisch längst überholt sind, die aber immer noch gebaut werden. Sprich, solche, die mit Wasser und Brennstäben Primärenergie erzeugen.

In Deutschland mussten Kernkraftwerke schon vor dem Atomausstieg hohe Sicherheitsstandards erfüllen, die weit über die Hälfte der Gesamtkosten der Betriebskosten verursachten. Bereits ein Blick ins europäische Ausland jedoch genügt, um rund 80 Reaktoren zu finden, die nicht den hohen deutschen Anforderungen genügen müssen. Darunter sogenannte Hochrisikoreaktoren in umkämpften Gebieten der Ukraine, ohne Containment (wie Tschernobyl), in Erdbebenregionen (wie Fukushima) oder jene, die schon mehrere Jahrzehnte alt sind.

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Zwischen Kernkraft- und Klimakatastrophe?

Die große Gefahr durch Stör- und Zwischenfälle in Atomanlagen und die Besorgnis vor einem sogenannten GAU („Größter anzunehmender Unfall“) sind damit weder in Europa noch in Deutschland durch den Atomausstieg gebannt, denn radioaktive Strahlung lässt sich bekanntlich nicht von nationalen Grenzen aufhalten.

Kernkraftwerke in Deutschland nach der Stilllegung der letzten Reaktoren im April 2023. Im europäischen Ausland stehen rund 80 weitere Reaktoren, teils abgeschaltet, teils in Betrieb. Foto: ts/Epoch Times nach Lencer, Wikimedia Commons | CC BY-SA 2.5

Festzuhalten ist aber auch: Ökostromkapazitäten können auf absehbare Zeit den erforderlichen Strombedarf trotz enormen Zubaus nicht decken, erst recht nicht bei sogenannten Dunkelflauten, ohne Wind und ohne Sonne. Das hat dazu geführt, dass wieder mehr Kohle, Öl und Gas verstromt werden und Deutschland Spitzenreiter bei den Strompreisen ist.

Eine vollständige Dekarbonisierung bis 2045 wird ohne Kernkraft jedoch kaum möglich sein, denn auch die Wasserstofftechnologien werden noch lange brauchen, bevor sie überall zur gewünschten Energieversorgung beitragen können.

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Warum Kugelbettreaktoren besonders sind

Bezogen auf die Kernenergie wird die Behauptung mit guten Gründen aufrechterhalten, dass Atomstrom teuer und riskant sei. Das ist jedoch nur insoweit zutreffend, als solche Aussagen sich auf die bisher angewendete Reaktortechnologie beziehen.

Während die bislang üblichen Reaktoren der dritten Generation mit Wasser gekühlt werden, nutzen die neuen Anlagen dafür etwa Heliumgas, flüssiges Blei oder flüssiges Salz. Die sonstigen, neuen Kraftwerkstechnologien der vierten Generation werden auf breiter Front erst ab etwa 2040 zum Einsatz kommen.

Auch Kugelbettreaktoren unterscheiden sich grundlegend von klassischen Leicht- und Schwerwasserreaktoren:

• Inhärente Sicherheit: Durch niedrige Leistungsdichte und passive Kühlung mit Luft ist ein GAU ausgeschlossen.
• Kein Endlager für Jahrtausende: Die TRISO-Brennstoffkugeln sind gasdicht gekapselt. Der Abfall muss nur rund 300 Jahre gelagert werden. Dies kann oberirdisch erfolgen.
• Dezentrale Nutzung: Statt auf wenige Großkraftwerke angewiesen zu sein, könnten Kugelbettreaktoren modular und direkt in Industrieregionen eingesetzt werden.
• Überregionale Stromtrassen werden überflüssig: Die Diskussion um den überregionalen Netzausbau und den damit einhergehenden Flächenverbrauch wäre beendet.
• Bezahlbare Energie: Laut Berechnungen liegen die Stromgestehungskosten bei nur 6–7 Cent pro Kilowattstunde – weit unter den heutigen Kosten für Wind- und Solarstrom.

