Additive Fertigung in der Kernenergie: Qualifizierung meistern, Verfügbarkeit sicherstellen, Innovation ermöglichen
28. Juli 2026 | Lesezeit: 8 Min.
Die Kernkraftindustrie steht vor einer ganz konkreten Herausforderung: Viele Kernkraftwerke werden voraussichtlich deutlich länger in Betrieb bleiben als ursprünglich geplant, während Ersatzteile, qualifizierte Lieferketten und vollständige technische Dokumentationen immer schwerer zu beschaffen sind. Gleichzeitig unterliegt jede technische Änderung – selbst an Hilfs- und Nebenanlagen – höchsten Anforderungen an Sicherheit, Rückverfolgbarkeit und Qualifizierung. In diesem Zusammenhang gewinnt die additive Fertigung (AM) zunehmend an Bedeutung, nicht als experimentelle Technologie, sondern als potenzielles Mittel, um die Verfügbarkeit von Ersatzteilen zu sichern, flexiblere Wartungszyklen einzuführen und technische Verbesserungen innerhalb eines streng regulierten Rahmens umzusetzen.
Warum AM gerade jetzt im Nuklearsektor an Bedeutung gewinnt
Ein wesentlicher Faktor ist die Alterung der kerntechnischen Anlagen. Große Teile des weltweiten Kernkraftwerkbestands haben ein fortgeschrittenes Betriebsalter erreicht, wodurch die Instandhaltung zu einer fortlaufenden strategischen Aufgabe wird. In Frankreich beispielsweise haben 39 von 58 Reaktoren im Jahr20251 ein Betriebsalter von 40 Jahren erreicht. Infolgedessen ist die Verfügbarkeit von Komponenten – einschließlich Dokumentation, Werkzeugen und stabilen Lieferketten – stark in den Fokus gerückt. Engpässe treten nicht nur bei reaktornahe Komponenten auf; auch Hilfs- und Peripheriesysteme haben einen starken Einfluss auf Wartungsfenster, Stillstände und den wirtschaftlichen Betrieb der Anlagen.
Die additive Fertigung (AM) bewältigt diese Herausforderungen in erster Linie durch ihre digitale Prozesskette. Bauteile lassen sich auf Basis vorhandener Daten reproduzieren und können zudem durch Scannen rückentwickelt werden, was insbesondere bei veralteten Bauteilen von Vorteil ist. Gleichzeitig eröffnet die additive Fertigung neue Dimensionen der Konstruktionsfreiheit: Funktionelle Integration, interne Kanäle oder strömungsoptimierte Geometrien lassen sich dort realisieren, wo die konventionelle Fertigung an ihre Grenzen stößt. Darüber hinaus ermöglichen schnelle Iterationszyklen deutlich kürzere Entwicklungs- und Optimierungsphasen. Gleichzeitig ermöglicht die additive Fertigung auch den Übergang zu Materialien der „nächsten Generation“, da die Kostenauswirkungen von Materialwechseln deutlich geringer sind als bei konventionellen Fertigungsverfahren.
Veralterung und Verfügbarkeit: AM als Baustein für flexiblere Wartungszyklen
Komponenten verschleißen, Originalhersteller verschwinden vom Markt, und Werkzeuge oder vollständige technische Dokumentationen sind oft nicht mehr verfügbar, während die Lieferzeiten immer kritischer werden. Dies betrifft insbesondere Hilfs- und Peripheriesysteme, die zwar nicht unmittelbar sicherheitskritisch sind, aber einen großen Einfluss auf die Anlagenverfügbarkeit und die Lebenszyklusleistung haben. Dazu gehören sogenannte Obsoleszenz-Teile: Komponenten, die zwar weiterhin benötigt werden, aber nicht mehr über die üblichen Kanäle beschafft werden können, wie beispielsweise Funktionsteile in Pumpen, Ventilen oder Turbinen-Hilfssystemen sowie spezifische Gehäuse oder Halterungen. Während es sich dabei überwiegend um Metallteile handelt, ist derselbe Trend auch bei Kunststoffkomponenten zu beobachten, z. B. bei solchen, die mit elektrischen Steuerungssystemen und Schaltern in Verbindung stehen.
