Eine Renaissance der Kernenergie in Schweden und das SUNRISE-Programm

Kernenergie ist ein Schlüsselbestandteil für ein weltweit nachhaltiges Energiesystem. Am KTH Royal Institute of Technology gibt es eine lange Tradition der Forschung, Innovation und Entwicklung der Kernenergietechnologie. KTH verfügt über den einzigen derzeit laufenden Masterstudiengang in Kernenergietechnik in Schweden, der auch gemeinsam als internationaler Master im InnoEnergy EMINE-Rahmen angeboten wird und von der Abteilung Nukleartechnik der Fakultät für Physik der KTH betrieben wird. Es wird nun ein Wachstum sowohl dieses Programms als auch der nukleartechnischen Ausbildungs- und Forschungsaktivitäten in Schweden erwartet, das durch eine beschleunigte nukleare Renaissance vorangetrieben wird.

Die Energiekrise in Europa, die durch die russische Invasion in der Ukraine noch deutlich verschärft wurde, hat Energiesicherheit und Energieunabhängigkeit ganz oben auf die politische und gesellschaftliche Agenda gesetzt. In Schweden, dessen Stromproduktion bereits nahezu CO2-neutral ist, werden die großen und ehrgeizigen Infrastrukturprojekte, die den Kern der schwedischen nationalen Elektrifizierungsstrategie zur Umgestaltung von Industrie und Verkehr bilden, riesige Mengen an elektrischer Energie benötigen, und zwar ohne fossile Brennstoffe Prozesswärme und Wasserstoff. Die neue schwedische Regierung hat kürzlich angekündigt, in den kommenden drei Jahren zusätzliche 25 Millionen Euro für die Kernenergieforschung bereitzustellen. Sie haben vorgeschlagen, die alte politisch motivierte Gesetzgebung aufzugeben, die die Anzahl und den Standort von Kernreaktoren begrenzt, und sie entwerfen einen Fahrplan für die Entwicklung eines nachhaltigen Energiesystems für die Zukunft. Die Aufmerksamkeit dieser industriellen Entwicklung hat zu einer höheren Nachfrage nach Kompetenzaufbau, Fortbildung sowie nach Entwicklung und Förderung modernster Forschungsprogramme geführt.

In den letzten Jahren konzentrierten sich Forschung und Innovation am KTH auf kleine modulare Reaktoren (SMRs), aber im Allgemeinen wird ein breites Themenspektrum abgedeckt. Die abgedeckte Forschung umfasst grundlegende Studien zu Strahlungs-Materie-Wechselwirkungen, Reaktorphysik, Design und Sicherheitsanalyse moderner Reaktoren, Entwicklung fortschrittlicher Stähle, Kernmaterialwissenschaft und Strahlenschäden, Kernbrennstoffentwicklung, Modellierung, Exposition und Charakterisierung, Prüfung und Modellierung von Materialien und Komponenten in Hochtemperatur-Schwerflüssigmetallen, Entwicklung und Optimierung fortschrittlicher Monte-Carlo-Methoden und Wärmeübertragung in Wasser bis in den überkritischen Zustand.

In der Kernenergieforschung besteht ein ausgeprägter Bedarf an experimenteller Infrastruktur, die für den Fortschritt notwendig ist. In vielen Fällen kann die Infrastruktur gemeinsam mit anderen Wissenschaftsbereichen genutzt werden, um optimale Synergien zu erzielen. An der KTH nutzen Kernenergieforscher mehrere Labore zur Materialsynthese und -charakterisierung, in denen Elektronenmikroskopie, Funkenplasmasintern, Röntgenbeugung und andere Werkzeuge die größte Belastung darstellen. Auch die Reaktortechnikforschung, die Fluiddynamik, die Wärmeübertragung und die Mechanik können von zentralen experimentellen Infrastrukturen profitieren. Für Kernmaterialien, insbesondere solche, die Aktinide enthalten, oder bestrahlte Proben besteht ein dringender Bedarf an einer speziellen Infrastruktur, die den Besonderheiten dieser Materialien gerecht wird. Für uranhaltige Proben kann häufig Standardausrüstung verwendet werden, nachdem Kontaminationsrisiken beseitigt wurden. Für Proben, die ihre Umgebung aktivieren oder radiologisch bedenklich sein können, müssen jedoch spezielle und strahlengeschützte Versuchsanlagen verwendet werden.

