Kernenergie

Diagnose und Heilung von Tumoren

Im Forschungsreaktor FRM II des Heinz Maier-Leibnitz Zentrums (MLZ) in Garching bei München wird künftig mit Hilfe von Neutronenstrahlung das in der Medizin oft eingesetzte Technetium hergestellt.

Eine stoffliche Rolle kommt Uran in der Erzeugungskette des Isotops Technetium-99m (Tc-99m) zu, das durch den Zerfall von Molybdän-99 entsteht. Dieses Isotop wird in der Nuklearmedizin am häufigsten für die Diagnostik und zur Krebsbehandlung verwendet. Denn es hat eine sehr geringe Halbwertzeit von sechs Stunden und die geringe Strahlenintensität minimiert die Strahlenbelastung für Patienten. Durch diese kurze Halbwertszeit kann das in der Medizin meist genutzte Radioisotop nicht gelagert werden. Die gesamte Produktionskette muss deshalb zügig und gut aufeinander abgestimmt ablaufen, um die Krankenhäuser rechtzeitig mit der notwendigen Menge an Tc-99m zu beliefern. Etwa 30 Millionen Untersuchungen gibt es weltweit im Jahr.1 Allein in Deutschland 60.000 pro Woche2, das entspricht etwa einem Zehntel des weltweiten Bedarfs. Angewendet wird es zur Untersuchung der Schilddrüse oder zur Diagnose von Erkrankungen an Lunge, Herz, Leber, Galle und dem Skelett. In einem Neubau am Forschungsreaktor FRM II soll künftig die Hälfte des europäischen Bedarfs an Technetium-99m in Garching produziert werden.

3.000 neue Pflanzen-Sorten

Mit Hilfe von Gammastrahlung werden heute neue Pflanzenarten gezüchtet, um dem Bevölkerungswachstum zu begegnen, zum Beispiel neue Reissorten.3 Bangladesch etwa konnte in den letzten Jahrzehnten seine Reisproduktion um das dreifache erhöhen. Binadhan-7 ist eine von verschiedenen Reis-Variationen – entwickelt von den Wissenschaftlern des Bangladesh Institute for Nuclear Agriculture (BINA), mit Unterstützung der International Atomic Energy Agency (IAEA) und der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen. Wie viele andere neue Reissorten wurde Binadhan-7 entwickelt durch das Verfahren „Plant Mutation Breeding“. Dabei dient radioaktive Strahlung als Katalysator eines natürlichen Mutationsprozesses von Pflanzensamen. Weltweit wurden schon über 3.000 Pflanzen-Sorten durch Plant Mutation Breeding gezüchtet.

Gegen Bakterien und Schimmelpilze

Strahlung, die mittelbar durch die Verwendung von Uran erzeugt wird, wird in modernen Industriegesellschaften auch für die Sterilisation genutzt. Denn diese energiereiche Teilchenstrahlung beseitigt gesundheitsschädliche Mikroorganismen, ohne das dabei Radioaktivität entsteht. Die Bestrahlung erhöht zudem die Haltbarkeit. In Deutschland beispielsweise werden so getrocknete Gewürze behandelt. Denn Gewürze und in freier Natur gewachsene Kräuter können Bakterien und Schimmelpilze enthalten. Bei Sterilisation mit Heißdampf leiden Vitamingehalt, Farben und Aromastoffe. Bei der Sterilisierung durch Bestrahlung bleiben Vitamine und Aromen erhalten. Auch Verpackungen werden sterilisiert, damit später in die Lebensmittel keine Krankheitskeime gelangen. Leere Joghurtbecher etwa kommen in eine Sterilisationsanlage. Nicht jeder Becher einzeln: Ionisierende Strahlung wirkt durch viele Materialschichten hindurch. So können ganze Paletten mit Joghurtbechern gleichzeitig sterilisiert werden.

