Lebensfähigkeit von Blockchain-basierten Managementsystemen für Kernkraftwerke

In der sich schnell entwickelnden Welt der Technologie sucht die Nuklearindustrie nach innovativen Lösungen, um Sicherheit, Transparenz und Effizienz zu verbessern. Eine vielversprechende Technologie ist die Blockchain, die eine dezentrale und sichere Methode zur Verfolgung und Verifizierung von Transaktionen bietet. 

Dieser Cryptopolitan-Leitfaden untersucht das Potenzial der Blockchain-Technologie im Management von Kernkraftwerken und in verschiedenen Stadien der Nuklearkraft-Lieferkette, vom Uranabbau bis zur Abfallentsorgung.

Überblick über Blockchain und Kernkraftwerk

Kraftwerke übernehmen zunehmend Automatisierung, was zu einem Anstieg der Nutzung von Computersystemen führt. Um dies zu unterstützen, wird ein Plant Management System (PMS) implementiert. Dieses System unterstützt den effizienten Betrieb und das Management der Kraftwerksanlagen. Es umfasst Aufgaben wie tägliche Arbeitspläne, Wartungspläne, Stilllegungsplanung und Materialmanagement. Die Stilllegungsplanung beinhaltet die Auflistung von Aufgaben, Ressourcenallokation und Zeitplanung, während das Materialmanagement sich auf Gerätedetails, Lagerung und Bestellprozesse konzentriert.

Darüber hinaus kann das PMS bei Strahlenschutzkontrollen, Qualifikationen der Arbeiter, Werkzeugkalibrierungen und dem Management spezialisierter Werkzeuge helfen. Der Energiesektor erlebt ebenfalls einen Wandel hin zur Nutzung von Expertensystemen für verschiedene Aufgaben. Diese Systeme bieten wertvolle Einblicke für Aufgaben wie die Wasserchemie in Druckwasserreaktoren, Notfallverfahren und Brennstoffplanung.

Eine Herausforderung beim Management von Kernkraftwerken besteht jedoch darin, das Vertrauen von Aufsichtsbehörden und der Öffentlichkeit zu gewährleisten. Es gab Fälle, in denen nicht authentische Teile verwendet wurden oder Verzögerungen bei der Meldung von Problemen auftraten. Um diese Bedenken zu adressieren, wird die Integration der Blockchain-Technologie mit dem PMS vorgeschlagen. Die Blockchain bietet Vorteile wie Datensicherheit, Transparenz und Konsistenz. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass sie auch Herausforderungen mit sich bringt, insbesondere in Bezug auf Datenschutz und die Verarbeitung großer Datenmengen. Die potenziellen Anwendungen der Blockchain erstrecken sich auf verschiedene Sektoren, von Finanzdienstleistungen über Regierungsleistungen bis hin zu industriellen Prozessen. Einer der vielversprechendsten Bereiche für die Blockchain-Anwendung ist das Supply-Chain-Management.

Wie Kernkraftwerke auf Unfälle oder Ausfälle reagieren

International anerkannte Gremien wie die Internationale Atomenergie-Organisation (IAEA) und die Agentur für Kernenergie der Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD/NEA) haben ein Bewertungssystem eingeführt, um die Schwere von Ereignissen in Nuklearanlagen zu messen. Dieses System, bekannt als International Nuclear Accident and Event Scale (INES), stellt sicher, dass Nuklearvorfälle konsistent bewertet und von der Öffentlichkeit und den Medien leicht verstanden werden können. Initiiert im Jahr 1990 und bis 1992 weit verbreitet, verwenden rund 60 Länder, einschließlich Korea, INES. Innerhalb dieser Skala deuten Bewertungen von 4 bis 7 auf Nuklearunfälle hin, während 0 bis 3 Ausfälle anzeigen.

Wenn ein Vorfall eintritt, meldet der Betreiber des Kernkraftwerks die Details umgehend an relevante Behörden wie die Nuclear Safety and Security Commission (NSSC) und das Korea Nuclear Institute of Safety (KINS). Je nach Schwere entsenden diese Gremien Expertenteams, um den Vorfall zu untersuchen, die Ursache zu bestimmen und präventive Maßnahmen vorzuschlagen. Ihre Ergebnisse werden dann von der NSSC überprüft, die das Kraftwerk über weitere Maßnahmen berät. Seit 2013 sind automatische Warn- und Messaging-Systeme im Einsatz, um Transparenz zu gewährleisten und Vertuschungen zu verhindern. Dennoch bestehen weiterhin Herausforderungen bei der Sicherstellung vollständiger Transparenz bei der Meldung von Vorfällen.

