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Definition: ein chemisches Element, welches insbesondere für die Nutzung von Kernenergie benötigt wird
Uran (Elementsymbol U) ist ein giftiges und schwach radioaktives Schwermetall, welches aus gewissen Erzen gewonnen werden kann. Natururan besteht zum Großteil (ca. 99,3 %) aus dem Isotop Uran 238 (238U) und nur zu ca. 0,7 % Uran 235. Dies liegt daran, dass die Halbwertszeit des Uran 235 ca. 704 Millionen Jahre beträgt, deutlich weniger als diejenige von Uran 238 (4,5 Milliarden Jahre) und auch viel weniger als das Erdalter. Es gibt noch etliche andere Uran-Isotope, die aber im Natururan nur in verschwindend geringen Mengen vorkommen. Uran 233 lässt sich durch Neutronenbestrahlung von Thorium erbrüten, nicht jedoch aus Natururan.
Für die Nutzung der Kernenergie hat bisher Uran 235 die größte Bedeutung. Bei diesem lässt sich nämlich durch Neutronenbeschuss (auch mit langsamen, sogenannten thermischen Neutronen) leicht die Kernspaltung auslösen, bei der wieder ca. 2 bis 3 weitere Neutronen freiwerden, so dass eine nukleare Kettenreaktion möglich ist. Die geringe Konzentration an Uran 235 im Natururan ist jedoch für die meisten Kernreaktoren zu klein (außer für gewisse Schwerwasserreaktoren), so dass zunächst eine Urananreicherung nötig ist, d. h. die Gewinnung von Uran mit einem höherem Anteil (typisch einige Prozent) von Uran 235.
Die Energiedichte von Uran (ähnlich der von anderen Kernbrennstoffen) ist extrem hoch. Die Spaltung von 1 kg Uran setzt ca. 2400 Megawattstunden = 2,4 Millionen Kilowattstunden Wärme frei – gleich viel wie die Verbrennung von ca. 3000 Tonnen Steinkohle. Selbst wenn man von Natururan ausgeht und annimmt, dass nur das enthaltene Uran 235 gespalten wird (unter Vernachlässigung sowohl unvollständiger Nutzung des Uran 235 als auch der Erbrütung von Plutonium 239), erhält man aus 1 kg Uran immer noch ca. 17 Megawattstunden, zu vergleichen mit einem Heizwert von Kohle von ca. 0,0083 Megawattstunden = 8,3 Kilowattstunden.
In einem Leichtwasserreaktor wird ein kleiner Teil des nicht direkt spaltbaren Uran 238 durch Neutroneneinfang in das leicht spaltbare Plutonium 239 umgewandelt. Soweit dieses nicht bereits im Reaktorbetrieb wieder gespalten wird, befindet es sich dann in den abgebrannten Brennelementen. Es trägt einerseits maßgeblich zum Gefährdungspotenzial des Atommülls bei und kann andererseits bei der Wiederaufarbeitung abgetrennt werden, um einer weiteren Nutzung zugeführt zu werden – entweder in Form von Mischoxid-Brennelementen in einem Kernreaktor, um Natururan einzusparen, oder auch in Atombomben (obwohl dieses Reaktorplutonium hierfür nicht ideal geeignet ist).
In einem Brutreaktor lässt sich besonders viel Uran 238 in Plutonium 239 umwandeln, und dies in reinerer Form, d. h. mit geringeren Anteilen anderer Plutonium-Isotope. Auf diese Weise lässt sich also ein viel höherer Teil des Natururans nutzen. Andererseits entstehen große Gefahren nicht nur durch den sicherheitstechnisch problematischeren Betrieb von Brutreaktoren, sondern auch durch die Wiederaufarbeitung, die Handhabung des hochgefährlichen Plutoniums sowie durch die Gefahr des Missbrauchs für Atombomben. (Reines Plutonium 239 ist hierfür ideal geeignet.)
Die Gewinnung von Natururan beginnt mit dem Bergbau. In der Regel ist die Urankonzentration der Erze sehr gering. Es gibt zwar Erze mit Urankonzentration bis zu ca. 20 %, aber ein Großteil des Urans findet sich in Erzen mit weitaus niedrigerer Konzentration, oft sogar weit unter 1 %. Dies bedeutet, dass die geförderte Erzmenge weitaus größer ist als die gewonnene Uranmenge. Das Uran muss mit aufwändigen und umweltbelastenden Methoden aus dem Erz extrahiert werden, und der entstehende Abraum enthält eine Reihe problematischer (radioaktiver und giftiger) Stoffe. Da dieser Abraum in vielen Fällen nicht sorgfältig beseitigt, sondern oft sogar unter freiem Himmel gelagert wird, entstehen durch den Uranbergbau massive Umweltbelastungen – häufig wesentlich stärkere als die durch den Betrieb von Kernkraftwerken, solange dort keine wesentlichen Unfälle geschehen.
Über die Reichweite der Uranvorräte der Erde für die Kernenergienutzung sind extrem unterschiedliche Zahlen im Umlauf – zwischen wenigen Jahrzehnten und vielen Jahrtausenden. Der Hauptgrund hierfür ist, dass unterschiedliche Annahmen über die Art der Urannutzung gemacht werden. Bisher wird das Uran in den meisten Fällen in einem Leichtwasserreaktor genutzt, ohne anschließende Wiederaufarbeitung. Auf diese Weise bleibt ein Großteil des Uran 238, also des Hauptbestandteils von Natururan, ungenutzt. Sollte die Kernenergienutzung weiter in dieser Weise erfolgen, und zwar mit dem gleichen Umfang wie heute, dürften die weltweiten Uranvorräte nur noch für einige Jahrzehnte ausreichen, also z. B. deutlich weniger lang als die Kohlevorkommen. Das Uran wird dann nicht plötzlich ausgehen, sondern seine Gewinnung wird allmählich immer aufwändiger und kostspieliger, da immer niedriger konzentrierte Erze verarbeitet werden müssen.
Würde zusätzlich konsequent die Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen genutzt, ließe sich die Reichweite der Uranvorräte deutlich, aber nicht massiv verlängern. Man würde nämlich immer noch den größten Teil des Uran 238 ungenutzt lassen. Andererseits wäre die Wiederaufarbeitung mit hohen Kosten verbunden, und es entstünden zusätzliche Risiken einerseits durch den Betrieb der Anlagen und andererseits durch die Gefahr der Missbrauch von Plutonium für Atombomben.
Eine massive Vergrößerung der Reichweite des Urans bin hin zu mehreren Jahrtausenden wäre möglich durch die breite Nutzung von Brutreaktoren. Hier würde ein Großteil des Uran 238 in Plutonium 239 umgewandelt und dieses dann der Kernspaltung zugeführt. Zusätzlich könnte mit entsprechend optimierten Brutreaktoren das Atommüllproblem erheblich entschärft werden, jedenfalls was die langfristige Perspektive betrifft. Trotz dieser Vorteile der Brutreaktoren werden solche aber bisher fast nirgends betrieben oder neu gebaut. Dies liegt hauptsächlich an den sehr hohen Kosten und den weltweit sehr negativen Erfahrungen mit der Zuverlässigkeit von Brutreaktoren. (Ein annähernd so zuverlässiger und wirtschaftlicher Betrieb wie mit konventionellen Leichtwasserreaktoren ist bisher mit keinem Typ von Brutreaktor gelungen.) Hinzu käme die besonders hohe Gefahr des Missbrauchs von Plutonium für militärische Zwecke.
Siehe auch: Urananreicherung, Kernbrennstoff, Kernspaltung, Plutonium, Radioaktivität, Brutreaktor