Seit Beginn der „Anti-Atomkraft-Bewegung“ war die Frage der ausreichenden Versorgung mit Uran eines ihrer zentralen Argumente: Es begann mit der (bewußten) Falschinformation, daß sich „Atomkraft“ ohnehin nicht lohnt, da die Uranvorräte nur wenige Jahrzehnte reichen würden und endet vorläufig mit der Lüge, daß die Abhängigkeit bei Uran von Russland größer sei, als beim Erdgas. Alles nur Unwissenheit oder eiskalte Propaganda? Es lohnt sich, sich damit etwas näher zu beschäftigen. Nicht nur, um die Nutzung der Kernenergie – die außerhalb Deutschlands eine längst beantwortete Frage ist – zu verstehen, sondern vielmehr, um die (gesellschaftliche) Gefahr, die von den grünen Irrlichtern ausgeht, zu erfassen. Mag manchen die jährliche Wahl seines Geschlechts noch putzig vorkommen, sind Geldstrafen für die Kennzeichnung von Mann und Frau im Bundestag schon weit mehr als nur ein Hinweis, wohin die Reise geht. Die Schwärzung von Gutachten – nachdem die Freigabe erst gerichtlich erwirkt werden mußte – ist nur die logische Fortsetzung des Fanatismus der „Grünen Khmer“. Wehe, wer es wagt, die unendliche Weisheit der sich selbst als Demokratische Parteien (ohne AfD, dafür aber mit der SED-Nachfolgepartei) auszeichnenden, in puncto „Energiewende“ in Frage zu stellen.
Die Uranvorkommen
Uran ist alles andere als selten. Im Mittel sind 2,7 mg/kg in der Erdkruste vorhanden. Es steht an 54. Stelle der Elemente in der oberen kontinentalen Erdkruste. Das ergibt geschätzt etwa 40*1012 Tonnen. Allein im Meerwasser beträgt der Gehalt an Uran 3 Milligramm pro Kubikmeter, was die gigantische Menge von 4,5 Milliarden Tonnen ergibt. Schon die Flüsse spülen jedes Jahr etwa 32 000 Tonnen ins Meer. Im Meerwasser befindet sich Uran im Gleichgewicht mit der Konzentration in der ozeanischen Kruste, weshalb dessen Entnahme dazu führen würde, daß entsprechende Mengen im Meerwasser gelöst werden, bis sich wieder ein Gleichgewicht bildet. Allein die Vorräte im Meer sind in menschlichen Maßstäben unendlich.
Entscheidend ist die außerordentliche Energiedichte der Kernspaltung. Bei der Spaltung von Uran ergibt jedes Gramm eine Energie (Wärme) von 22 800 kWh. Das entspricht etwa 3 to Kohle bzw. 13 Faß (boe) Rohöl. Damit ist die Größenordnung klar, was die Gewinnung eines Gramms Uran kosten dürfte: Aktuell 83 $/bbl multipliziert mit 13 Faß ergibt 1079 USD pro Gramm. Zum Vergleich, im Januar 2024 betrug der Börsenpreis für ein Pfund U3 O8 101,25 USD. Das entspricht rund 0,26 USD für ein Gramm Uran.
Wie bei allen Rohstoffen bildet sich der Preis aus Angebot und Nachfrage. Bis zum Jahr 2007 kletterte der Preis für Uran auf ein Allzeithoch von 130 US-Dollar je Pfund U3 O8. Nach der Immobilienkrise stürzte der allerdings auf nur 30 USD. Zwar erholte sich der Preis bis 2011 wieder auf etwas über 75 US-Dollar, aber dann kam Fukushima und damit der „Atomausstieg“ Deutschlands und Japans und der verzögerte Ausbau in China. Seitdem pendelte der Preis zwischen 25 und 35 USD pro Pfund U3 O8. Die Corona-Krise war weltweit ein willkommener Anlass, mehrere Bergwerke vorübergehend still zu legen und auf bessere Preise zu warten. Wegen der hohen Energiedichte läßt sich Uran einfach lagern. So verfügt der französische Konzern Orano angeblich über Vorräte für 20 Jahre seines durchschnittlichen Verkaufs. Durch den Krieg in der Ukraine und die Definition von „Atomkraft als grüner Energie“, setzt derzeit ein Ausbau der Förderkapazitäten insbesondere in Kanada, Australien und USA ein. Russland nimmt lediglich den sechsten Platz auf der Weltrangliste (2508 to in 2022) ein. Eine Abhängigkeit bei Natururan von Russland ist daher schlicht weg Unsinn.