Die additive Fertigung eröffnet in diesem Zusammenhang neue Möglichkeiten. Auf der Grundlage vorhandener Daten oder einer gezielten Neukonstruktion lassen sich solche Bauteile reproduzieren und gleichzeitig konstruktiv anpassen, beispielsweise um die Kühlleistung zu verbessern, die mechanische Robustheit zu erhöhen oder die Lebensdauer zu verlängern. Die additive Fertigung ist somit mehr als nur ein Ersatz für die konventionelle Fertigung; sie entwickelt sich zu einem Werkzeug, mit dem bestehende Bauteile an die heutigen Betriebsanforderungen angepasst werden können.
Ein praktisches Beispiel aus der Industrie liefert das Energieunternehmen Equinor, das seit mehreren Jahren systematisch additive Fertigung einsetzt, um Probleme mit veralteten Bauteilen und Risiken bei der Ersatzteilversorgung zu bewältigen. Additiv gefertigte Bauteile werden genutzt, um lange Vorlaufzeiten zu vermeiden, Ersatzteile bedarfsgerecht herzustellen und physische Lagerbestände zunehmend durch digitale Bestandsdaten zu ersetzen. In einer Anwendung wurden sogar scheinbar unbedeutende Bauteile – wie beispielsweise Polymer-Schrauben – durch additive Fertigung ersetzt, was zu erheblichen Kosteneinsparungen führte.2
Dieser Ansatz basiert auf der Kombination aus 3D-Scanning, digitaler Modellierung und additiver Fertigung und ermöglicht die Rekonstruktion und Reproduktion sowohl von Metall- als auch von Polymerbauteilen. Insbesondere bei älteren Anlagen, für die nur noch begrenzt Ersatzteile verfügbar sind, wird dadurch eine zentrale Herausforderung bei der Instandhaltung beseitigt. Die additive Fertigung entwickelt sich somit von einer reinen Produktionsmethode zu einem integralen Bestandteil digitaler Instandhaltungs- und Ersatzteilstrategien, insbesondere für abgelegene oder schwer zugängliche Standorte.
Dieses Beispiel verdeutlicht zudem, warum Hilfssysteme häufig als Einstiegspunkt für additive Anwendungen dienen. Sie sind aus regulatorischer Sicht in der Regel leichter zu handhaben und gleichzeitig für den Anlagenbetrieb von großer Bedeutung. Zudem wird deutlich, wie die additive Fertigung einen flexibleren Wartungs- und Reparaturzyklus ermöglichen kann: Anstatt auf seltene Ersatzteile und komplexe, anfällige Lieferketten angewiesen zu sein, rückt die Möglichkeit, qualifizierte Komponenten bedarfsgerecht herzustellen, in greifbare Nähe.
Sicherheitsrelevante Anwendungen und Leistung: Wenn die additive Fertigung nicht nur ersetzt, sondern auch verbessert
Über die Sicherstellung der Ersatzteilverfügbarkeit hinaus bietet die additive Fertigung ein weiteres wichtiges Potenzial im Nuklearbereich: die gezielte Verbesserung sicherheitsrelevanter Funktionen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren wie der Zerspanung oder dem Gießen werden additiv gefertigte Bauteile direkt aus Metall- oder Polymerpulvern hergestellt. Komplexe Geometrien lassen sich ohne Werkzeuge oder Formen realisieren, was neue Gestaltungsfreiheiten eröffnet und es ermöglicht, Bauteile von Grund auf neu zu konzipieren.
