Kohlemangel: Ist Atomheizung die Lösung?

Haiyan in Zhejiang und Haiyang in Shandong haben nacheinander Projekte zur Kernenergieheizung abgeschlossen, die dem Lebensunterhalt der Menschen zugute kommen. Es gibt jedoch Gerüchte, dass die Erwärmung von Wasser mithilfe von Kernenergie radioaktiv sei. Was ist die Wahrheit?

Vor dem Hintergrund der Reduzierung der Kohlendioxidemissionen und der Kohlenstoffneutralität ist die Kernenergie offiziell in unser Leben „eingezogen“.

Nach Angaben der China National Nuclear Corporation wurde am 3. Dezember in Haiyan (Zhejiang) das erste Kernenergie-Heizprojekt im Süden meines Landes, das Zhejiang Haiyan Nuclear Energy Heating Demonstration Project (Phase I), offiziell in Betrieb genommen. Die Heizfläche beträgt 460.000 Quadratmeter und versorgt fast 4.000 Haushalte. Bis zum Ende des 14. Fünfjahresplans werden alle Projekte abgeschlossen sein und den Heizbedarf von etwa 4 Millionen Quadratmetern in Haiyan decken können.

„Kernenergieheizung ist ein Großprojekt für die Lebensgrundlage der Menschen und die öffentliche Meinung.“ Yu Bing, stellvertretender Direktor der Nationalen Energieverwaltung, sagte bei der Inbetriebnahmezeremonie des Projekts, dass die China National Nuclear Corporation ein Referenzprojekt erstellen, Erfahrungen zusammenfassen und gemeinsam die gesunde Entwicklung der Kernenergieheizung fördern sollte. Es sollte das Projekt sinnvoll nutzen, Aktivitäten zur Popularisierung der Wissenschaft „Warm Nuclear“ organisieren, gute Arbeit in der öffentlichen Kommunikation leisten und ein gutes Umfeld für die Kernenergieheizung schaffen.

Zufällig wurde am 9. November in Haiyang, Shandong, die 4,5 Millionen Quadratmeter große zweite Phase des kommerziellen Demonstrationsprojekts für Kernheizung der National Energy in Betrieb genommen. Das Heizgebiet deckt das gesamte Stadtgebiet von Haiyang ab und kommt 200.000 Einwohnern zugute. Haiyang ist die erste Stadt des Landes, die mit CO2-neutraler Heizung arbeitet.

Kernenergie ist eine wirksame Methode zur Lösung von Energie- und Umweltproblemen. Daten zeigen, dass allein in Haiyang in der Provinz Shandong durch die Kernenergieheizung jährlich fast 100.000 Tonnen Rohkohle eingespart und der Kohlendioxidausstoß um 180.000 Tonnen sowie der Ausstoß von Stickoxiden um Tausende Tonnen reduziert werden können. Dies ist in diesem Jahr, in dem die Versorgung mit fossilen Energieträgern relativ empfindlich ist, besonders bemerkenswert.

Dennoch haben viele Bürger noch immer Angst vor dem Wort „Atomkraft“. Atomkraftwerke gelten als unsicher und es gibt sogar Gerüchte, dass das durch Kernenergie erzeugte Heizwasser radioaktiv sei. Wie ist die tatsächliche Situation? Ist Kernenergie eine gute Lösung gegen Kohleknappheit?

▲Am 5. Dezember 2021 erhielten die Bewohner der Gemeinden Nuclear Power New Village, Maple Leaf und Nuclear Power Nanyuan im Kreis Haiyan, Jiaxing, Zhejiang, eine Zentralheizung in ihren Häusern (Fotoquelle/Visual China)

F1: Wie wird Kernenergie erhitzt?

In der Öffentlichkeit ist der Begriff „Atomkraft“ am geläufigsten und die direkteste Anwendung der Kernenergie scheint die Stromerzeugung zu sein. Tatsächlich ist das Prinzip der Stromerzeugung in Kernkraftwerken, insbesondere in Großreaktoren, dem in herkömmlichen Wärmekraftwerken sehr ähnlich. Einfach ausgedrückt geht es darum, „Wasser zum Kochen zu bringen“. Daher können auch Kernkraftwerke wie Wärmekraftwerke eine Kraft-Wärme-Kopplung erreichen, das heißt, sie können Strom erzeugen und Wärme bereitstellen.

Einer der häufigsten Reaktortypen in Kernkraftwerken ist der Druckwasserreaktor, der auch im Kernkraftwerk Haiyang zum Einsatz kommt. Bei diesem Reaktortyp handelt es sich um einen in einem „Schnellkochtopf“ eingebauten Kernreaktor. Das gesamte System besteht aus drei Kreisläufen: Einer der Kreisläufe ist der Kern des Kernkraftwerks, der dem Kessel eines Wärmekraftwerks entspricht. Nachdem hier die Kernspaltungsreaktion stattgefunden hat, entsteht enorme Hitze, die das unter hohem Druck stehende Wasser auf über 300 °C erhitzt.

