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Nukleare Kraft-Wärme-Kopplung

Kernkraftreaktoren sind bislang hauptsächlich für die Stromerzeugung ausgerichtet. EU-finanzierte Wissenschaftler und Ingenieure haben ein innovatives Konzept für Kernreaktoren der nächsten Generation, welche Wärme und Kraft zu industriellen Zwecken koppeln, der Umsetzung einen Schritt näher gebracht.
Nukleare Kraft-Wärme-Kopplung
In einem konventionellen Kraftwerk geht oftmals die während der Erzeugung von Elektrizität produzierte Wärme verloren. In einer Anlage zur Kraft-Wärme-Kopplung wird die Wärme hingegen zur Verwendung in der Industrie und sogar in Privatgebäuden verwertet. Es wird damit gerechnet, dass durch Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) das Energieeffizienzniveau auf etwa 90 % angehoben werden kann.

Gasgekühlte Hochtemperatur-Kernreaktoren (HTRs) können Dampfzustände schaffen, die mit denen konventioneller KWK-Anlagen vergleichbar sind. Da sich diese gut für die Kraft-Wärme-Kopplung eignen, haben EU-finanzierte Forscher gemeinsame Anstrengungen unternommen, um technische Unterstützung für ein nukleares KWK-Konzept zu bieten, das verspricht, Strom und Wärme in einem großen Maßstab an die Industrien zu liefern, ohne auf fossile Brennstoffe zurückzugreifen.

Das Ziel des Projekts ARCHER (Advanced high-temperature reactors for cogeneration of heat and electricity R&D) bestand in einer Ausweitung der europäischen Technologien für hohe und Höchsttemperaturen durch die Einbindung der neuesten Fortschritte. Die Initiative umfasste die Kooperation zwischen europäischen und internationalen Partnern aus Asien, den Vereinigten Staaten und Südafrika.

Die ARCHER-Partner untersuchten eine Einbindung der nuklearen KWK in industrielle Prozesse. Basierend auf echten Nutzerdaten von einer Erdölraffinerie und petrochemischen Anlage wurde eine geeignete Fallstudie für diese KWK-Einbindung ausgewählt. Ausgehend von dieser Kopplungsuntersuchung folgte die Schlussfolgerung, dass eine HTR-Kopplungsanlage industrielle Standorte unterstützen kann, für die ein Prozessdampf mit Temperaturen von bis zu 600 °C erforderlich ist.

Ein weiterer HTR-Vorteil sind die herausragenden Sicherheitsaspekte. Es wurden fokussierte FuE und Modellierungsuntersuchungen durchgeführt, um zusätzliche Erkenntnisse über das Verhalten des Systems unter Unfallbedingungen zu erhalten. Die experimentelle Arbeit zum Eindringen und zur Mobilisierung von Staub bspw. führte zu einer wesentlichen Erweiterung der bestehenden Wissensbasis und des Verständnisses hinsichtlich des Systems.

Die Forschungs- und Entwicklungsmaßnahmen zielten ebenfalls auf HTR-Brennstoffe und Hochtemperaturmaterialien ab. Eine hochmoderne Nachbestrahlungsuntersuchung von HTR-Kraftstoffablagerungen und Surrogatteilchen lieferte wertvolle Erkenntnisse zu den Brennstoffleistungscodes. Das Verhalten von HTR-Brennstoffabfall wurde zudem unter langfristigen Entsorgungsbedingungen erforscht.

Materialien wie Graphit für den Reaktorkern, die ein bestimmtes Maß an Ausgereiftheit erreicht haben, wurden für die Entwicklung eines Demonstrators in Erwägung gezogen. Die Projektwissenschaftler machten zudem Empfehlungen zu nickelbasierten Materialien für eine Verwendung in Hochtemperatur-Wärmetauschern. Es wurde ein Zwischenwärmetauschermodell entwickelt, um einen Entwurf für die Ausweitung der HTR-Anwendung auf höhere Temperaturen zu validieren.

Es gibt in der EU derzeit nur wenige Alternativen zur industriellen Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen. Die ARCHER-Ergebnisse bestätigen, dass es keine technischen Hindernisse für die Entwicklung nuklearer KWK-Systeme gibt. Auch wenn je nach Implementierungsstandort und Konfiguration spezifische Untersuchungen notwendig sind, wurde die Gültigkeit und Machbarkeit der Einbindung einer nuklearen KWK in industrielle Prozesse demonstriert.

Verwandte Informationen

Fachgebiete

Nuclear Fission

Schlüsselwörter

Kraft-Wärme-Kopplung, Kernreaktoren, Hochtemperatur, fossile Brennstoffe, Graphit
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