Technische Probleme der Vergangenheit

Mit dem Aus der deutschen Hochtemperatur-Versuchsreaktoren in Hamm und Jülich verwiesen Kritiker auf technische Schwierigkeiten. Tatsächlich gab es im THTR-300 Probleme mit dem Kugelstrom, Materialschäden und wegen niedriger Verfügbarkeit. Zudem trat im AVR Jülich bei hohen Temperaturen teilweise Spaltgas aus den Brennstoffkugeln aus.

In diesem Zusammenhang oft zitiert, ereignete sich ein „Wassereinbruch“ im Jahre 1978 im AVR Jülich. Die Analysen eines Insiders – darunter Jochen Michels, Autor des Buches: „Energiewende – Nun aber richtig“ – zeigen jedoch, dass es sich nicht um ein unkontrolliertes, sicherheitsrelevantes Ereignis gehandelt hatte. Demnach gab es kein unbeherrschbares Eindringen von Wasser in den Reaktorkern, sondern es handelte sich um eine von der Betriebsmannschaft ausgelöste, kontrollierbare Situation.

Beim AVR (links) war der Dampferzeuger (gelb) über dem Reaktorkern (rot) angeordnet, was eine ständige Feuchtigkeitsüberwachung des Kühlgases erforderlich machte. Eine Sicherheitsschaltung sollte im Normalbetrieb bereits bei 0,01 Volumenprozent Wasser im fast 1.000 °C heißen Kühlgas eine Schnellabschaltung auslösen. David Petti (rechts), Technischer Direktor am Idaho National Laboratory, hält ein TRISO-Brennstoffpellet. Im Schnittbild (Mitte unten) offenbart es eine Vielzahl winziger Brennstoffkügelchen (Mitte oben, gelb), die mehrfach von Spezialgrafit umhüllt sind. Foto: Cschirp, Wikimedia Commons | CC BY-SA 3.0 (AVR); US Department of Energy, gemeinfrei (TRISO-Brennelement und -Schnittbild); Idaho National Laboratory, CC BY 2.0 (David Petti). Collage: ts/Epoch Times

Die Fehlinterpretation dieses Vorfalls in späteren Medien- und Wikipedia-Beiträgen führte zu der Einstufung als „unsicher“. Hingegen wurden die physikalischen Sicherheitsprinzipien niemals widerlegt. Gleichzeitig zeigten die Betriebserfahrungen:

Der AVR Jülich war weltweit der erste Reaktor seiner Art. Betrieben von einem Konsortium kommunaler Stadtwerke und wissenschaftlich begleitet, erreichte er weltweit führende Temperaturen von bis zu 950 °C, die sogar für industrielle Prozesse wie Kohlevergasung getestet wurden. Zwar kam es zu technischen Schwierigkeiten wie verklemmten Brennelementen im Bodenreflektor oder ungleichmäßigen Temperaturverteilungen, doch diese dienten als wertvolle Lehren für spätere Entwicklungen, die inzwischen längst abgeschlossen sind – allerdings jenseits der deutschen Staatsgrenzen.

Heute gelten viele der damaligen Probleme als behoben. Neue TRISO-Brennelemente besitzen verbesserte Beschichtungen, die ein Austreten von Spaltprodukten massiv reduzieren. Das chinesische Projekt HTR-PM zeigte zudem, dass sich der Kugelstrom technisch stabil führen lässt. Sicherheitstests bestätigten auch, dass sich der Reaktor auch ohne aktive Systeme zuverlässig selbst abkühlt.

Hochtemperaturreaktor AVR im Forschungszentrum Jülich. Foto: Maurice van Bruggen, Wikimedia Commons | CC BY-SA 3.0

Politische Gründe für das Scheitern in Deutschland

Mindestens ebenso bedeutsam wie technische Fragen waren die politischen Rahmenbedingungen. Nach der Katastrophe von Tschernobyl 1986 kippte die politische Einstellung zur Kernenergie in Deutschland. Sieben Reaktoren, die sich zu diesem Zeitpunkt bereits im Bau befanden, gingen bis Ende des Jahrzehnts in Betrieb, darunter jene drei Kraftwerke, die bis April 2023 Strom einspeisten. Kraftwerksprojekte, die bis dato nur auf dem Papier existierten, wurden nicht weiterverfolgt.