Es gibt heute drei gebräuchliche Verfahren zur Förderung: Führend mit 55% (26 400 to) ist die In Situ Auslaugung. Die Förderung im Tagebau und unterirdisch ergibt zusammen 38% (18 000 to). Hinzu kommen noch 3 300 to als Beiprodukt bei Kupfer und Phosphat.
Der mögliche Wertstoffkreislauf
Es gehört heute in den „Qualitätsmedien“ zum schlechten Ton, abgebrannte Brennelemente pauschal als „Atommüll“ zu verunglimpfen. Dies scheint notwendig, um den Unsinn „Atommüll – das ungelöste Problem“ als letztes Argument gegen die Kernenergie aufrecht zu erhalten. Verbrauchte Brennelemente sind kein Müll, sondern Wertstoff, denn in ihnen sind noch mindestens 95% des ursprünglichen Urans enthalten. Es sollte zu denken geben, daß die gleiche Klientel, die noch den letzten verdreckten Joghurtbecher nutzen will, alte Brennstäbe einfach verbuddeln will. Das hat einfach keine Logik, sondern ist schlicht Ideologie, die ganz anderen Zwecken dient (Kampf gegen Kapitalismus etc.). Allein in Deutschland lagern etwa 10 500 to SM (Schwermetall, also nur Uran und Plutonium der abgenutzten Brennelemente). Diese gewaltige, potentielle Energiequelle wollen die „Grünen aller Parteien“ unbedingt in Deutschland vergraben. Warum in Deutschland? – Damit ihr Narrativ vom „Atommüll, der Millionen Jahre sicher gelagert werden muß“ unbedingt für politische Zwecke weiter mißbraucht werden kann. Selbst der Verkauf ins Ausland und die Nutzung dort, ist aus Gehässigkeit verboten. Ganz nebenbei, kann man weiter über die Milliarden Rücklagen (über 24 Milliarden 2017 in einen Staatsfond überführt) – die wir Stromverbraucher angespart haben – weiter verfügen, wenn dann noch etwas vorhanden ist. Unter der Verwaltung der „Grünen“ schreibt laut Tagesschau der Fonds Milliardenverluste aus seinen Anlagen. Ein Schelm, wer Böses dabei denkt.
Im ersten Schritt kann man die Brennstäbe z. B. nach dem PUREX Verfahren aufbereiten. Damit wird reines Uran und Plutonium wiedergewonnen. Aus diesen Komponenten kann man sog. MOX-Brennelemente herstellen. Dieses Verfahren wird bereits weltweit erfolgreich angewendet. Der nächste Schritt – an dem z. B. in Russland erfolgreich gearbeitet wird – verwendet neuere Verfahren, bei denen nur die Spaltprodukte abgeschieden werden. Es muß nur noch das verbrauchte Uran durch (bevorzugt) abgereichertes Uran ersetzt werden. Solche Reaktoren erfordern jedoch ein schnelles Neutronenspektrum, denn nur mit energiereichen Neutronen läßt sich auch U238 spalten. Die Ausnutzung des Natururan würde dadurch gewaltig vergrößert. Für einen heutigen Leichtwasserreaktor benötigt man auf (bis maximal) etwa 5% angereichertes Uran, für dessen Herstellung pro kg rund 10 kg Natururan benötigt werden. Das dabei anfallende abgereicherte Uran ist heute noch Abfall. Hier verbirgt sich auch die Antwort, wann schnelle Reaktoren (Kühlmittel Natrium oder Blei) wirtschaftlich werden. Deren höhere Kosten müssen über den Preis für Natururan und die Kosten der Wiederaufbereitung aufgewogen werden.
Die Problematik von HALEU
Man unterscheidet heute drei Sorten:
- LEU (Low-Enriched Uranium). Das ist niedrig angereichertes Uran mit einem Gehalt von bis zu 5% U235. Das ist der Standard, wie er heute in den Leichtwasserreaktoren eingesetzt wird.