Probleme mit dem aktuellen Plant Management System

Der Betrieb eines Plant Management Systems bringt seine eigenen Herausforderungen mit sich:

• Schnelle Geräte-Reparatur: Wenn Geräte ausfallen, ist es entscheidend, sie umgehend zu reparieren. Dies erfordert, Ersatzteile vorrätig zu haben oder ein System zu besitzen, um sie schnell zu beschaffen. Die Zusammenarbeit mit großen Geräteherstellern oder der Austausch von Wartungsinformationen zwischen ähnlichen Kraftwerken kann diesen Prozess beschleunigen.

• Dokumentation von Unfällen und Ausfällen: Es ist von entscheidender Bedeutung, genaue Aufzeichnungen über alle Vorfälle zu führen. In hochdruckintensiven Situationen kann es jedoch schwierig sein, Ereignisse genau zu dokumentieren. Aufzeichnungen über den Betrieb, die Fehlfunktion und die Wartung von Sicherheitseinrichtungen müssen gemäß den regulatorischen Richtlinien transparent gemeldet werden. Um das öffentliche Vertrauen zu gewährleisten und den Verdacht auf Vertuschungen zu verhindern, besteht ein Bedarf an einem transparenten, institutionalisierten System zur Informationsberichterstattung und Offenlegung.

Integration der Blockchain in den Betrieb von Kernkraftwerken

Blockchain-Technologie ist ein dezentrales Ledger-System, das darauf ausgelegt ist, digitale Transaktionen zu erleichtern. Während viele mit der Funktionsweise des Internet of Things (IoT) bei der Informationsverarbeitung vertraut sind, gibt es wachsende Bedenken hinsichtlich der Sicherheit. Hier kommt die Blockchain ins Spiel und bietet eine Lösung für diese Sicherheitsprobleme.

Das primäre Ziel der Integration der Blockchain in das Management von Kernkraftwerken ist die Sicherstellung einer objektiven und transparenten Handhabung sensibler Informationen. Anstatt eines zentralisierten Systems arbeitet die Blockchain dezentral. 

Für Kernkraftwerke bedeutet dies, dass sie helfen kann, unbefugte Änderungen an Daten zu verhindern und sicherzustellen, dass Fehler oder Fehler der Betreiber nicht verschleiert werden. Darüber hinaus bietet sie eine zuverlässige Möglichkeit, die während Vorfällen ergriffenen notwendigen Maßnahmen zu überwachen.

Blockchain für das Informationsmanagement in Kernkraftwerken

Während die Blockchain-Technologie den Energiesektor aufgrund von Herausforderungen wie Netzstabilität, Energieverbrauch und regulatorischen Risiken möglicherweise nicht revolutionieren wird, birgt sie ein erhebliches Potenzial zur Verbesserung des Anlagen-Informationsmanagements. Durch die Integration der Blockchain mit dem DREAMS-System besteht die Möglichkeit, Ereignisse und Ausfälle mit beispielloser Transparenz und Genauigkeit zu überwachen.

Südkorea betreibt 25 Kernkraftwerke. Seit 2005 nutzt Korea Hydro & Nuclear Power (KHNP) ein integriertes Plant Management System namens DREAMS, um diese Kraftwerke zu überwachen. Dieses System wurde 2016 aktualisiert und entwickelte sich zum Smart E-Tower-System, das fortschrittliche Technologien der vierten industriellen Revolution integriert. 

Wenn in einem Kraftwerk ein Problem auftritt, analysiert das Smart E-Tower-System es, entwickelt eine Lösung und kommuniziert die Ergebnisse an das betroffene Kraftwerk zurück. Dieser zentralisierte Ansatz ermöglicht auch die gleichzeitige Überwachung aller Kraftwerke, was proaktive Maßnahmen für häufige Probleme ermöglicht.