Ein bekanntes Risiko bei der Kühlung von Kernbrennelementen ist das sogenannte „Leckageproblem“, bei dem selbst sehr kleine Partikel im Kühlkreislauf im Laufe der Zeit zu fortschreitendem Verschleiß und in extremen Fällen zu Schäden an den Brennstäben führen können. Leckagen entstehen, wenn winzige Fremdkörper im Kühlkreislauf einen Brennstoffstab durchscheuern und Uranpellets freilegen; dabei kann bereits ein einziger 5 mm langer Drahtstrang ausreichen, um einen solchen Ausfall zu verursachen. Auch wenn es sich nicht um ein häufiges Problem handelt, ist die Minderung dieses Risikos von entscheidender Bedeutung. Bislang ging eine effektivere Filterung mit höheren Druckverlusten einher, was den Gesamtwirkungsgrad der Anlage verringerte.3
Geometrisch optimierte, additiv gefertigte Bauteile gehen diese Herausforderung direkt an: Eine angepasste Strömungsführung, integrierte Filterfunktionen oder eine funktionale Bauteilgestaltung können Risiken verringern und die Betriebssicherheit erhöhen. Ein bekanntes Beispiel ist der von Westinghouse entwickelte „Stronghold AM“-Filter für Siedewasserreaktoren. Durch den Einsatz der additiven Fertigung zur Schaffung komplexer, gewundener innerer Strömungskanäle ermöglicht er eine effektive Filterung von 5 mm großen Partikeln bei gleichzeitig vergleichbaren Druckwerten wie bei weniger effizienten konventionellen Konstruktionen – ein Beleg dafür, wie die additive Fertigung Sicherheits- und Leistungsanforderungen in Einklang bringen kann.
Bei verschiedenen Reaktortypen haben gezielte geometrische Anpassungen zu messbaren Verbesserungen geführt, beispielsweise zu einer effektiveren Entfernung von Fremdpartikeln oder zu Leistungssteigerungen ohne zusätzlichen Druckverlust. Entscheidend ist dabei nicht die einzelne Komponente, sondern das zugrunde liegende Prinzip: Konstruktionsfreiheit und funktionale Integration ermöglichen neue Leistungsniveaus, vorausgesetzt, dass Qualifizierung und Überprüfbarkeit von Anfang an konsequent berücksichtigt werden.
Die additive Fertigung eröffnet zudem neue Möglichkeiten für komplexe, druckbeaufschlagte Bauteile. Additiv gefertigte Druckbauteile mit strömungsoptimierten Kanälen, effizienter Wärmeübertragung und variierenden Geometrien zeigen, wie sich die Leistung steigern lässt, während gleichzeitig hohe mechanische Anforderungen erfüllt werden. Solche Anwendungen verbinden die Vorteile der additiven Fertigung mit den Gegebenheiten der Qualifikationsanforderungen im Nuklearbereich und bieten eine solide Perspektive für die Industrialisierung qualifizierter AM-Lösungen. Da die Nuklearindustrie streng nach definierten Normen und regulatorischen Rahmenbedingungen arbeitet, sind harmonisierte Richtlinien unerlässlich, um den Einsatz solcher Bauteile zu ermöglichen. Eine wichtige Entwicklung in diesem Zusammenhang ist die bevorstehende Norm EN 13445-14, die einen relevanten Rahmen für additiv gefertigte Druckbehälterausrüstung schaffen und die weitere Industrialisierung unterstützen wird.
Qualifikation: Die unverzichtbare Grundlage für die additive Fertigung im Nuklearbereich
Gerade weil die additive Fertigung zunehmend zur Verfügbarkeit, Wartbarkeit und Leistungsfähigkeit im Nuklearbereich beiträgt, rückt die Qualifizierung unweigerlich in den Mittelpunkt des Interesses. In der Nukleartechnik wird die Sicherheit nicht allein durch die funktionale Leistungsfähigkeit gewährleistet, sondern durch transparente und überprüfbare Nachweise. Werkstoffe, Fertigungsverfahren, Prüfverfahren und Dokumentation müssen konsistent aufeinander abgestimmt und über den gesamten Lebenszyklus hinweg rückverfolgbar sein. Dies gilt insbesondere für additive Verfahren, da die Eigenschaften der Bauteile stark von der Prozessstabilität abhängen – beispielsweise von Parametersätzen, den verwendeten Werkstoffen, dem Bauprozess selbst und den Nachbearbeitungsschritten.