- HALEU (High-Assay Low-Enriched Uranium). Dieses Uran ist für spezielle Reaktoren (Forschungsreaktoren, Reaktoren mit schnellem Neutronenspektrum, Kleinstreaktoren etc.) erforderlich. Bei ihm beträgt der Gehalt bis zu 20% U235.
- HEU (Highly Enriched Uranium). Das ist per Definition Uran mit einem Gehalt größer als 20% U235. Praktisch gebräuchlich ist ein Gehalt von mindestens 80% U235. Hier beginnt die Schwelle für den Bau einer Kernwaffe. Es wird heute nur noch für den Bau von militärischen Kernreaktoren verwendet (U-Boote, Flugzeugträger usw.). Frühe Forschungsreaktoren werden weltweit auf HALEU umgestellt, um die Weiterverbreitung von Kernwaffen einzuschränken.
Jeder Reaktor braucht eine charakteristische Menge (z. B.) U235 damit eine selbsterhaltende Kettenreaktion überhaupt entstehen kann. Außerdem möchte man den Reaktor eine bestimmte Zeit betreiben, bevor man den Brennstoff wechseln muß. In der Zwischenzeit muß man die Überschußreaktivität durch Borlösung (Druckwasserreaktor) oder abbrennbare Neutronengifte (Siedewasserreaktor) und Regelstäbe kompensieren. Je (geometrisch) kleiner ein Reaktor ist und je länger die Wechselintervalle sein sollen, desto höher muß die Anreicherung sein. Will man z. B. Marinereaktoren mit mehreren Jahrzehnte langen Wechselintervallen bauen, ist hoch angereichertes Uran erforderlich. Darüberhinaus erfordern spezielle Reaktortypen zwingend eine höhere Anreicherung. Das sind z. B. alle Reaktoren, die mit TRISO-Brennelementen betrieben werden oder mit Natrium gekühlt werden. Leider ist der Bau genau dieser Reaktoren durch „zu wenig“ HALEU verzögert.
Zur kommerziellen Urananreicherung verwendet man heute ausschließlich Zentrifugen. Dazu muß das Uran in gasförmiges Uranhexafluorid (UF6) umgewandelt werden. Nach der Anreicherung müssen der Produkt- und der Abfallstrom wieder zurück konvertiert werden. Beide Schritte sind recht aufwendige chemische Prozesse. Je höher man anreichern will, desto mehr Zentrifugen muß man hintereinander schalten. Um so mehr Menge man produzieren will, muß man entsprechend viele solcher Kaskaden parallel betreiben. Dies ist der Grund, warum nur wenige Nationen Anreicherung betreiben.
Das Henne-Ei-Problem bei HALEU
Bisher wurden die Brennstoffmengen für die Flotte der Leichtwasserreaktoren in den USA weltweit zusammengekauft. Etwa 27% wurden in den USA angereichert, 24% aus Russland bezogen und die restlichen 48% kamen aus dem Rest der Welt. Insofern war die von den Qualitätsmedien verbreitete Abhängigkeit von Russland Quatsch. Wieder einmal die Verbreitung von Halbwahrheiten zur Stimmungmache gegen Kernenergie. Angereichertes Uran ist schon lange ein weltweites Handelsgut. Allerdings enthielt diese Nachricht ein kleines Quäntchen Wahrheit: Russland ist momentan der einzige Anbieter von HALEU.
Der Bau einer neuen Anreicherungsanlage für HALEU ist eine Milliarden Investition. Keiner kann aber im Moment voraussagen, welche Mengen in den nächsten Jahren am Markt nachgefragt werden. Genau das wiederum, hängt von dem Bau neuer Reaktoren ab. Deshalb hatte man die gute und richtige Idee, erstmal HALEU aus Russland zu beziehen, bis sich der tatsächliche Bedarf genauer abzeichnet. Wegen des Überfalls der Ukraine sind diese Geschäfte inzwischen von der Politik gestoppt worden. Nun muß man schleunigst – mit viel Steuergeldern – eine eigene Produktion aufbauen. Der gesamte Fahrplan für „fortschrittliche“ Reaktoren ist dadurch Makulatur geworden. Es ist nur zu hoffen, daß dies nicht zur Pleite einiger hoffnungsvoller, junger Unternehmen führt.