Das Wasser im Sekundärkreislauf durchläuft den Dampferzeuger, nimmt die Wärme des Dampfes im Primärkreislauf auf und wandelt sich in gesättigten Dampf um, der dann die Dampfturbine zur Arbeit antreibt und sich in Kondenswasser verwandelt. Die Temperatur dieses Kondenswassers liegt grundsätzlich über 90 Grad, daher muss es vor der Verarbeitung gekühlt werden.

Wenn eine Erwärmung erforderlich ist, gelangt das Wasser im zweiten Kreislauf in einen weiteren Wärmekonverter, um eine weitere Wassercharge zu erhitzen. Dies kann auch als Erhitzen des Wassers im dritten Kreislauf bezeichnet werden. Dieser Vorgang kann bis zum vierten, fünften oder sogar noch weiteren Kreislauf fortgesetzt werden. Das schließlich ausgegebene Wasser wird zu „Heizwasser“, das an die Häuser der Bewohner geliefert wird.

Neben den Großreaktoren gibt es einen weiteren Reaktortyp zur Kernheizung, die sogenannten Poolreaktoren. Der Name lässt vermuten, dass die Energiegewinnung in einem Wasserbecken erfolgt, und tatsächlich ist es so: Die Brennstäbe werden in ein Becken mit gereinigtem Wasser gelegt. Das Wasser kann als Moderator und Kühlmittel sowie als reflektierendes Schicht- und partielles Schutzschichtmaterial verwendet werden. An den Seiten und am Boden des Beckens befinden sich außerdem dicke Abschirmschichten aus Beton, um die Strahlung wirksam zu verhindern.

Wenn eine Beheizung erforderlich ist, wird der Reaktorkern tief in ein Wasserbecken mit Normaldruck gelegt und der statische Druck der Wasserschicht wird genutzt, um die Wassertemperatur am Kernauslass zu erhöhen und so den Heizbedarf zu decken. Durch einen zweistufigen Austausch wird die Wärme in den Heizkreislauf übertragen und anschließend über das Wärmenetz an Tausende von Haushalten geliefert.

Erwähnenswert ist, dass Mantelwärmekraftwerke in der Regel nicht auf die Wärmeerzeugung spezialisiert sind, sondern auf Kraft-Wärme-Kopplung, das heißt, sie erzeugen hauptsächlich Strom und die restliche Energie wird zur Wärmeerzeugung genutzt. Das Projekt in Haiyang, Shandong, nutzt die Abwärme des Kernkraftwerks Haiyang.

▲ Schematische Darstellung der Kernenergieheizung von Haiyang (Fotoquelle: Shandong Nuclear Power Co., Ltd.)

F2: Warum heißt es, dass bei der Kernenergieerwärmung keine „Strahlung“ entsteht?

Für die Öffentlichkeit ist zunächst einmal klar, dass Kernenergieheizung nicht gleich Kernenergieheizung ist. Derzeit gibt es weltweit keine Technologie, die Kernbrennstoff direkt als Wärmequelle nutzen kann. Dies kann nur nach mehrschichtiger Medienkonvertierung erreicht werden.

Dieses Prinzip ähnelt stark dem selbsterhitzenden Hot Pot, den wir oft essen – Wasser wird als Medium verwendet, um das Heizelement zum Aufheizen anzutreiben und heiße Luft zum Erhitzen der Zutaten zu erzeugen. Bei diesem Vorgang kommt es zu keinem Kontakt zwischen Wasser und Zutaten.

Zurück zum Thema „Kernenergieheizung“: Egal, ob es sich um einen Beckenheizreaktor oder einen Mantelheizreaktor handelt, sie alle gewinnen Dampf als Wärmequelle, führen einen mehrstufigen Wärmeaustausch durch die erste Wärmeaustauschstation innerhalb der Anlage und die Wärmeaustauschstation des Heizunternehmens außerhalb der Anlage durch und übertragen die Wärme schließlich über das städtische Fernwärmenetz an den Endverbraucher.

Während des gesamten Vorgangs gibt es nur zwei Modi: „Dampf erhitzt Wasser“ und „Wasser erhitzt Wasser“. Zur Trennung des Kernkraftwerks und der Wärmeverbraucher sind mehrere Stromkreise vorhanden. Zwischen den einzelnen Kreisläufen findet lediglich eine Wärmeübertragung statt, kein Wasseraustausch, so dass keine radioaktiven Stoffe in die Heizungsrohre des Benutzers gelangen.