Die Integration der Blockchain in das Anlagen-Informationsmanagementsystem kann aktuelle Herausforderungen adressieren, wie zum Beispiel:

• Sicherstellung schneller und sicherer Reaktionen auf Unfälle oder Ausfälle sowie die Garantie einer genauen Berichterstattung an Aufsichtsbehörden.
• Mit der Blockchain können vordefinierte Daten automatisch an relevante Behörden gemeldet und zeitnahe Betriebserfahrungen mit anderen Kraftwerken geteilt werden.
• Alle Stakeholder, die als Knotenpunkte in der Blockchain dargestellt werden, können transparent Informationen über Unfälle, Ausfälle und sogar Ersatzteile teilen.
• Um diese Vision eines blockchain-integrierten PMS zu verwirklichen, wird ein permissioned Blockchain-Modell empfohlen.

Wie kann die Blockchain die Nuklearkraft-Lieferkette verbessern?

Die Vielseitigkeit der Blockchain kann in der gesamten Nuklearkraft-Lieferkette genutzt werden, beginnend mit den komplexen Lieferketten für einzelne Komponenten. Angesichts der katastrophalen Folgen kleiner Fehlfunktionen in Kernkraftwerken, wie die jüngsten Ereignisse gezeigt haben, ist es entscheidend, die vollständige Verifizierung jeder Komponente und jedes Materials zu gewährleisten, das in der Nuklearstromerzeugung verwendet wird.

Der Nuklearsektor ist, wie viele andere auch, durch komplexe Lieferketten gekennzeichnet. Was die Brennstoffversorgung betrifft, beginnt die Reise in Uranminen. In den letzten Jahrzehnten waren die wichtigsten Uranlieferanten Länder wie Kasachstan, Usbekistan, die USA, Russland und Deutschland. Wie vom World Nuclear Organization angegeben, erfordert die globale Nachfrage nach Nuklearstrom jährlich 67.500 Tonnen Uran.

Das Potenzial der Blockchain in diesem Bereich ist enorm. Sie kann die Gewinnung und Verarbeitung von Uran überwachen und so sichere sowie umweltfreundliche Bergbaupraktiken gewährleisten, insbesondere in aufstrebenden Volkswirtschaften wie Kasachstan, wo möglicherweise Bedenken bestehen. Darüber hinaus kann die Blockchain Diebstahl oder Verlust von Uran aus anerkannten Bergbaustätten verhindern. Aktuelle Meldesysteme benötigen oft mehr als einen Monat, um das Bergwerksmanagement über fehlende Uranvorräte zu informieren. Mit der Blockchain kann diese kritische Meldezeit erheblich verkürzt werden, was die Sicherheit und Rechenschaftspflicht verbessert.

Blockchain zur Verfolgung der Urananreicherung 

Nach der Bergbau ist die nachfolgende Phase in der Nuklearbrennstoffkette die Urananreicherung. Es ist wichtig zu verstehen, dass Uran aus zwei Isotopen besteht: U-235 und U-238. Das Anreicherungsverfahren zielt darauf ab, die Konzentration von U-235 im Uran zu erhöhen. Während die meisten Kernkraftwerke Urananreicherungsstufen von 3–5 % U-235 benötigen, fordern einige Stufen von bis zu 20 %.

Andererseits muss Uran, das für Nuklearwaffen bestimmt ist, Anreicherungsstufen von bis zu 90 % U-235 erreichen. Der besorgniserregende Aspekt ist, dass die zur Anreicherung von Uran auf Stufen von 5 % oder 20 % verwendete Technologie auch angepasst werden kann, um die 90 %-Schwelle zu erreichen. Dieses Potenzial für Missbrauch unterstreicht die strengen internationalen Kontrollen, die derzeit für die Urananreicherung gelten.

Die Blockchain bietet eine Lösung für diese Herausforderung. Sie kann eine permanente Aufzeichnung von angereicherten Uranchargen erstellen und so die sichere Aufrechterhaltung von Aufzeichnungen zwischen Nationen und privaten Einrichtungen, die Anreicherungsanlagen betreiben, stärken. Dies könnte entscheidend dazu beitragen, die illegale Anreicherung von Uran auf waffenfähiges Niveau zu verhindern. Nach der Anreicherung kann die Blockchain zudem eine fälschungssichere Spur von der Anreicherungsanlage bis zum Kernkraftwerk gewährleisten, in dem das Uran als Brennstoff verwendet wird.