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Die Anti-Atomkraft-Bewegung gewann an Stärke und die 1998 gewählte Bundesregierung unter Gerhard Schröder (SPD) und Jürgen Trittin (Grüne) leitete 2002 mit einer Novelle des Atomgesetzes (AtG) den Atomausstieg ein. Als letzte deutsche Reaktoren nahmen der Forschungsreaktor der TU München (FRM II) und der Ausbildungsreaktor Dresden (AKR-2) jeweils im März 2004 beziehungsweise 2005 ihren Betrieb auf.

Parallel setzte die Energiepolitik massiv auf Wind- und Solarförderung. Forschungsgelder für alternative Kerntechnologien versiegten. Der THTR-300 wurde zum politischen Symbol für angebliche „Atomkraft-Fehlinvestitionen“ und diente als Argument gegen jede weitere Entwicklung – ohne zwischen unterschiedlichen Reaktortechnologien zu differenzieren.

Kritiker sprechen deshalb bis heute von einem ideologisch motivierten Abbruch. Herbeigeführt weniger aus technischen Gründen, sondern aus politischem Kalkül.

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Entsorgung oberirdisch möglich

Die Brennelementkugeln aus den deutschen Projekten lagern bis heute in Castorbehältern. Der Streit um den Standort solcher Behälter prägt zugleich die Diskussion um Sicherheit und Endlagerung. Tatsächlich unterscheidet sich die Entsorgungsfrage aber deutlich von klassischen Leichtwasserreaktoren und ist technisch erheblich einfacher.

Ausgestellter Castorbehälter am Forschungszentrum Jülich. Foto: Pimvantend, Wikimedia Commons | CC-BY-SA 4.0

Fachleute verweisen darauf, dass durch die dreifache Verkapselung und die vergleichsweise niedrigen Abfallmengen eine oberirdische Lagerung mit einer Lagerdauer von 300 Jahren ausreicht. Brennstoffe aus Kugelbettreaktoren haben damit eine relativ kurze Abklingzeit, während es bei konventionellen Brennstäben um Zeiträume geht, die außerhalb des menschlichen Vorstellungsvermögens liegen und ausschließlich eine unterirdische Lagerung in Betracht kommt.

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Aufgrund der gasdichten, mehrfachen Kapselung der Kugel-Brennelemente entsteht zudem keine nennenswerte Nachzerfallswärme, die aufwendige aktive Kühlung erfordern würde. Dazu entgegnen wiederum Kritiker, dass hierzu Langzeiterfahrungen fehlen. Und so gilt trotz der inhärenten Sicherheit auch für die verbrauchten Kugelbett-Brennelemente nach deutschem Atomgesetz (§ 9a AtG) die Pflicht zur tiefengeologischen Endlagerung gleichermaßen wie für den hoch radioaktiven Abfall der Leichtwasserreaktoren.

Auch internationale Organisationen wie die Internationale Atomenergie-Agentur (IAEA) sehen dies nach wie vor als Standard. Weil Langzeitstudien fehlen, wird dies weniger mit der technischen Notwendigkeit begründet als durch den Anspruch auf größtmögliche Langzeitsicherheit gegenüber unvorhersehbaren Risiken, einschließlich Naturkatastrophen, Materialalterung und sicherheitspolitischen Gefahren.

Gerade bei der Lagerung und Entsorgungsfrage zeigt sich somit, dass hier weniger technische Probleme maßgebend sind, sondern vor allem politische Streitfragen – auch bedingt durch den Umstand, dass die Politik bislang nicht zwischen unterschiedlichen Reaktor-Technologien und Brennstofftypen differenziert.

