Erneuerbare Kernkraft: Wie lange reichen die Uranvorkommen weltweit?

Angeblich reichen die weltweiten Uranvorkommen nur noch 200 Jahre oder sogar nur 100 Jahre. Stimmt das?

Uran ist zwar ein sehr häufiges Metall, aber letztendlich eine endliche Ressource.

Bei einer Verfünffachung der AKW hätten wir noch 125 Jahre Uran-Reichweite mit heutigen Reaktoren.

Die Kernkraft kann also mit aktueller Technologie eine Brücke sein, um uns ein gutes Jahrhundert Zeit zu verschaffen.

Mit Zukunftstechnologien kann die Kernkraft sogar erneuerbar sein, insbesondere Brüter-Reaktoren und Meerwasserextraktion von Uran.

Wenn wir unsere Uranvorkommen nachhaltig nutzen, reichen sie nicht nur Jahrhunderte, sondern viele Jahrmillionen.

Wie lange reichen die Uranvorkommen weltweit?

Wie lange reichen die Uranvorkommen v3 - Erneuerbare Kernkraft: Wie lange reichen die Uranvorkommen weltweit?

Und bleiben folgende Reichweiten für den Brennstoff Uran:

  • 125 Jahre für Leichtwasserreaktoren: nur mit Uran-Reserven und Wiederaufbearbeitung
  • 24.000 Jahre für Leichtwasserreaktoren: zusätzlich 10% der Vorkommen im Meerwasser
  • 14.000 Jahre für Brüter-Reaktoren: nur mit Uran-Reserven
  • 308.000 Jahre für Brüter-Reaktoren: zusätzlich 10% der Vorkommen im Meerwasser
  • 260.000.000 Jahre für Brüter-Reaktoren: zusätzlich 1% der Vorkommen in der kontinentalen Kruste

Annahme ist eine Verfünffachung der heutigen Atomstromerzeugung, wie vom Weltklimarat vorgeschlagen.

Die Berechnung dazu folgt im Artikel.

Ist die Kernkraft nur eine Brückentechnologie?

Mit vorhandenen Technologien haben wir noch rund 600 Jahre Reichweite Uran beim heutigen Anteil der Kernenergie an der Stromerzeugung.

Der Weltklimarat schlägt nun aber vor, die installierte Leistung der AKW zu verfünffachen. Wenn das klappt, reichen die bekannten konventionellen Uran-Vorkommen nur noch 125 Jahre.

Mit nur einem Jahrhundert Laufzeit, wäre die Kernspaltung nur eine Brückentechnologie auf dem Weg zur Kernfusion oder anderen Zukunftstechnologien.

Zum Vergleich:

  • Menschen gibt es seit 120.000 Jahren
  • Kohle nutzen wir seit 140 Jahren
  • Zivile Kernkraft nutzen wir seit 70 Jahren

Mit neuen Reaktor-Technologien und Meerwasser-Extraktion vervielfacht sich die Uran-Reichweite um viele Größenordnungen auf rund 260 Millionen Jahre.

Die Kernspaltung hat das Potential mehr als nur eine Brückentechnologie zu sein. Mit nachhaltiger Nutzung geht uns das Uran in menschlichen Zeitskalen nicht aus.

Red Book: Konventionelle Uranreserven & Zuwachsrate

Doch bevor wir zu unkonventionelle Reserven und Recycling kommen, erst einmal die konventionellen Reserven von Uranerz.

Das Schwermetall Uran ist ein relativ häufiges Element. Von 8.070.000 Tonnen Gesamtreserven wissen wir laut Red Book (2019) der OECD:

  • 4.723.000 Tonnen: bekannte Reserven
  • 3.346.000 Tonnen: vermutete Reserven

Reserven sind Vorkommen, die bekannt und mit heutigen technischen Mitteln wirtschaftlich förderbar sind. Das Red Book zieht die Grenze der Wirtschaftlichkeit bei weniger als 260 USD pro Kilo Uranerz.