▲Kernkraftwerk Haiyang (Fotoquelle: The Paper)

Medienberichten zufolge nutzt die Kernheizung in Haiyang, Shandong, einen Teil des von den Kernkraftwerken erzeugten Dampfes als Wärmequelle, wandelt ihn über den Wärmetauscher im Kraftwerk in heißes Wasser um und transportiert es dann über das Rohrleitungsnetz zum Heizungsunternehmen. Der gesamte Prozess umfasst bis zu 5 Schaltkreise.

Ein anderer professioneller Ingenieur sagte, dass das heiße Wasser aus der ersten Wärmeaustauschstation des Kernkraftwerks, bevor es die Fabrik verlässt, mit Online-Überwachungs- und Isolationsgeräten getestet werde und dass zwischen den Kreisläufen ein Druckunterschiedsdesign angewendet werde, um eine sichere und zuverlässige Kernenergieheizung zu gewährleisten.

Was die Anwohner betrifft, so wurde nach der Untersuchung festgestellt, dass das von den Nutzern verwendete Wasser keine Radioaktivität aufwies und mit verschiedenen Indikatoren für einen normalen Wasserverbrauch übereinstimmte. „Sie können beruhigt sein, es ist sehr sicher.“

F3: Wird ein Kernheizkraftwerk „explodieren“?

Bei der Kernenergieheizung handelt es sich nicht nur um keine Strahlung, Kernkraftwerke sind auch sehr sicher.

Aus konstruktiver Sicht ist der Kernbrennstoff in einer speziellen Brennstoffhülle eingeschlossen und das Primärkreislaufsystem des Mantelrohrreaktors ist in einem geschlossenen Gebäude, dem sogenannten Containment, untergebracht. Durch die Eindämmung kann der Schutz der Öffentlichkeit und der Umwelt vor Beeinträchtigungen im Falle eines Unfalls in einem Kernkraftwerk maximiert werden.

Tatsächlich ist es so, dass Bier aufgrund seines zu geringen Alkoholgehalts nicht brennen kann. Auch die Konzentration von Uran 235, das als Brennstoff in Kernreaktoren verwendet wird, beträgt lediglich 3 bis 5 %, während für Atomwaffen eine Konzentration von über 95 % oder sogar mehr erforderlich ist, damit der Kernreaktor selbst nicht explodiert und keine Gefahr eines Lecks besteht.

Ausgehend von früheren Unfällen gibt es für eine Explosion in einem Kernkraftwerk nur einen Grund: Wassermangel.

Während des Stromerzeugungsprozesses müssen Kernkraftwerke kontinuierlich kaltes Wasser in die Reaktanten einspritzen, um eine Zirkulation zu erreichen. Wenn die Zirkulation stoppt, überhitzen die Reaktanten und schmelzen, was zu schweren Unfällen führt.

Das Kernkraftwerk Tschernobyl wollte nach einem Stromausfall Dampf zum Antrieb von Turbinen nutzen, um Strom zu erzeugen, und führte daher ein Experiment durch. Tragischerweise kam es jedoch während des Experiments zu einem Betriebsfehler, der zur Überhitzung des Reaktors und schließlich zu einer Kernschmelze, Explosion und einem nuklearen Leck führte.

▲ Kernkraftwerk der dritten Generation: Block 5 des Kernkraftwerks Yangjiang der China General Nuclear Power Group

Der Unfall im japanischen Atomkraftwerk Fukushima ist leichter zu verstehen. Nach dem Erdbeben wurden die Kernkraftwerksblöcke abgeschaltet. Nachdem die Dieselgeneratoren als Notstromaggregate eine halbe Stunde lang durchgehalten hatten, wurde das Stromnetz durch den Tsunami vollständig zerstört. Schließlich explodierten alle vier Blöcke und verursachten einen schweren Atomunfall.

Wenn auch im Heizwerk der Strom ausfällt, wird sich dann der gleiche Fehler wie in Tschernobyl wiederholen? Die Antwort lautet nein, denn alle in den letzten Jahren neu gebauten Kernreaktoren wurden zu Reaktoren der dritten Generation aufgerüstet. Im Vergleich zu Reaktoren der zweiten Generation wie Fukushima besteht ihr größtes Merkmal darin, dass sie über eine „nicht-aktive“ Kühlfunktion verfügen – sie können eine natürliche Zirkulationskühlung ohne externe Stromversorgung nutzen, was den Sicherheitsfaktor erheblich erhöht.

Bei Beckenreaktoren reagiert der Kernbrennstoff direkt im Wasser, und die erzeugte Energie hält die Wassertemperatur direkt bei etwa 100 Grad Celsius. Kühlwasser ist daher überhaupt nicht erforderlich. Dies vereinfacht die Komplexität des Energieumwandlungsgerätesystems und reduziert die Verluste im Energieumwandlungsprozess. Der Sicherheitsfaktor ist höher als bei herkömmlichen Mantelreaktoren.