Internationale Renaissance …

Während Deutschland seine eigene Entwicklung eingestellt hat, treiben andere Länder die Kugelbett-Technologie aktuell aktiv voran. In China läuft mit dem 200-Megawatt-Reaktor HTR-PM in Shidaowan seit 2023 der weltweit erste kommerzielle Kugelbettreaktor, basierend auf der einst in Deutschland entwickelten Technik.

Blick auf das Kraftwerk Westfalen mit dem Gebäude des THTR-300 (unten rechts). Nordwestlich (Bildmitte, mit Schornstein) befinden die Blöcke A-C des Kohlekraftwerks Westfalen. Auf der Wiese südöstlich (in der Bildecke unten rechts) entstanden ab 2007 die inzwischen ebenfalls stillgelegten Kohle-Blöcke D und E. Foto: Tim Reckmann, Wikimedia Commons | CC BY-SA 3.0

Ein zweiter HTR-PM mit der sechsfachen Leistung soll in Kürze ans Netz gehen. Mit 1,2 Gigawatt ist dieser größer als das stärkste, deutsche Kohlekraftwerk und leistungsmäßig vergleichbar mit konventionellen deutschen Kernkraftwerken.

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… und weltweite Forschung

Die Weiterentwicklung von Kugelbett- und Hochtemperaturreaktoren ist jedoch längst keine rein nationale Angelegenheit mehr. Weltweit bündeln Forschungseinrichtungen, Industrie und Politik ihre Kräfte, um das Potential dieser Technologie voll auszuschöpfen. Seit Jahren sind weltweit zahlreiche Forschungs- und Entwicklungsprojekte entstanden, bei denen mit Hochtemperaturreaktoren neue Anwendungen, Materialverhalten, oder deren Strahlungsresistenz erprobt und Möglichkeiten zur Wasserstoffproduktion untersucht werden.

Das geschieht beispielsweise im Forschungszentrum JAEA in Ōarai (Japan), das den Hochtemperaturtestreaktor „HTTR“ betreibt. In Südafrika wird mit mehreren Projekten wie „Stratek Global“ und „HTMR-100“ das Ziel verfolgt, kompakte, modulare sowie kostengünstige Kugelbettreaktoren für den afrikanischen Energiemarkt zu entwickeln. Südafrika strebt zudem an, globaler Lieferant von TRISO-Brennstoff zu werden.

In den USA treiben in Zusammenarbeit mit dem US-Energie- und Verteidigungsministerium mehrere Firmen Reaktoren der vierten Generation voran. Firmen wie DOW, X-Energy – in Zusammenarbeit mit Amazon –, die Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC) und Kairos Power arbeiten an modularen HTRs mit dem Ziel, die Kugelbetttechnik zu nutzen.

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Das polnische National Center for Nuclear Research (NCBJ), nach eigenen Angaben das größte polnische Forschungsinstitut und das einzige mit einem eigenen Kernreaktor, dem HTGR-POLA, untersucht die Integration von HTR-Technologie in die nationale Infrastruktur.

Internationale Gremien und Organisationen wie die IAEA und OECD/NEA5 koordinieren internationale Studien, etwa zu bestrahltem Grafit, Materialdatenbanken oder Sicherheitsstandards. Parallel wird in nationalen Laboren intensive Grundlagenforschung zu TRISO-Brennstoff und Hochtemperatur-Materialien betrieben. Selbst herkömmliche Leichtwasserreaktoren sollen mit den verwendeten Brennkügelchen ausgestattet werden.

15 Hochtemperaturreaktoren binnen eines Jahrzehnts

Die Vielzahl an Forschungsaktivitäten zeigt: Hochtemperaturreaktoren sind längst ein globales Zukunftsthema. International gilt die Hochtemperatur-Reaktor-Technologie nicht mehr als Experiment, sondern als Baustein künftiger Energiesysteme. Ein wichtiger Bestandteil dieser Forschung sind die alle zwei Jahre stattfindenden internationalen Tagungen. Sie verstehen sich als länderübergreifende Plattform, um die weltweite Einführung von Kugelbett- und Hochtemperaturreaktoren voranzutreiben.