KTH beherbergt eines der beiden Universitätslabore in Schweden, das sich mit der Herstellung, Exposition, Charakterisierung und Analyse von Kernbrennstoffen befasst, jedoch nicht mit Materialien, die aktiver sind als unbestrahltes Uran. Das KTH verfügt außerdem über spezielle Laboratorien für schwere Unfälle, die sowohl für separate Wirkungsstudien als auch für integrierte Tests beispielsweise mit Coriumsimulanzien genutzt werden. Bei Chalmers gibt es ein spezielles Brennstofflabor, das mit aktiven Materialien umgehen kann. Die Universität Uppsala beherbergt die nationale Ionenstrahlanlage, die für Implantationen, Studien zu Strahlenschäden und Materialcharakterisierung verwendet wird. Die Technische Universität Luleå beherbergt das Tribolab, das über eine breite Palette hochmoderner tribologischer Einrichtungen verfügt. Auf nationaler Ebene ist Schweden gut aufgestellt, um die Kernenergietechnologie voranzutreiben, aber es gibt immer noch keine klare nationale Forschungsstrategie, die die Unterstützung kritischer Infrastrukturen für den Kernenergiesektor umfasst.

Derzeit gibt es in Schweden zwei große Forschungszentren für Kernenergie, in denen die großen technischen Universitäten zusammenarbeiten und in denen die Nuklear- und Materialwissenschaftsindustrie aktive Interessenvertreter sind.

Das ANItA-Zentrum, das 2022 eröffnet wurde und an der Universität Uppsala angesiedelt ist, ist ein Kompetenzzentrum, dessen Zweck darin besteht, akademische und industrielle Kerntechnologiekompetenz sowohl in technischen als auch nichttechnischen Bereichen zu sammeln. Das Zentrum wird zunächst von der schwedischen Wissenschaft – in Form der KTH, der Universität Uppsala und der Technischen Universität Chalmers –, der schwedischen Atomindustrie und der schwedischen Energieagentur finanziert.

Die Ziele von ANItA bestehen darin, durch Forschung und Entwicklung eine wissensbasierte Entscheidungsunterstützung zu generieren, die auf die schnelle und sichere Implementierung neuer Kernenergietechnologie in Schweden abzielt. Dies soll es Schweden ermöglichen, eine völlig fossilfreie Nation zu werden. Weitere Schwerpunkte sind die Generierung neuer nationaler kerntechnischer Expertise zur Gewährleistung des sicheren Betriebs bestehender und künftiger Kernkraftwerke, der Austausch von faktenbasiertem Wissen im Bereich der Kerntechnik, die Entwicklung zu einer technischen Unterstützungsorganisation für Politik, Behörden und Gesellschaft Schaffung guter Bedingungen für die schwedische Industrie und das gesellschaftliche Leben, um von einer guten Energieversorgung zu profitieren, wodurch die schwedische Industrie zu einem wichtigen Partner für internationale Reaktorlieferanten werden kann. Das ANItA-Zentrum arbeitet hauptsächlich mit wassergekühlter kleiner modularer Reaktortechnologie.

Das SUNRISE-Zentrum an der KTH in Stockholm, das hauptsächlich von der schwedischen Stiftung für strategische Forschung finanziert wird, wurde 2021 als fokussierte Kooperationsplattform gegründet, an der Forscher der KTH, der Technischen Universität Luleå und der Universität Uppsala beteiligt sind. Das Zentrum bringt auch internationale Universitätspartner und einen großen Teil der schwedischen Industrie aus den Bereichen Kernenergie, Materialwissenschaft und Entwicklung zusammen.

Das Hauptziel von SUNRISE ist die Entwicklung und Ermöglichung des Einsatzes bleischneller Reaktortechnologie. Diese Reaktorsysteme können als zentraler Bestandteil eines geschlossenen Kernbrennstoffkreislaufs der Generation IV fungieren, indem sie den hochradioaktiven und langlebigen Abfall drastisch reduzieren und gleichzeitig sichere, saubere und flexible Energie bereitstellen. Die Forschung im SUNRISE-Zentrum konzentriert sich auf Reaktorphysik und -design, Materialwissenschaft und Prozesstechnologie sowie kombinierte Versuchs- und Modellierungsprogramme, um auf die Einrichtung eines bleigekühlten Forschungs- und Demonstrationsreaktors in Schweden hinzuarbeiten. SUNRISE verbindet die drei Partneruniversitäten mit einer Vielzahl von Kooperationspartnern. Am stärksten impliziert sind LeadCold Reactors, Westinghouse Electric Sweden und Alleima EMEA. An SUNRISE beteiligten sich jedoch auch Uniper, Jernkontoret, Promation, Outokumpu, Safetech, Vattenfall und Vysus Group, die industrielle Interessengruppen sind, die Gemeinde Oskarshamns und die schwedische Strahlenschutzbehörde, die beide die Entwicklung verfolgen, sowie das MIT in den USA und die Universität Bangor in das Vereinigte Königreich und die UNSW in Australien, die internationale akademische Partner sind.