F4: Wird die Kernenergieheizung in Zukunft große Verbreitung finden?

Verglichen mit anderen Heizformen, wie etwa der herkömmlichen fossilen Energie, weist die Kernenergieheizung ganz offensichtliche Umweltvorteile auf: Die Kernspaltung hat eine hohe Energiedichte und verglichen mit Kohlekesseln gleicher Leistung beträgt das jährliche Transportvolumen von Kernbrennstoff nur etwa ein Hunderttausendstel der Menge an Kohle; Durch die Kernenergieheizung können zudem die Kohlendioxidemissionen erheblich gesenkt werden, was den Anforderungen der „Kohlenstoffreduzierung“ und „Kohlenstoffneutralität“ entspricht.

Im Norden meines Landes ist die öffentliche Nachfrage nach Zentralheizung zum Haupthindernis für die Reduzierung der Kohlendioxidemissionen und die Kohlenstoffneutralität geworden. Unter diesem Druck werden thermische Kraftwerke es in Zukunft nicht leicht haben. Man kann sagen, dass die Realisierung der Kernwärme den Wärmekraftwerken neue Hoffnung gebracht hat.

Tatsächlich ist die Kernheizung kein neues Konzept. In Nordeuropa kam es bereits vor einem halben Jahrhundert zum Einsatz und auch die Sowjetunion baute Kernbrennstoffreaktoren. in meinem Land wurden bereits in den 1980er Jahren entsprechende Untersuchungen durchgeführt. Bereits Ende 2017 nutzten einige Bürogebäude des Atomenergieforschungsinstituts der China National Nuclear Corporation (NCC) den selbst entwickelten Niedertemperatur-Heizreaktor „Yanlong“ in Schwimmbadbauweise zur Beheizung.

Was also ist der Grund dafür, dass sich die Kernenergieheizung noch nicht durchgesetzt hat? Ein ganz wichtiger Grund sind wirtschaftliche Faktoren.

▲ Schematische Darstellung der Kernenergieheizung im Pool-Typ

Beckenheizreaktoren werden auch Kleinreaktoren genannt. Sie sind zwar praktisch und flexibel, doch beim derzeitigen technischen Stand geht dies zu Lasten der Heizleistung. Es kann nur in kleinen Bereichen wie Parks, auf Campusgeländen oder in Kleinstädten eingesetzt werden. Es kann der Allgemeinheit keinen Nutzen bringen und löst das wesentliche Heizproblem nicht. Stattdessen ist das Land einem großen wirtschaftlichen Druck ausgesetzt.

Die andere basiert auf bestehenden mittleren und großen Kernkraftwerken und nutzt den Entnahmedampf der Kernkraftwerke zur Wärmeversorgung des Wärmenetzes. Dieses Modell wird in Shandong Haiyang verwendet. Temperatur und Druck des Entnahmedampfes richten sich nach dem Bedarf des Wärmenetzes und der Länge der Wärmetransportleitung.

Doch auch dieses Modell hat Nachteile. Kernkraftwerke benötigen große Mengen Kaltwasser, was für den Bau im Landesinneren meines Landes, insbesondere in den wasserarmen nördlichen Regionen, nicht geeignet ist. Wenn wir zur Wärmeversorgung des Inlands lediglich eine Pipeline an der Küste bauen, wird nicht nur der Bau der Wärmeübertragungsanlage sehr teuer, sondern auch der Wärmeverlust beim Wärmeleitungsprozess wird enorm sein.

Zusammenfassend lässt sich unschwer feststellen, dass die Kernenergie zum Heizen zwar gut ist, sich jedoch nicht leicht in großem Maßstab verbreiten lässt.

Tatsächlich ist die Kernenergieheizung eine komplexe Aufgabe, die viele Aspekte wie Markt, Technologie und Politik umfasst. Die Kernheizung in Haiyan, Zhejiang und Haiyang, Shandong hat einen wesentlichen Schritt nach vorne gemacht und spielt eine wichtige Führungsrolle bei der Optimierung der regionalen Energiestruktur, der regionalen sauberen Heizung und der kohlenstofffreien Heizung. Darüber hinaus weist es die Richtung für die zukünftige Entwicklung und Anwendung der Kernheiztechnologie.

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Geschrieben von Zhang Zili (Associate Researcher, Institut für Elektrotechnik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Herausgeber/Zhao Tianyu Liu Zhao

Redakteur für Neue Medien/Lv Bingxin

Produziert von: Science Central Kitchen

Produziert von: Beijing Science and Technology News | Science Plus-Kunde

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