Einsatz der Blockchain zur Verhinderung von Fälschungen in Kernkraftwerken

Obwohl Uran für die Kernenergieerzeugung von zentraler Bedeutung ist, ist es nur ein Bestandteil der nuklearen Lieferkette. Weitere wichtige Elemente umfassen Computersysteme und Chips, die die Stromerzeugung überwachen, sowie Grundmaterialien wie Keramik, Stahl und Beton, die die Infrastruktur bilden.

Ein drängendes Problem in der Nuklearbranche, wie in vielen anderen Branchen auch, ist das Eindringen von gefälschten, betrügerischen und verdächtigen Artikeln (CFSI).

Ein Vergleich mit der Food-Trust-Initiative von Walmart, die Lieferanten verpflichtet, die Herkunft von Lebensmitteln mittels Blockchain zurückzuverfolgen, zeigt, wie Kernkraftwerke einen ähnlichen Ansatz übernehmen könnten. Durch die Anforderung, dass alle Materialien bis hin zu ihren Basisbestandteilen über ein Blockchain-System zurückverfolgbar sind, könnte das Risiko der Aufnahme gefälschter Artikel erheblich reduziert werden. Dies würde wiederum potenzielle Unfälle verringern, die durch minderwertige oder gefälschte Materialien entstehen könnten.

Die Implementierung eines solchen Systems ist jedoch nicht ohne Herausforderungen. Viele Nuklearanlagen verlassen sich derzeit noch auf traditionelle papierbasierte Aufzeichnungen und verfügen nicht einmal über eine grundlegende computergestützte Verfolgung ihrer Lieferketten. Der Übergang zu einem blockchain-basierten System würde eine erhebliche Überarbeitung ihrer bestehenden Prozesse erfordern.

Verfolgung von Kernkraftwerk-Abfällen mit Blockchain

Neben der Sicherung von nuklearen Materialien in frühen Phasen und der Unterstützung von Inspektionsprozessen erweist sich die Blockchain als vielversprechendes Werkzeug für das Management von Nuklearabfällen.

Nuklearabfälle unterscheiden sich in ihrem Risikoniveau. Während einige relativ unbedenklich sind, können bestimmte Abfallarten ihre Radioaktivität über Jahrtausende hinweg beibehalten und so eine Gefahr für die menschliche Gesundheit darstellen. Traditionelle Lagerungsmethoden für Abfälle sind gelegentlich aufgrund von Korrosion versagt, was zu gefährlichen Lecks geführt hat. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, planen Nationen wie die USA und Finnland, Nuklearabfälle tief in sicheren unterirdischen Einrichtungen zu lagern. Solche Maßnahmen zielen darauf ab, eine Kontamination des Grundwassers zu verhindern und potenziellen Diebstahl oder Sabotage vorzubeugen.

Für den Erfolg dieser unterirdischen Lagerstrategien ist eine sorgfältige Verfolgung der Abfallprodukte unerlässlich. Hier kommen die Fähigkeiten der Blockchain zum Tragen.

Im Jahr 2020 wurde eine bemerkenswerte Initiative namens SLAFKA vorgestellt. SLAFKA ist ein gemeinsames Projekt des Blockchain-in-Practice-Programms des Stimson Center, der finnischen Behörde für Strahlen- und Nuklearsicherheit (STUK) und der University of New South Wales in Australien. Es handelt sich um einen Blockchain-Prototyp, der speziell zum Schutz von Nuklearabfällen entwickelt wurde. Das Projekt konzentriert sich auf die Überwachung von abgebranntem Brennstoff in unterirdischen Lagern und ermöglicht es vertrauenswürdigen Parteien, wichtige Informationen auszutauschen, während die allgemeine Vertraulichkeit gewahrt bleibt.

Fazit

Die Blockchain-Technologie präsentiert mit ihren inhärenten Transparenz- und Sicherheitsfunktionen eine transformative Lösung für die Kernkraftindustrie. Durch die Integration der Blockchain in verschiedene Stufen der nuklearen Lieferkette besteht das Potenzial für eine verbesserte Aufsicht, reduzierte Risiken und ein erhöhtes öffentliches Vertrauen. Da die Branche weiterhin Sicherheit und Transparenz priorisiert, könnte die Blockchain zu einem unverzichtbaren Werkzeug in ihrem Arsenal werden.