mini|400px|Aufbau eines SMR
Mit dem Begriff Small Modular Reactors (SMR; deutsch „kleine modulare Reaktoren“; auch umgangssprachlich als „Miniatomkraftwerk“ bezeichnet) werden kleine Kernreaktoren oder Kernkraftwerke bezeichnet, die verschiedenen Konzepten zufolge modular und teilweise kleiner als herkömmliche Reaktoren sein und daher z. B. in einer Fabrik vorgefertigt und anschließend an einen Montageort gebracht werden können. Es gibt mehr als 120 verschiedene Konzepte. Tatsächlich in Betrieb sind unter anderem ein Demonstrations-Projekt in China (HTR-PM) und zwei Reaktoren in Russland (KLT-40S), wobei letztere eine Abwandlung von üblichen Schiffsreaktoren sind.
Definition Der Begriff Small Modular Reactor bezeichnet nach heute gängiger Verwendung Kernreaktoren mit einer elektrischen Leistung von in der Regel bis zu 300 Megawatt (MWe). Anlagen mit sehr geringer Leistung im Bereich von etwa 1 bis 10 MWe werden häufig als „Mikroreaktoren“ (Micro Modular Reactors, MMR) eingeordnet. Das Attribut „modular“ bezieht sich darauf, dass wesentliche Komponenten des Primärkreises, insbesondere Reaktordruckbehälter und zugehöriger Kühlmittelkreislauf, in einem integrierten, fabrikgefertigten Modul zusammengefasst sind. Diese Module sind grundsätzlich transportfähig ausgelegt und können einzeln oder in Kombination mehrerer Einheiten eingesetzt werden.
In älteren Definitionen, insbesondere durch die Internationale Atomenergie-Organisation (IAEO), wurde der Begriff weiter gefasst: Unter „Small and Medium Sized Reactors“ verstand man sowohl kleine Reaktoren bis 300 MWe als auch mittelgroße Anlagen mit Leistungen bis etwa 700 MWe. In der heutigen Fachsprache wird der Begriff SMR überwiegend auf Reaktoren bis etwa 300 MWe beschränkt; für Anlagen mit höherer Leistung besteht keine einheitliche Einordnung.
Eigenschaften SMR sollen beispielsweise einen geringeren Aufwand vor Ort, eine höhere Risiko-Eindämmungseffizienz und eine höhere Sicherheit der verwendeten Kernbrennstoffe (viz. die Spaltmaterialien Uran oder Plutonium; evtl. auch Thorium) ermöglichen. Dazu ist u. a. auch die Entwicklung neuartiger Brennelemente notwendig, z. B. basierend auf dem vorgeschlagenen High-Assay Low-Enriched Uranium (HALEU) Brennstoff.
Die Reaktoren wurden auch vorgeschlagen, um Finanzierungsprobleme und Einsatzmöglichkeiten gegenüber konventionellen Kernreaktoren mit größerer Leistung (z. B. der europäische EPR oder der russische WWER) zu verbessern. Dazu zählen z. B. die hohen Investitionskosten oder Aufwände bei der Zulassung uvm.
Geschichte Erste Anwendungen kleiner Kernreaktoren Kleine Kernreaktoren wurden bereits in den 1940er Jahren im Rahmen militärischer Forschungsprogramme in den Vereinigten Staaten entwickelt. Teilstreitkräfte wie Luftwaffe, Heer und Marine verfolgten unterschiedliche Konzepte. Während Versuche der Luftwaffe, kerngetriebene Flugzeuge zu realisieren, erfolglos blieben, gelang es der Marine, kompakte Reaktoren für U-Boote und Flugzeugträger zu entwickeln. Diese unterschieden sich jedoch in ihren Anforderungen deutlich von späteren zivilen Anwendungen. Im Rahmen des Army Nuclear Power Program entstanden zwischen den 1950er und 1970er Jahren mehrere kleine Reaktoren, darunter Anlagen in abgelegenen Regionen wie Grönland und der Antarktis. Der Betrieb war teilweise von technischen Problemen geprägt, etwa Leckagen und strukturellen Schäden. 1976 wurde das Programm eingestellt; als Gründe wurden unter anderem hohe Entwicklungs- und Betriebskosten genannt.
