Nukleare Pellets: Mikroreaktor von Start-up erreicht kritischen Zustand

Der rapide Anstieg beim Energieverbrauch, u.a. durch den Stromhunger von KI-Rechenzentren, bringt die Kernenergie zurück auf den Plan. Zwar gäbe es auch Alternativen, wie erneuerbare Energien, aber weil US-Präsident Trump nichts von Sonnen- und Windenergie hält, heißt es für die USA: zurück zum Uran.

Ein Kernkraftwerk zu errichten ist aber eine teure und lange Angelegenheit. Inklusive Planungs- und Genehmigungsphase vergehen üblicherweise mehr als 10 Jahre, bis ein Akw steht und Strom liefert. Weil der Strom aber jetzt benötigt wird, wird viel Hoffnung in Mikroreaktoren gesetzt. Diese sind kleiner, billiger, leichter zu bauen und sicherer. Künftig könnte jede Siedlung und jedes Rechenzentrum, so zumindest die Idee, eigene Atomreaktoren haben.

Um diese Vision Wirklichkeit werden zu lassen, hat das US-Energieministerium im Mai 2025 RPP (Reactor Pilot Program) gestartet. Das Ziel: Bis zum 4. Juli 2026 sollen mindestens 3 solcher Reaktoren Kritikalität erreichen. Jetzt hat es der Erste geschafft.

Antares Mark-0

Der Mark-0 wird von Antares gebaut. Der Test fand beim Idaho National Laboratory (INL), mit Erlaubnis des US-Energieministeriums, statt.

Erreicht ein Atomreaktor die Kritikalität (kritischer Zustand), kann darin die selbsterhaltende Kettenreaktion ablaufen. Das heißt, es muss keine Energie extern zugeführt werden, um die Kernspaltung am Laufen zu halten. Der kritische Zustand ist der normale Betriebszustand eines Reaktors und die Voraussetzung, damit er später zur Stromerzeugung genutzt werden kann.

Erst vor 3 Jahren gegründet

Antares wurde 2023 gegründet. Noch beachtlicher ist, dass laut dem Start-up zwischen dem Konzept bis zum Mikroreaktor im kritischen Zustand weniger als 12 Monate vergangen sind. Möglich wurde das nicht zuletzt durch die Geldgeber. Bisher wurden über 140 Millionen US-Dollar an Investitionen gesammelt.

Das große Vertrauen in Antares dürfte auch an den Vereinbarungen liegen, die das Start-up mit den US-Streitkräften und der NASA hat. Denn Antares will, im Gegensatz zu vielen anderen Unternehmen, die an RPP teilnehmen, seinen Mikroreaktor nicht zuerst der Industrie oder Tech-Riesen für Rechenzentren zur Verfügung stellen, sondern dem Militär.

Bereits 2028 soll der erste Reaktor einsatzfähig sein, um Stützpunkte der US-Streitkräfte im In- und Ausland mit Strom zu versorgen, völlig unabhängig vom lokalen Stromnetz. Damit der Zeitplan hält, muss der Mikroreaktor als Nächstes Strom erzeugen. Das wird aber nicht mit dem Mark-0 passieren – der dient lediglich als Proof-of-Concept und um die Sicherheit zu testen. Mark-1 soll 2027 am INL Strom produzieren.

Nukleare Pellets und Billardkugeln

Eine der wichtigsten Komponenten des Mikroreaktors ist TRISO (Tri-Structural Isotropic). Dabei handelt es sich um einen modernen Reaktor-Brennstoff. Derzeit wird TRISO nur bei ein paar wenigen experimentellen Reaktoren verwendet und beim kommerziellen, chinesischen Kugelhaufenreaktor HTR-PM.

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Ein sogenanntes TRISO-Partikel hat einen Kern aus Uran, Kohlenstoff und Sauerstoff. Der Kern ist umhüllt von 3 Schichten, die aus Kohlenstoff und Keramik bestehen. Diese verhindern, dass bei der Kernspaltung entstehende, radioaktive Produkte nach außen dringen.

Diese Partikel sind sehr robust, obwohl sie lediglich so groß sind wie Mohnsamen. Die Partikel werden in eine Graphit-Matrix eingelassen. Das Endresultat sind keine großen Stangen, wie bei gewöhnlichem Brennstoff, sondern zylinderförmige Pellets oder Kugeln, die in etwa die Größe von Billardkugeln haben.

Hohe Sicherheit

Bei Tests hielten diese Pellets und Kugeln Temperaturen von 1.800 Grad Celsius stand, ohne signifikanten Schaden zu nehmen. Dies übertreffe laut dem US-Energieministerium die Temperaturen, die bei einem Worst-Case-Szenario in einem Hochtemperaturreaktor bei einem Unfall entstehen können.

Weil der Brennstoff also bereits Schutzmechanismen eingebaut hat, eignet er sich gut für Mikroreaktoren: Die können dann nämlich kleiner, günstiger und transportabel gebaut werden. Um auf Nummer sicher zu gehen, hat Antares’ Reaktor trotzdem einen Graphitmantel, um eventuell entweichende Neutronen zu verlangsamen.

Laufzeit statt Leistung

Wie bei gewöhnlichen Kernreaktoren wird auch bei TRISO-Reaktoren Hitze mittels Kernspaltung erzeugt. Für die Stromproduktion wird der Antares-Reaktor die Hitze mittels flüssigem Natrium zu einem Wärmetauscher transportieren. Die Hitze wird dort auf unter Druck stehendem Stickstoff übertragen, der schließlich die Turbine antreibt, die den Strom erzeugt.

Wenn alles nach Plan läuft, sollte dieses System bereits beim Mark-1 funktionieren, wenn dieser nächstes Jahr getestet wird. Der 2028 einsatzbereite Reaktor namens R1 soll dann modular, transportabel und für eine Leistung von 100 kW bis 1 MW ausgelegt sein. Der TRISO-Brennstoff soll für über 6 Jahre reichen, bevor er ausgetauscht werden muss.

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Die Leistung wirkt, verglichen mit den anderen RPP-Teilnehmern, gering. Die streben nämlich zwischen 5 und 10 MW für ihre Mikroreaktoren an. Laut Antares ist das Absicht. Man habe, aufgrund des geplanten, militärischen Einsatzzwecks, bewusst den Reaktor für Langlebigkeit, Ausfallsicherheit, Transport und schnelle Produktion optimiert, statt für die maximal mögliche Leistung.