Die Arbeit in SUNRISE ist in fünf Arbeitspakete gegliedert. Der erste Schwerpunkt liegt auf dem Design und der Sicherheitsanalyse des bleigekühlten Forschungsreaktors. Ziel ist es, mit Unterstützung externer Organisationen einen vorläufigen Sicherheitsanalysebericht (PSAR) des Reaktors zu erstellen, der bei der schwedischen Strahlenschutzbehörde (SSM) im Rahmen eines Antrags auf den Bau eines solchen Reaktors eingereicht werden kann, wenn eine Finanzierung erfolgt andere Quellen erhalten.

Im zweiten Arbeitspaket zur Entwicklung und Modellierung von Hochleistungsstählen werden tonerdebildende Stähle und Materialien für Pumpenlaufräder entwickelt und optimiert, mit Unterstützung der thermodynamischen Modellierung. Für mechanische, Erosions- und Bestrahlungstests werden Prüfmuster und Bauteilprototypen hergestellt. Die Modellierung der Bestrahlungsleistung, der Versprödung und der Wechselwirkung zwischen Blei und Aluminiumoxid erfolgt mithilfe von Ab-initio-Methoden und Multiskalenansätzen.

Im dritten Arbeitspaket entwickeln und testen wir neuartige Materialien, Beschichtungen und Fertigungstechniken. Die Hauptaufgabe besteht darin, Materialien und Prozesse zu qualifizieren, um den Schutz bleibelasteter Bauteile zu gewährleisten. Im Tribolab in Luleå werden Fretting-Tests an Aluminiumoxid bildenden Stählen in einer Hochtemperaturumgebung mit flüssigem Blei durchgeführt. Es wird das Funkenplasmasintern von Hartmetallen auf Wolframbasis mit minimalen metallischen Bindungszusätzen entwickelt und die Feststoffe werden rauen Bedingungen ausgesetzt, getestet und analysiert. Das Laserschweißen verschiedener Aluminiumoxid bildender Stahlüberzüge auf fortschrittlichen austenitischen Hüllrohren in Kernqualität ist im Gange.

Die Brennstoffentwicklung steht im Mittelpunkt des vierten Arbeitspakets, in dem Urannitrid-Brennstoffpellets mit simulierten Spaltprodukten mithilfe von Funkenplasmasintertechniken hergestellt werden. Es werden verschiedene Porositäten erzeugt, um den Effekt der Blasenbildung nachzuahmen. Simulierte Spaltprodukte werden mithilfe verschiedener Methoden eingeführt, darunter auch solche, die im dritten Arbeitspaket entwickelt wurden. Die Verschlechterung der Kraftstoffleistung durch Abbrand wird durch Messung der Wärmekapazität, der Wärmeleitfähigkeit, der Wärmeleitfähigkeit und der Wärmeausdehnung hergestellter Simkraftstoffproben bewertet. Um die Auswirkungen von Spaltprodukten zu bestimmen, werden Brennstoffumhüllungs- und Brennstoff-Kühlmittel-Interdiffusionsexperimente durchgeführt, und Stablecktests werden durchgeführt, um die Leistung unter Unfallbedingungen zu bewerten. Darüber hinaus wird eine Reihe thermodynamischer Bewertungen von Brennstoff-Umhüllungs-Kühlmittelsystemen durchgeführt, die in die von der OECD/NEA organisierte Entwicklung der Thermodynamics of Advanced Fuels – International Database (TAF-ID) einfließen.