HALEU ist teuer
Es bleibt aber ein grundsätzliches Problem: HALEU ist sehr viel teurer als LEU. Wenn man Natururan (0,711% U235) auf einen Restgehalt von 0,2% U235abreichert, braucht man für eine Anreicherung auf 5% U235 9,393 kg Natururan als Einsatz. Will man aber auf 20% U235anreichern, benötigt man 38,748 kg Natururan. Das ist, wie zu erwarten, die vierfache Menge. Das betrifft aber nicht nur den Einkauf des Natururans, sondern auch die Konversion in UF6 und die Rekonversion zu Uran. Ob man daraus aber auch die vierfache Energie gewinnen kann, muß sich erst erweisen, denn das hängt vom zulässigen Abbrand der unterschiedlichen Reaktoren ab.
Die Urananreicherung ist energieintensiv. Für 1kg SWU (Separative Work Unit) sind 40 bis 50 kWh nötig. Die Urantrennarbeit ist aber nicht nur ein unmittelbares Maß für die Antriebsenergie, sondern auch für den technischen Aufwand und damit die Investition und die Betriebskosten. Im Moment bewegen sich die Kosten zwischen 100 und 150 USD/kgSWU bei LEU. Für neu genehmigte und gebaute Anlagen für HALEU gibt es nur Schätzungen. Man geht derzeit von Kosten bis zu 1000 $/kgSWU aus. Das ist rund ein Faktor 10 zwischen LEU und HALEU! In wie weit sich die Kosten bei „Massenproduktion“ noch senken lassen, steht in den Sternen. Bei dem o. g. Beispiel beträgt die Trennarbeit für 5% LEU 8,851 kgSWU, für 20% HALEU aber 45,747 kgSWU. Leider ist das reine Physik: Der Aufwand steigt überproportional um den Faktor 4,64.
Man kann jetzt wirtschaftlich etwas gestalten, in dem man eine Anlage baut, die nicht mit Natururan betrieben wird, sondern LEU als Eingang nutzt, welches man jeweils (günstig) auf dem Weltmarkt einkaufen kann. Man würde z. B. 4,125 kg 5% LEU pro kg Produkt von 20% HALEU und nur 9,237 kgSWU für diesen zweiten Schritt benötigen. Die hohen Kosten für neue HALEU-Anlagen würden nicht ganz so brutal auf das Endprodukt durchschlagen.
Schlussfolgerung
Bisher ist alles nur Spekulation. Die tatsächlichen Kosten für HALEU kann man erst „nachrechnen“, wenn es die ersten kommerziellen Anlagen gibt. Letztendlich entscheidend ist der Anteil der Brennstoffkosten an der produzierten elektrischen Energie. Bisher war dieser bei Leicht- und Schwerwasserreaktoren fast vernachlässigbar. Bei Reaktoren die HALEU erfordern, sieht die Sache ganz anders aus. Man geht dort von Brennstoffkosten zwischen 10 und 15 $/MWhel aus. Wie gesagt, alles bisher nur theoretische Berechnungen. Sollte sich aber die Größenordnung als zutreffend erweisen, dürften sich alle Reaktorkonzepte, die HALEU benötigen, bereits überlebt haben, bevor sie in Serie gegangen sind. Es wird nur wenige Anwendungen für Mikroreaktoren oder als Einstiegsmodelle für Reaktoren mit schnellem Neutronenspektrum (Oklo Aurora, Westinghouse eVinci, TerraPower) geben. Besonders alle Reaktoren, die auf TRISO Brennelemente und hohe Temperaturen setzen, müssen schleunigst ihre Nische finden.
Sollten sich SMR (Small Modular Reactor) mit Leistungen bis 300 MWel für die dezentrale Stromerzeugung und Wärmeversorgung durchsetzen, werden wohl die konservativen Entwürfe (Holtec, Rolls-Royce, GE Hitachi usw.) das Rennen machen. Gerade die Verwendung handelsüblicher Brennelemente ergibt nicht nur wirtschaftliche Vorteile, sondern stellt auch einen Vorteil bei der Genehmigungsbehörde und der Kundenakzeptanz dar.