Pro Jahr werden für die weltweit ~450 Leistungsreaktoren rund 46.000 Tonnen Uranerz gebraucht. Uran ist ein extrem energiedichter Brennstoff. Um dieses Uranerz zu ersetzen, müsste man nach Gewicht 17.000 Mal so viel Steinkohle verbrennen.

Obwohl also ständig Uran abgebaut wird, steigen die Reserven jedes Jahr. Zwischen 2017 und 2019 wuchsen die Reserven um 1,0%, zwischen 2015 und 2017 sogar um 4,5%. Im Schnitt stiegen die Reserven pro Jahr um 107.000 Tonnen Uranerz zwischen 2015 und 2019.

Brennstoffkosten sind ein sehr kleiner Teil der Vollkosten von Kernkraftwerken. Ein Anstieg der Urankosten auf 260 USD pro Kilo entspräche rund einer Verfünffachung der Preise von 2022 und wäre bezahlbar für die AKW.

Wenn der Uranpreis deutlich steigen sollte, würde es sich lohnen nach neuen Abbaugebieten zu suchen. Die Reserven würden bei einer Verfünffachung des Preises vermutlich deutlich steigen. In diesem Artikel rechne ich aber konservativ, ohne eine solche Steigerung.

Dass die Exploration und der Umfang der bekannten Reserven vom Preis abhängt ist das Einmaleins der Ressourcenwirtschaft. Deswegen ist uns auch das Erdöl immer noch nicht ausgegangen, trotz regelmäßiger anderslautender Prognosen seit den Siebziger Jahren.

Megatons to Megawatts: Schwerter zu Pflugscharen

Auch weitere Uran-Vorkommen gibt es, nämlich das Atomwaffenarsenal. Das erfolgreichste Abrüstungsprogramm von Atombomben hat im Innern von Kernkraftwerken Strom erzeugt.

Mit “Megatons to Megawatts” wurden zwischen 1994 und 2013 rund 500 Tonnen waffenfähiges Uran aus USA und Russland zu Kernbrennstoff abgereichert und als Brennstoff genutzt.

Waffenfähiges Uran hat einen U-235-Anreicherungsgrad von über 90%, Uranerz nur 0,7%. Man konnte mit den 500 Tonnen Waffen-Uran also rund 150.000 Tonnen Uranerz ersetzen.

Auch heute noch gibt es überflüssige Mengen von hochangereichertem Waffenuran. Alleine die USA hat wohl rund 100 Tonnen davon. 1

Ebenfalls nutzbar in Leistungsreaktoren ist hochangereichertes Waffenplutonium. Allein Großbritannien hat rund 100 Tonnen davon. 2

Insgesamt werden weltweit folgende Mengen hochangereicherten Materials gebunkert: 3

  • 1.330 Tonnen hochangereichertes Uran
  • 316 Tonnen ziviles hochangereichertes Plutonium
  • 220 Tonnen militärisches hochangereichertes Plutonium

Zusammen sind das 1.866 Tonnen. Wenn man in Zukunft die Hälfte davon für die Stromproduktion nutzen würde, kann man damit rund 250.000 Tonnen Uranerz ersetzen.

Recycling: Wiederaufbearbeitung von “verbrauchtem” Kernbrennstoff

Streckbetrieb Notkern  Reserven von Brennstaeben - Erneuerbare Kernkraft: Wie lange reichen die Uranvorkommen weltweit?

Brennstäbe in einem Leistungsreaktor werden für einige Jahre abgebrannt und sind dann “verbraucht”. Es ist zu wenig spaltbares Material übrig, um eine stabile Kettenreaktion für die volle Reaktorleistung aufrechtzuerhalten.

Der Abbrand ist aber nicht vollständig. Die Brennstäbe enthalten immer noch sehr viel spaltbares Material. Aus diesem Grund ist auch der sogenannte Streckbetrieb möglich, also ein Betrieb mit langsam sinkender Leistung.