Das letzte Arbeitspaket entwickelt experimentelle Testanlagen für Komponenten und Materialien in einer bleischnellen Reaktorumgebung. In diesem Arbeitspaket werden mehrere experimentelle Prüfstände zur Erprobung und Qualifizierung von Komponenten für den Forschungsreaktor konzipiert, gebaut und eingesetzt. Eine Erodieranlage wird zur Qualifizierung von Pumpenlaufrädern sowie Brennstoffhüllen und Dampferzeugerrohren in prototypischen Bleiströmungsregimen bei Temperaturen bis zu 750 °C eingesetzt. Separate Wirkungstests werden in einer kleineren Anlage durchgeführt. Modelle mit transparenten Flüssigkeiten werden zur Validierung von Modellen zur Vorhersage turbulenter Strömungseigenschaften in Einrichtungen verwendet, die flüssiges Blei verwenden.

Zu den jüngsten Durchbrüchen von SUNRISE gehören die Entwicklung versprödungsfreier, korrosions- und erosionstoleranter Aluminiumoxid bildender Stähle für den Einsatz in schnellen Bleireaktoren, die Entwicklung fortschrittlicher Modellierungsrahmen, mit denen Hochdosisbestrahlungssimulationen direkt auf der Grundlage der Grundprinzipien der Atomistik durchgeführt werden können, und von neuartige mechanische und thermomechanische Tests fortschrittlicher Kernbrennstoffstrukturen, hier Urannitrid und simulierte Abbrandbrennstoffe, die inaktive Spaltproduktsimulanzien enthalten. Im Rahmen von SUNRISE werden am KTH spezielle Infrastrukturen für die Materialbelichtung und -prüfung in Betrieb genommen und gebaut. Strömungsbeschleunigte Korrosion/Erosion ist ein sicherheitsrelevantes Phänomen in schnellen Bleireaktoren, und SUNRISE-Forscher bauen eine Anlage, die flexibel von separaten Effektstudien mit linearen Strömungsgeschwindigkeiten von 0-20 m/s und Reynolds-Zahlen bis zu einer Million umgeschaltet werden kann. bis hin zu Langzeittests kritischer Komponenten.

In Zusammenarbeit mit der University of New South Wales in Australien ist SUNRISE ein wichtiger Partner bei einem Antrag auf Neutronenstrahlzeit bei ANSTO, dem kürzlich ein dreijähriger Programmzugang zugesprochen wurde. Dies wird eine tiefgreifende Charakterisierung der thermischen, elastischen und mechanischen Eigenschaften neuartiger Brennstoff- und Strukturmaterialien für ein breites Spektrum von Bedingungen durch den Einsatz von Neutronenstreuung ermöglichen.

Der zweite Schritt im von SUNRISE initiierten Forschungs- und Entwicklungsprogramm namens Solstice ist der Entwurf, der Bau und der Betrieb einer elektrisch beheizten Großexperimentieranlage, die zum Testen von Materialien, Komponenten, Wartungsprotokollen sowie geplanten und geplanten Tests verwendet wird Unfalltransienten, die in einem LFR auftreten können. KTH hat in Zusammenarbeit mit LeadCold und Uniper von der schwedischen Energieagentur eine Finanzierung für das Solstice-Projekt zum Bau der Anlage in Oskarshamn am Standort des Kernkraftwerks OKG erhalten. Die Anlage wird die Sicherheits- und Leistungsstudie für den in SUNRISE entwickelten Forschungs- und Demonstrationsreaktor abschließen. Ziel der Industriepartner des Solstice-Projekts ist es, Argumente für die künftige Kommerzialisierung der bleischnellen Reaktortechnologie zu liefern. Das strategische Ziel besteht darin, SMRs als nachhaltige und sichere Lösung für planbare und flexible Basisenergie zu etablieren, um sie zu einem Teil einer Kreislaufgesellschaft zu machen. Da der globale Markt finanziell tragfähig und skalierbar ist, kann er mit Produkten und Dienstleistungen wie Strom, hochwertiger Wärme, Wasserstoff, Biokraftstoffen, Elektrokraftstoffen und Nebendienstleistungen bedient werden.

Fortschrittliche und nachhaltige Kernreaktoren mit passiver Sicherheit und automatisierter Produktion bieten alle Vorteile herkömmlicher Kernreaktoren, sind jedoch wesentlich vielseitiger und flexibler. Fortschrittliche SMRs können zur Lösung werden, die die Einführung einer klimaneutralen Stromproduktion in großem Maßstab ermöglicht und gleichzeitig zusätzliche Vorteile für eine nachhaltige Gesellschaft bieten kann.

Bitte beachten Sie, dass dieser Artikel auch in der dreizehnten Ausgabe unserer vierteljährlichen Publikation erscheinen wird.

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