Die erste Zusammenkunft wurde 2002 in Petten (Niederlande) abgehalten. Zuletzt trafen sich Experten vom 14.–18. Oktober 2024 zur „11. Internationale Themensitzung für Hochtemperaturreaktortechnologie (HTR 2024) im chinesischen Rongcheng in der Provinz Shandong. Unterstützt vom chinesischen Institute of Nuclear and New Energy Technology (INET) der Tsinghua-Universität in Peking stand das Treffen im Zeichen von Lösungen auf Basis der Hochtemperatur-gasgekühlten Reaktortechnologie, die mit der Kommerzialisierung dieser Technologie im Gastgeberland in Zusammenhang stehen.

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Während des Treffens stellten chinesische Vertreter außerdem die im August von der Regierung in Peking genehmigten Pläne für den Bau der nächsten sechs kommerziellen, gasgekühlten HTRs bis 2030 vor. Weitere neun HTR-PMs sind in Vorbereitung oder Planung. Zudem verkündete China konkrete Pläne zur weiteren Serienfertigung. Ziel ist die Weiterentwicklung der Hochtemperaturreaktoren zur Nutzung in kleinen modularen Reaktoren, sogenannte SMRs, die dezentral eingesetzt werden können.

Künstlerische Darstellung sogenannter SMRs, deren Baugruppen in einer Fabrik vorgefertigt und per Lkw zum Aufstellungsort transportiert werden können. Foto: audioundwerbung/iStock

Insgesamt präsentierten mehr als 200 Teilnehmer aus 14 Ländern die Ergebnisse ihrer Arbeiten und diskutierten den aktuellen Stand der Aktivitäten im Kontext der Entwicklung und Umsetzung der Hochtemperaturreaktortechnologie und Wärmeapplikationen.

Aus Deutschland nahm an dieser Konferenz der Diplom-Ingenieur Jochen Michels teil, der den ungleich günstigeren wirtschaftlichen Betrieb dieses Reaktortyps im Vergleich mit anderen, derzeit noch favorisierten Energieträgern darlegen konnte. Das nächste Treffen soll 2026 in Großbritannien stattfinden, wo ebenfalls erhebliche Aktivitäten im Bereich der SMRs zu verzeichnen sind.

Fazit: Führungsrolle abgegeben, jetzt braucht es Mut statt Tabus

Deutschland hat – wieder einmal – eine seiner wichtigsten Innovationen aufgegeben und andere Länder ziehen jetzt ihren Nutzen daraus. Während hierzulande Milliarden in Wind- und Solarfelder fließen, funktioniert der in Deutschland entwickelte Hochtemperaturreaktor in China bereits kommerziell, bald auch in den USA, Südafrika und anderswo. All diese Kugelbettreaktoren zeigen, dass eine sichere, saubere, bezahlbare und dezentral einsetzbare Kernenergie möglich ist.

Mit dieser nicht mehr ganz neuen Technologie könnte sich der europäische Kontinent mit einem stabilen Rückgrat im Gebiet der Energieversorgung ausstatten. Die flächendeckende Zerstörung von Kulturlandschaften, Flächenverbrauch, die Zerstückelung geschlossener Waldgebiete und damit auch wertvoller Lebensräume für Mensch und Tier wären obsolet. Die Abwanderung der heimischen Industrie könnte durch Anpassung der Sicherheitsbestimmungen für diesen Reaktortyp in einem absehbaren Zeitrahmen verhindert werden.

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Es ist im Bereich der Energiepolitik höchste Zeit, das bei den „Erneuerbaren“ immer wieder hervorgehobene „überragende öffentliche Interesse“ auf die Vorzüge der Kugelbettreaktoren zu lenken. – Auch in dem Wissen, dass weder die Grundlastproblematik mit Sonne und Wind, noch die Endlagerfrage für die abgebrannten und hochtoxischen Brennstäbe der Leichtwasserreaktoren früherer Kraftwerksgenerationen gelöst ist.

Wer die Energiezukunft ernsthaft sichern will, muss alle Optionen einbeziehen – erst recht solche Technologien, die einst hierzulande erdacht wurden.