Von dem 4-prozentigen Anteil Uran-235 in frischen Brennstäben bleibt rund 1% übrig. Außerdem haben sich durch Neutroneneinfang rund 1% Transurane gebildet. Davon sind rund zwei Drittel spaltbar, insbesondere Plutonium-239 und deutlich weniger Plutonium-241.4

Verglichen mit dem ursprünglichen Brennstoffgehalt ist also noch fast die Hälfte übrig und kann recycled werden. Zusammen mit abgereichertem Uran wird daraus sogenanntes Mixed Oxide Fuel (MOX), welches in normalen Leichtwasserreaktoren verwertet werden kann. So lässt sich 22% mehr Energie aus derselben Menge Uranerz holen.

Es ist sogar möglich das MOX-Fuel erneut zu recyclen zu sogenanntem REMIX-Fuel. In jedem Durchlauf erhöht sich die Energieausbeute erneut um rund 20%. REMIX wird in der Praxis aber nicht produziert, weil es teurer ist als MOX-Fuel und Uran alles andere als knapp ist.

Die MOX-Produktion ist aber Alltag und geschieht zum Beispiel in La Hague in Frankreich oder Sellafield in England. Als früher die deutschen Castoren gerollt sind, waren sie auf dem Weg von einer solchen Wiederaufbearbeitungsanlage. Die deutsche Wiederaufbearbeitungsanlage Wackersdorf wurde leider nie gebaut.

In Deutschland wurde die Wiederaufbearbeitung im Jahr 2005 sogar ganz verboten. Wir werfen seitdem leider einen Teil unseres Brennstoffs als “Atommüll” weg. Durch die weggefallene Wiederaufbearbeitung haben wir seit 2005 deutlich mehr und langlebigeren Atommüll produziert.

Berechnung der Reichweite von konventionellen Uranvorkommen

Die Zahlen stammen aus den beiden aktuellsten Red Books5

  • wirtschaftlich förderbar sind 8.070.000 Tonnen Uranreserven in 2019
  • Reserven wuchsen jährlich um 107.000 Tonnen Uranerz (2015-2019)
  • Jahresverbrauch in Leistungsreaktoren umgerechnet auf Uranerz bei rund 46.000 Tonnen
  • Jährlich wachsen die Reserven abzüglich Verbrauch also um rund 153.300 Tonnen Uranerz
  • Hochgerechnet werden in den nächsten 100 Jahren rund 15.300.000 Tonnen Uranreserven entdeckt
  • 50% des vorhandenen hochangereichertes Waffenmaterials kann 250.000 Tonnen Uranerz ersetzen

Zusammen sind das gut 23.500.000 Tonnen Uranerz. Beim fünffachen heitigen Jahresverbrauch von 230.000 Tonnen sind das 102 Jahre Reichweite.

Die Wiederaufbearbeitung zu MOX-Fuel erhöht die erzeugte Energie pro Kilo Uranerz um rund 22%. Die Reichweite konventioneller Reserven liegt also bei 125 Jahren.

Der Effekt verstärkter Exploration bei höheren Uranpreisen ist hier nicht berücksichtigt. Ebenfalls nicht berücksichtigt sind Uranvorkommen als Nebenprodukt, z.B. in Kohleasche.

Recycling mit Brütern: Geschlossener Brennstoffkreislauf

In unseren bisherigen Leichtwasserreaktoren nutzen wir weniger als 1% des Urans. Das ist so, als ob wir einen kleinen Schluck aus einer Flasche nehmen und den Rest wegwerfen.

Natur-Uran in unserem Zeitalter enthält rund 99,3% vom Isotop Uran-238 und nur 0,7% vom Isotop Uran-235. Leichtwasserreaktoren können aber fast ausschließlich Uran-235 spalten und auch davon nicht alles.

Durch die Wiederaufbearbeitung mit MOX und REMIX könnte man zumindest das Uran-235 sowie spaltbare Neutroneneinfangsprodukte vollständig nutzen. Dadurch verlängert sich die Reichweite aber nur auf bis zu rund 150% Prozent.

