Sep 06 2010

Nahezu unbegrenzt

In Diskussionen rund um die Atomenergie taucht öfters mal die Frage auf, wie lange der Brennstoff Uran denn überhaupt noch reicht. Die Antwort ist überraschend.

Die Lösung aller Energieprobleme

Die Lösung aller Energieprobleme

Man kann zur Atomenergie stehen wie man will, aber Diskussionen dazu sollten – wie in allem – auf der Basis von Fakten geführt werden. in Diskussionen um ihre zukünftige Rolle bei der Energieversorgung taucht oft die Aussage auf, die Uran-Vorräte seien sehr begrenzt, und wären bei heutigem Verbrauch innerhalb der nächsten 100 Jahre erschöpft (die sogenannte „strategische Reichweite“). Da Uran heute etwa 10% Anteil an der Primärenergie habe, würden bei einem kompletten Umstieg auf Atomenergie die Vorräte bereits in 10 Jahren erschöpft sein, womit es schlicht keinen Sinn mache, über eine grössere Rolle der Atomenergie nachzudenken.

Diese Aussage (und somit auch die Schlussfolgerung) ist falsch. Zunächst einmal, was in dieser Rechnung unerwähnt bleibt, ist die geradezu haarsträubende Ineffizienz heutiger Atomkraftwerke. Von dem in heutigen Reaktoren genutzten angereicherten Uran wird nur etwa 4% wirklich gespalten (fast ausschliesslich Uran-235), bevor die produzierten Spaltprodukte eine weitere Nutzung des Brennstabs unmöglich machen. Die Wiederaufbereitung setzt dort an, es wird versucht, durch chemische Entfernung von Spaltprodukten die Effizienz noch etwas zu erhöhen, aber selbst mit Wiederaufbereitung wird höchstens nochmals rund 25% mehr Energie aus dem Brennstab herausgeholt, der Rest des Urans wird heute als radioaktiver Abfall entsorgt. Es gibt jedoch Reaktordesigns, die sehr viel effizienter arbeiten. Wenn mit „schnellen Neutronen“ gearbeitet wird, kann man bis zu knapp unter 100% des Urans im Brennstab spalten und nutzen (sogar heutige radioaktive Abfälle könnten so – unter Energiegewinn – zerstört werden). Das heisst, alleine durch Umrüstung aller bestehenden Atomkraftwerke könnte man die strategische Reichweite von Uran um den Faktor 25 strecken, auf rund 2500 bzw 250 Jahre (wenn man wieder von der Verzehnfachung der Produktion ausgeht). Bei diesem Typ von Atomkraftwerken stellt sich auch die Abfallfrage nicht: sie produzieren keine langlebigen Transurane wie heutige Reaktoren, sondern fast nur Spaltprodukte mit einer Halbwertszeit von typischerweise 30 Jahren.

Zweitens transportiert die eingangs erwähnte Rechnung die „Warenlager“-Vorstellung natürlicher Rohstoffe, wonach es eben eine ganz bestimmte, abzählbare Menge eines Rohstoffs draussen in der Natur gäbe, der, wenn er einmal angezapft wird, eine bestimmte Zeit lang anhielte und sich dann schlagartig erschöpfe. In Wahrheit hat die Erde natürlich sehr viel mehr Uran als jenes, das heute in die Berechnung der strategischen Reichweite eingeht. So ist Uran in der Erdkruste rund 500 Mal häufiger als Gold. Typisches, durchschnittliches Krustengestein der Erde hat eine Uran-Konzentration von etwa 1.8 ppm (Teilchen pro Million), so dass allein in der Erdkruste (bei durchschnittlich 20 km Tiefe, Dichte 2.8 g/cm^3) etwa 50 Billionen Tonnen Uran lagern sollten. Aber natürlich brauchen wir keine Gesteine aufzuschmelzen, um Uran zu gewinnen: Durch natürliche Prozesse werden seltene Elemente in Erzen angereichert, so auch Uran, üblicherweise in der Form von Uranoxid. Je nach dem, wie lange und wie intensiv dieser Konzentrations-Prozess im Gange ist, kann die Konzentration von Uran in einem Uranerz wie Pechblende auf bis zu rund ~25% ansteigen.