Die Qualifizierung sollte nicht als Hindernis, sondern als notwendige Voraussetzung für die Nutzung des Potenzials der additiven Fertigung im nuklearen Umfeld betrachtet werden. In der Praxis erfolgt dies oft schrittweise: Erste Anwendungen konzentrieren sich auf Bauteile, die aus regulatorischer Sicht leichter zu handhaben sind oder sich außerhalb sicherheitskritischer Kernsysteme befinden. Mit zunehmender Erfahrung, zuverlässigen Daten und klar definierten Prozessfenstern lässt sich der Anwendungsbereich schrittweise erweitern. Mit zunehmender internationaler Standardisierung und der wachsenden Zahl verfügbarer Vorschriften wird dieser Aspekt hinsichtlich der Vorgehensweise immer klarer.
Die Prozessüberwachung kann eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Zuverlässigkeit der additiven Fertigung in nuklearen Umgebungen spielen. Technologien wie das „Fingerprinting“ mittels optischer Tomographie (OT) ermöglichen eine schichtweise Überwachung während des Fertigungsprozesses und erstellen so eine umfassende digitale Dokumentation der Teilefertigung. Dies erhöht die Transparenz und unterstützt die Überprüfung anhand definierter Qualitätsanforderungen. Durch die Bereitstellung nachvollziehbarer, datengestützter Nachweise für Prozessstabilität und Wiederholbarkeit kann das OT-Fingerprinting die Qualifizierung erleichtern und dazu beitragen, die Einführung der additiven Fertigung in stark regulierten Branchen wie der Nuklearindustrie zu beschleunigen.
Additive Fertigung als frühzeitiger Treiber der Entwicklung, nicht nur als Fertigungswerkzeug
Die Auswirkungen der additiven Fertigung im Nuklearbereich hängen stark davon ab, zu welchem Zeitpunkt im Lebenszyklus einer Komponente oder eines Systems sie zum Einsatz kommt. Wird die additive Fertigung erst am Ende als alternatives Fertigungsverfahren eingesetzt, beschränkt sich ihr Beitrag weitgehend auf die Verbesserung der Verfügbarkeit und die Verkürzung der Vorlaufzeiten. Wird die additive Fertigung hingegen früher – bereits in der Konstruktions- und Entwicklungsphase – eingeführt, kann sie die Art und Weise, wie Komponenten konzipiert, validiert und weiterentwickelt werden, grundlegend beeinflussen.
Insbesondere im Nuklearbereich, wo Konstruktionsänderungen in späteren Phasen des Lebenszyklus kostspielig und schwer zu rechtfertigen sind, haben frühzeitige Konstruktionsentscheidungen einen überproportional großen Einfluss. Die additive Fertigung (AM) ermöglicht es Ingenieuren, bereits in einem viel früheren Stadium Möglichkeiten der funktionalen Integration, optimierte Strömungswege, Materialreduzierung, Materialauswahl oder materialeffiziente Geometrien zu untersuchen – unterstützt durch schnelle Iterationen und physikalische Validierung. Dadurch werden technische Entscheidungen stärker datengestützt und weniger durch veraltete Annahmen aus der Fertigung eingeschränkt.
Dieser Wandel ist insbesondere für Reaktorkonzepte der nächsten Generation von Bedeutung, gilt aber auch für die Modernisierung bestehender Anlagen. Wenn AM-gestütztes Engineering frühzeitig eingeführt wird, hängt Innovation nicht allein von der Geschwindigkeit der Prototypenentwicklung ab, sondern von der Fähigkeit, Komponenten ganzheitlich zu überdenken und dabei bereits die Anforderungen an Qualifizierung, Prüfung und Rückverfolgbarkeit zu berücksichtigen. Auf diese Weise wird die additive Fertigung zu einem Wegbereiter für das Engineering, der Entwicklungswege lange vor Produktionsbeginn prägt.