Um auch das Uran-238 vollständig als Brennstoff zu nutzen, brauchen wir einen anderen Reaktortyp. In sogenannten Brütern wird das Uran-238 zu Plutonium-239, welches als Brennstoff in Leichtwasserreaktoren verwendet werden kann.

Brüter-Reaktoren arbeiten meistens mit schnellen Neutronen statt der moderierten Neutronen in Leichtwasserreaktoren. Der dabei entstehende Brennstoff ist aber wiederum in normalen Leichtwasserreaktoren nutzbar.

Ein Brüter kann dabei den Brennstoff für mehrere Leichtwasserreaktoren erzeugen. Aus der gleichen Menge Uran lässt sich so rund 150 Mal mehr Energie erzeugen. Man spricht dann von einem geschlossenen Brennstoff-Kreislauf.

Schonende Uranförderung: Uran aus Meerwasser

Uranerz abzubauen ist aber nur eine Möglichkeit an Uran zu kommen. Im ganz normalen Meerwasser ist um zig Größenordnungen mehr Uran gelöst als in uranreichen Schichten im Gestein. Die Meerwasser-Extraktion ist dabei deutlich besser für die Umwelt als selbst In-Situ-Leaching.

Meerwasserextraktion lohnt sich ab etwa 80 USD pro Kilogramm. 6

Der Uranpreis stieg in der Vergangenheit bereits mehrmals über 80 USD. Meerwasserextraktion könnte also bereits wirtschaftlich sein. Sie wird sich aber erst lohnen, wenn für weniger als 80 USD abzubauende Erzreserven aufgebraucht sind.

Im Meerwasser sind rund 4,5 Milliarden (!) Tonnen Uran gelöst. Wenn wir es schaffen nur 10% des Meerwasser-Urans extrahieren, können wir die konventionellen Reserven um den Faktor 20 erhöhen.

An diesem Punkt können wir uns eigentlich aufhören um Uranvorkommen Sorgen zu machen. Es wird aber noch besser. Das Urangehalt im Meer steigt nämlich jedes Jahr durch Erosion.

Ist Kernkraft eine erneuerbare Energie?

Brüter-Reaktoren sind bereits als erneuerbare Energie definiert, weil sie mehr Brennmaterial erzeugen können als sie verbrauchen. Das ist aber nur die halbe Wahrheit. Der Ausgangsbrennstoff Uran ist schließlich nicht erneuerbar. Oder etwa doch?

Jedes Jahr fließen rund 32.000 Tonnen Uran in die Weltmeere. Dieses Uran wurde durch Erosion aus der Kontinentalkruste gelöst und über Flüsse ins Meer transportiert. 7

Diese Erosion wird für in menschlichen Maßstäben unermesslich lange Zeiträume anhalten. In der kontinentalen Erdkruste sind schließlich rund 40 Billionen Tonnen Uran vorhanden. 8

Mit Brüter-Reaktoren würde dieser natürliche Zufluss von Uran reichen, um jedes Jahr das 4,5-fache des Weltenergieverbrauchs zu erzeugen. Und dann haben wir noch nicht über Thorium als Brennstoff geredet. Thorium kann ebenfalls in Brüter-Reaktoren verwendet werden und ist rund drei Mal so häufig wie Uran.

Wenn das nicht erneuerbar ist, dann ist auch die Gewinnung von Strom aus Sonnenenergie (Windkraft, Solarkraft, Wasserkraft) nicht erneuerbar. Der Brennstoff in der Sonne ist ebenfalls begrenzt. Wenn der aufgebraucht ist, wird die Sonne zum roten Riesen.

Kernkraft mit geschlossenem Brennstoffkreislauf und Uran aus dem Meerwasser ist also genauso erneuerbar, wie erneuerbare Energien.

Ohne Recycling gibt es keine nachhaltigen Energiequellen

Ressourcenverbrauch von Energiequellen - Erneuerbare Kernkraft: Wie lange reichen die Uranvorkommen weltweit?