Beim Abbau von Uran konzentriert man sich dann natürlich zuerst auf diejenigen Erze, die das beste Produkt von Konzentration und Häufigkeit liefern. Je seltener und Uran-ärmer ein Ausgangsmaterial ist, desto höher sind die Kosten für den Abbau. Astronomisch teuer – aber trotzdem technisch grundsätzlich machbar – wäre der Abbau aus einem beliebigen Krustengestein (dass man nicht soweit gehen muss: siehe unten). Das heisst, je nachdem, welchen Preis man für Uran erhält, lohnt sich der Abbau eines bestimmten Erzes – oder eben nicht. Die noch nicht angetasteten, heute bekannten Vorräte (sog. „Reserven“) der Uran-Minen, die beim heutigen Uran-Preis noch wirtschaftlich arbeiten, sind deutlich kleiner als die Reserven, die bei, sagen wir, einem doppelt so hohen Preis wirtschaftlich würden. Je höher der Preis, desto mehr Uran kann dafür abgebaut werden. Man würde einfach auf immer „schlechtere“ Uran-Erze zurück greifen.

Da das Uran eine enorme Energiedichte hat (mit zwei Kilogramm Uran-235 lässt sich bei vollständiger Spaltung der komplette Lebensenergiebedarf eines Menschen auf westeuropäischem Niveau abdecken – das entspricht rund 6000 Tonnen Kohle!), braucht ein Atomkraftwerk nicht besonders viel davon, um grosse Mengen Strom zu produzieren. Aus diesem Grund machen die Kosten des Urans – im Gegensatz zu, sagen wir, den Kohle-Kosten bei einem Kohlekraftwerk – nur einen winzigen Teil der Kosten des in Atomkraftwerken produzierten Stroms aus. Das heisst, der Uranpreis könnte auch explodieren, ohne dass deswegen die Stromkosten merkbar steigen würden.

Doch der Uranpreis wird niemals wirklich explodieren, und wir werden auch niemals Krustengesteine aufschmelzen müssen, um an Uran zu kommen. Der Grund dafür ist, dass grosse Mengen Uran im Meerwasser gelöst sind. Die Konzentration beträgt zwar nur etwa 3.3 Milligramm pro Kubikmeter. Über alle Ozeane ist das so viel (rund 1.3 Milliarden Kubikkilometer Wasser -> 4.3 Milliarden Tonnen Uran), dass es alle realistisch nutzbaren Reserven an Land um ein Vielfaches übertrifft. Teilt man diese Menge durch den gegenwärtigen Verbrauch von rund 50000 Tonnen jährlich, könnten die heutigen Kraftwerke (trotz Ineffizienz) für die nächsten 86000 Jahre* betrieben werden. Allerdings vernachlässigt diese Rechnung die Tatsache, dass die Erosion Krustengesteine abträgt und die Flüsse somit ständig weiteres Uran in den Ozean befördern. Pro Jahr sind das etwa 7 Milliarden Tonnen Gestein, oder, bei 1.8 ppm (1800 ppb) Uran im Gestein, 12600 weitere Tonnen.

Die Kosten für die Entnahme aus dem Wasser betragen etwa 300 US$ pro Kilogramm. Das heisst, wenn der Uran-Preis erst einmal auf diese Höhe gestiegen ist (heute beträgt er 100-150 $/kg), wird er nicht mehr weiter steigen, sondern für zehntausende von Jahren ungefähr auf dem dannzumaligen Äquivalent von 300$/kg stagnieren (bei grösserem Bedarf tritt keine Verknappung ein, weil man einfach eine weitere Extraktionsanlage bauen kann).

Die Nutzung der Atomenergie wirft sicher viele Fragen auf – die Frage nach der strategischen Reichweite von Uran zumindest hat eine einfache und klare Antwort: Nahezu unbegrenzt.

* [i]An dieser Stelle stand zunächst „86 Millionen Jahre“.[/i]

[i]Update: Hier noch einige zusätzliche Links zu neueren Entwicklungen betreffend der Extraktion von Uran aus dem Ozean:[/i]

Abstract zum „Current Status of Uranium Extraction from Seawater“

Nextbigfuture.com-Artikel zum Thema

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