Parallel dazu förderte die United States Atomic Energy Commission (AEC) ab den 1950er Jahren die Entwicklung kleiner ziviler Leistungsreaktoren. Insgesamt wurden in den Vereinigten Staaten 17 Reaktoren mit einer elektrischen Leistung unter 300 MWe errichtet. Diese dienten vielfach als Demonstrations- und Prototypanlagen. Beispiele sind der Reaktor Elk River (Minnesota) und der La-Crosse-Siedewasserreaktor (Wisconsin). Mehrere dieser Anlagen wiesen technische Probleme, Verzögerungen beim Bau sowie im Vergleich zu fossilen Kraftwerken hohe Stromgestehungskosten auf. Alle derartigen Reaktoren sind heute stillgelegt. Innerhalb der AEC setzte sich bereits in den 1960er Jahren die Auffassung durch, dass größere Reaktoren wirtschaftliche Vorteile bieten (Skaleneffekte). Entsprechend verlagerte sich die Entwicklung hin zu Anlagen mit höherer Leistung. Bis in die 1970er Jahre stieg die typische Leistung neu errichteter Kernkraftwerke in den Vereinigten Staaten auf mehrere hundert bis über tausend Megawatt an.
Auch in anderen Ländern wurden kleinere Reaktoren errichtet, meist jedoch als Zwischenschritt hin zu größeren Einheiten. Ein Beispiel sind die in Indien gebauten Schwerwasserreaktoren mit einer Leistung von etwa 220 MWe, die später ebenfalls durch leistungsstärkere Varianten ersetzt wurden. Ab den 1980er Jahren wurde das Konzept kleiner, modular aufgebauter Reaktoren erneut aufgegriffen. Vor dem Hintergrund steigender Baukosten und Verzögerungen bei Großprojekten wurden fabrikgefertigte, standardisierte Anlagen vorgeschlagen, die durch Serienfertigung und kürzere Bauzeiten wirtschaftliche Vorteile bieten sollten.
Neuere Entwicklungen mini|Die Akademik Lomonossow, ein als SMR eingeordnetes schwimmendes Kernkraftwerk zur Energieversorgung von Pewek
Kleine Reaktorkonzepte werden unter anderem vor dem Hintergrund wirtschaftlicher Herausforderungen großer Kernkraftwerksprojekte sowie energiepolitischer Überlegungen im Zusammenhang mit Klimaschutz und Versorgungssicherheit diskutiert.
Nach Angaben der Nuclear Energy Agency (NEA) existierten Stand 2025 weltweit 127 Reaktorkonzepte, die als SMR eingeordnet werden. Die meisten dieser Konzepte befinden sich in frühen Entwicklungsphasen, ein Teil wird nicht weiterverfolgt; zahlreiche Projekte durchlaufen Vorlizenzierungs- oder Genehmigungsverfahren. Ein Großteil der weiter fortgeschrittenen oder bereits realisierten Konzepte basiert auf der Technologie der Leichtwasserreaktoren. Beispiele sind das schwimmende Kernkraftwerk Akademik Lomonossow (seit 2020 in Betrieb) sowie der argentinische Reaktor CAREM (seit 2014 im Bau). Daneben werden teilweise auch kleinere, seit längerem eingesetzte Reaktoren aus dem maritimen Bereich allein aufgrund ihrer Leistung als SMR eingeordnet, wodurch die Abgrenzung zu anderen Reaktortypen unscharf wird.
Neben Leichtwasserreaktoren umfassen zahlreiche Konzepte auch alternative Technologien mit anderen Kühlmitteln und Moderatoren, die teilweise zusätzliche Anwendungen wie Prozesswärmebereitstellung oder weitergehende Brennstoffzyklen ermöglichen sollen. Ein Teil dieser Entwicklungen wird als Advanced Modular Reactors bezeichnet und häufig der sogenannten „vierten Generation“ zugerechnet, wobei viele der zugrunde liegenden Konzepte bereits seit Jahrzehnten bekannt sind und teils in Prototypanlagen wie dem THTR-300 oder dem SNR-300 erprobt wurden. Als in Betrieb befindliche Anlagen, die dem SMR-Spektrum zugerechnet werden, gelten unter anderem der chinesische Hochtemperaturreaktor HTR-PM (seit 2023) sowie auch der japanische High-temperature engineering test reactor. Weitere Projekte, darunter ACP100 (China), RITM-200S (Russland), BREST-300 (Russland) und Hermes (Vereinigte Staaten), befinden sich im Bau.
Technik
mini|Die Reaktorentwicklung wird heutzutage von aufwendigen Modellierungen und Simulationen (Codes) begleitet. Das ehemalige Exascale Computing Project (ECP) demonstriert die Wechselwirkung von Neutronen innerhalb eines SMR-Reaktorkerns als Teil eines gekoppelten Monte-Carlo-Neutronenfluss- und Fluiddynamik-Simulatorprogramms, welches auf dem Supercomputer „Frontier“ des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) ausgeführt wurde. (2019) SMR sollen die Nutzung der zivilen und kommerziellen Kernenergie attraktiv machen und auch Kritiker überzeugen, indem sie so sicher gemacht werden sollen, dass im Falle eines Unfalls z. B. keine Evakuierungszonen mehr notwendig seien.