Uran ist nicht das einzige Metall, welches in der Energieerzeugung verwendet wird. Auch Windkraft und Photovoltaik verbrauchen Unmengen von begrenzten Metallen wie 9

  • Zink
  • Nickel
  • Molybdän
  • Mangan
  • Kupfer
  • Chrom
  • Aluminium

Auch diese Metallvorkommen würden innerhalb von wenigen Jahrzehnten zur Neige gehen, wenn man versuchen würde den kompletten Weltenergieverbrauch nur mit Wind und Solar zu decken. Das gilt insbesondere, wenn man noch den Ressourcenbedarf von Speichern einbezieht. 10

Die Kernkraft hat sogar mit den geringsten Metallbedarf. Das ist insofern erstaunlich, weil das Schwermetall Uran ja ein Brennstoff ist und kein Baumaterial.

Genau betrachtet ist also keine einzige Energiequelle nachhaltig. Wichtig ist bei allen begrenzten Ressourcen ein nachhaltiger Umgang, insbesondere das Recycling und eine möglichst vollständige Kreislaufwirtschaft.

Für eine schnelle und günstige Dekarboonisierung brauchen wir alle klimafreundlichen Energiequellen.

Annahmen zur Berechnung der Reichweite von Uranvorkommen

Der Vollständigkeit halber noch einmal alle Annahmen:

  1. Im Meerwasser sind 4.500.000.000 Tonnen Uran gelöst. 11
  2. In der kontinentalen Erdkruste befinden sich 40.000.000.000.000 Tonnen Uran. 12
  3. 32.000 Tonnen davon werden pro Jahr durch Erosion ausgelöst und ins Meer gespült. 13
  4. Unsere Leichtwasserreaktoren erzeugen 1,44 GWh elektrische Energie pro Kilogramm Brennstoff mit 4,8% Anreicherung. 14
  5. Um ein Kilogramm Brennstoff auf 4,8% anzureichern, braucht man 9,5 Kilogramm Uranerz. 15
  6. Der Abbrand von Uran in schnellen Reaktoren ist um den Faktor 150 größer als in Leichtwasserreaktoren. 16
  7. Der komplette Primärenergiebedarf der Welt 2019 liegt bei 584 EJ, also 162.222 TWh. 17

Diese Berechnung basiert auf der von Nick Touran auf der empfehlenswerten Webseite What is Nuclear.

Ich empfand seine Annahmen aber als viel zu optimistisch (50% des Urans in der Erdkruste, echt jetzt?). Deshalb stellt dieser Artikel eine recht pessimistische Berechnung auf.

Updates:

  • 01.01.2021: Erstmals veröffentlicht.
  • 22.10.2022: Update mit mehr Fokus auf vorhandenem Verbrauch und existierenden Technologien

Quellen

  1. Declaring more U.S. weapon-grade uranium excess could delay the need to build a new national enrichment plant International Panel of Fissile Materials (2018)
  2. Military Warheads as a Source of Nuclear Fuel World Nuclear (2017)
  3. Fissile material stocks International Panel of Fissile Materials (2021)
  4. Mixed Oxide (MOX) Fuel World Nuclear (2017)
  5. Uranium Resources, Production and Demand (Red Book) OECD (2021)
  6. Ultrahigh and economical uranium extraction from seawater via interconnected open-pore architecture poly(amidoxime) fiber Xu et al (2020)
  7. Breeder reactors: A renewable energy source Cohen (1983)
  8. Energiequelle Uran – Ressourcen, Gewinnung und Reichweiten im Blickwinkel der technologischen Entwicklung Lersow & Märten (2008)
  9. Life Cycle Assessment of Electricity Generation Options UNECE (2021)
  10. Renewable Energy’s Hidden Costs Scientific American (2013)
  11. There’s Uranium in Seawater. And it’s Renewable. CNA (2016)
  12. Revisiting Duration of Nuclear Power Wang (2009)
  13. Breeder reactors: A renewable energy source Cohen (1983)
  14. Advanced Passive 1000 Westinghouse (2011)
  15. SWU Calculator Urenco (2021)
  16. Energy density calculations of nuclear fuel What is Nuclear (2021)
  17. Statistical Review of World Energy BP (2019)