Reaktoren der nächsten Generation: Warum die additive Fertigung den Innovationsspielraum erweitert, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen
Neben der Sicherung des bestehenden Kernkraftwerkparks konzentrieren sich die Entwicklungsbemühungen zunehmend auf kleine modulare Reaktoren (SMRs) und Reaktorkonzepte der Generation IV. Diese Entwürfe zielen in der Regel auf eine höhere Systemintegration, kompakte Anordnungen, vereinfachte Architekturen der Nebenanlagen sowie fortschrittliche Kühl- und Werkstoffkonzepte ab. Die additive Fertigung kann diese Bestrebungen unterstützen, indem sie die frühzeitige Bewertung hochintegrierter Komponenten, kompakter Baugruppen und komplexer innerer Geometrien ermöglicht, deren Realisierung mit herkömmlichen Fertigungsverfahren schwierig oder unpraktisch ist. Gleichzeitig ermöglicht sie die Konzeption von Produkten unter Berücksichtigung einer agileren und widerstandsfähigeren zukünftigen Lieferkette – was die Geschwindigkeit und die Verfügbarkeit von Bauteilen verbessert. Die Erwartungen müssen jedoch realistisch bleiben. Die Entwicklungszyklen für SMRs und Reaktoren der Generation IV sind durch umfangreiche Analysen, Tests und Qualifizierungen geprägt und können nicht durch die Umgehung behördlicher Anforderungen verkürzt werden. Die additive Fertigung kann jedoch die frühen Forschungs- und Konzeptphasen erheblich verbessern. Durch Rapid Prototyping, funktionale Demonstratoren und geometriegestützte Iterationen lassen sich Konstruktionsannahmen wie Strömungsverhalten, thermische Leistung oder funktionale Integration bereits viel früher im Entwicklungsprozess validieren.
Dies unterstreicht die zentrale Rolle der Qualifizierung. Wenn additive Konstruktionen für SMRs und fortschrittliche Reaktorkonzepte von Anfang an auf Testbarkeit, Prozessstabilität, Überprüfbarkeit und die Erzeugung von Nachweisen ausgerichtet sind, kann die Innovation parallel zur regulatorischen Bereitschaft voranschreiten. Auf diese Weise verringert die additive Fertigung nicht die Sicherheitsmargen, sondern erweitert den technischen Spielraum innerhalb eines Rahmens, der weiterhin vollständig mit den strengen Sicherheits- und Qualifizierungsanforderungen der Kernkraftwerke der nächsten Generation vereinbar ist.
Fazit: Additive Fertigung im Nuklearbereich – zwischen Ambitionen und Machbarkeit
Letztendlich bietet die additive Fertigung Lösungen für konkrete Herausforderungen in der Nuklearindustrie: Veralterung, Verfügbarkeit von Ersatzteilen, Wartungsdruck und die Forderung nach sicherheitsrelevanten Leistungsverbesserungen. Gleichzeitig birgt sie das Potenzial, die Effizienz weiter zu steigern und Innovationen bei neuen Reaktorkonzepten wie kleinen modularen Reaktoren (SMRs) und Systemen der Generation IV zu ermöglichen, bei denen neue Konstruktionsansätze und fortschrittliche Fertigungsverfahren eine immer wichtigere Rolle spielen.
Die gute Nachricht ist, dass die Qualifizierung zwar anspruchsvoll, aber machbar ist – vorausgesetzt, dass AM strategisch, schrittweise, datengestützt und in Anwendungsbereichen eingeführt wird, die sowohl aus regulatorischer als auch aus betrieblicher Sicht realistisch sind. Dieser Ansatz wird zudem durch laufende Standardisierungs- und Kodifizierungsbemühungen unterstützt, die weiterhin einen klareren Rahmen für die industrielle Einführung schaffen.
Letztendlich bietet die additive Fertigung Lösungen für konkrete Herausforderungen in der Nuklearindustrie: Veralterung, Verfügbarkeit von Ersatzteilen, Wartungsdruck und die Forderung nach sicherheitsrelevanten Leistungsverbesserungen.
Autorin : Paula Kainu, Branchenmanagerin Energie
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1https://www.lesechos.fr/industrie-services/energie-environnement/nucleaire-quel-age-ont-nos-centrales-1140104
2 https://www.equinor.com/magazine/3d-printing
3neimagazine.com/news/3d-printed-nuclear-fuel-parts-tested-in-alabama-power-plant/ und https://www.eos.info/content/blog/2026/Wie AM die Stromnetze der Welt neu belebt