Die Konstruktion von Kernreaktoren findet als Teil der Kerntechnik statt und baut auf der Reaktorphysik und Reaktortechnik auf. Grundlegende Ingenieurwissenschaften wie der Maschinenbau oder Elektrotechnik sind für die Anlagen notwendig. Des Weiteren sind Wissen aus dem Anlagenbau, Automatisierung, Instrumentierung und entsprechende Leitsysteme notwendig.
Die SMR-Anlagen sollen außerdem eine Kombination mit der Stromproduktion aus erneuerbaren Energien (EE) berücksichtigen, da sie im Gegensatz zu großen Kern-(kraftwerken) flexibler, nämlich im Falle von Produktions- und Nachfrageschwankungen schnell ab- oder zuschaltbar werden sollen. Nach Analysen der Nuclear Energy Agency (NEA) soll das Potenzial der SMR in Stromnetzen mit einem hohen Anteil an Erneuerbaren sogar am größten sein. Die Tatsache, dass „klassische“ Kernkraftwerke z. B. vom Typ Konvoi zum Lastfolgebetrieb in der Lage sind, und diesen auch in der Praxis nachgewiesen haben, wird dabei jedoch gerne unerwähnt gelassen.
Auch die Planung der Dekommissionierung, der Abbau und die Entsorgung soll reibungsloser als mit gewöhnlichen Kernkraftwerken z. B. in einer Fabrik durchgeführt werden könnten.
Kernenergiewirtschaft Offen ist bisher die Frage, zu welchen Kosten Strom mit SMR-Anlagen produziert werden kann. Schätzungen gehen von Stromgestehungskosten von USD 120/MWh aus. Ein von der Firma NuScale Power zusammen mit dem Energieversorger Utah Associated Municipal Power Systems (UAMPS) geplantes Projekt in Idaho (siehe auch das Idaho National Laboratory) sollte Stand Anfang 2023 USD 102/MWh erreichen, wenn man die Subventionen herausrechnete. Das Projekt wurde im November eingestellt, weil die ursprünglich für die Errichtung geplanten Kosten von 5,3 Milliarden Dollar auf bereits 9,3 Milliarden Dollar gestiegen waren. Zum Vergleich der Stromkosten: Nach Schätzungen aus dem April 2023 erreichen Solarfreiflächenanlagen Stromgestehungskosten von USD 24 bis USD 96/MWh, allerdings mit erheblich niedrigerem Leistungskredit.
SMR-Unternehmen
Derzeit gibt es weltweit kein Unternehmen, das einen modularen, also in einer Fabrik vorgefertigten Reaktor anbietet oder baut. Alle ventilierten Modelle sind nur Planungen in verschiedenen Stadien. Die folgenden SMRs werden sowohl von bekannten als auch von neuen Unternehmen beworben. Dazu zählen z. B.
China Nuclear Power Engineering Group (Teil der CNNC) (ACP100) Copenhagen Atomics arbeitet an einem kleinen, modularen Thorium-Flüssigsalzreaktor (100 MWth) Doosan (SMART) Framatome (LW-SMR) Holtec International (SMR-160) NuScale (VOYGR) Oklo Rolls-Royce SMR Toshiba Energy Systems & Solutions (verschiedene Designs/Studien) Westinghouse (AP300) GEH, Konsortium General Electric-Hitachi (BWRX-300)Beschreibung auf der GE-Vernova-Website
Reaktortypen In der Studie GRS 376 (siehe unten) wurden über 69 SMR-Konzepte identifiziert, darunter die Verteilung auf die folgenden Reaktortypen:
32 Leichtwasserreaktoren (LWR) 22 flüssigmetallgekühlte Brutreaktoren (LMR) 2 Schwerwasserreaktoren (HWR) 9 gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren (GCR) 4 Flüssigsalzreaktoren (MSR)
Projekte Im folgenden Abschnitt werden verschiedene Projekte und Prototypen beschrieben.
Prototypen Das schwimmende Kernkraftwerk Akademik Lomonossow hat als Ersatz für das Kernkraftwerk Bilibino 2020 die Strom- und Wärmeversorgung von Pewek, einer 4.000-Einwohner-Stadt in Sibirien an der Tschuktschensee sowie angrenzender Bergwerke übernommen. Es wurde seit 2007 im St. Petersburger Hafen auf einer 150 m langen Barke mit zwei Druckwasserreaktoren vom Typ KLT-40C mit je 35 MW Leistung gebaut.