Neutronen: In Flugzeugwände hineinschauen

Anders als in einem Kernkraftwerk sind in der Neutronenforschung die überschüssigen Neutronen der Kernspaltung aus Uran das erstrebte Produkt, die Wärme ein unerwünschtes Nebenprodukt. Neutronen sind kleine, elektrisch neutrale Teilchen. Sie dringen tief in Materialen ein. Forscher können dadurch sowohl Materialen untersuchen, als auch deren Molekularstruktur ändern. In der Materialforschung untersuchen Forscher zum Beispiel Turbinen, Automotoren oder Flugzeugwände. Hier geht es unter anderem um den Einfluss von extremer Belastung, wie Temperatur, Druck oder Spannung. Ziel ist es, Beschädigungen zu entdecken und Materialien zu entwickeln, die strapazierfähiger, leichter und kostengünstiger sind.

Uran als Katalysator

In Erforschung befindet sich derzeit ein Verfahren, in dem abgereichertes Uran als chemischer Katalysator zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser mit Strom genutzt wird. Urankatalysatoren könnten auch die Nutzung von Kohlendioxid und Stickstoff als Rohstoffe verbessern. Ein Beispiel ist die Umwandlung von Kohlendioxid in die Energieträger Ethanol oder Methanol. Kohlendioxid ist ein Treibhausgas und fällt bei der Energiegewinnung, als Abgas im Verkehr oder in der Stahl- und Zementindustrie an. Die chemische Umwandlung von Kohlendioxid ist ein sehr energieaufwendiges Verfahren. Die Umwandlung mit Uran verringert diesen Energiebedarf. Auch die Herstellung von Ammoniak aus Stickstoff wäre mit Hilfe von Urankatalysatoren möglich. Denn etwa 1,4 Prozent des globalen Energieaufwands wird zurzeit allein für die Herstellung von Ammoniak verbraucht. Ammoniak ist eine Grundchemikalie und wird zum Beispiel in Dünger verwendet.

Wärme aus Uran

Die weltweit bedeutendste Anwendung von Uran ist der Einsatz in Kernkraftwerken zur Stromerzeugung. Durch Kernspaltung und Kettenreaktion wird Energie erzeugt. In einem Kernkraftwerk ist dabei die Wärme das erwünschte Hauptprodukt.

Ein klassischer Dampfkraftprozess über Dampfturbine und Generator erzeugt dann den Strom. Uran ist kein fossiler Brennstoff, deshalb fällt bei seinem Einsatz praktisch kein CO2 an. In diesem Punkt gleicht Uran der Wasserkraft. Der Anteil des Brennstoffs Uran an den Kosten der Stromerzeugung aus Kernenergie ist verhältnismäßig niedrig und liegt im internationalen Durchschnitt zwischen 10 und 15 Prozent. Im Dezember 2016 waren in 31 Ländern 450 Kernkraftwerke in Betrieb und in 15 Ländern 58 Kernkraftwerke in Bau. Ende 2016 waren in der Europäischen Union (EU-28) 129 Kernkraftwerke in Betrieb.

Kernreaktoren in der Natur

Interessant ist, dass die Kernspaltung und Kettenreaktion nicht nur von Menschen initiiert werden kann. Es gab auch Naturreaktoren: Uranlagerstätten, in denen Kernspaltung und Kettenreaktion aufgrund einer natürlichen Urankonzentration entstanden. In Oklo, Gabun (Zentralafrika), waren vor 1,5 bis 2 Milliarden Jahren 14 Naturreaktoren aktiv – und das für ca. 500.000 Jahre. Hier wurde in etwa so viel Wärmeenergie erzeugt, wie ein durchschnittliches Kernkraftwerk in vier Jahren produziert.

Uran für Jahrtausende

Uran kommt in der Natur nicht in einer Reinform vor. Uran gibt es nur in Mineralien. Es sind etwa 230 dieser sogenannten Uranmineralien bekannt. In Spuren ist Uran nicht nur überall im Boden zu finden, sondern auch in den Weltmeeren. Der durchschnittliche Gehalt liegt in der kontinentalen Erdkruste bei etwa drei Gramm pro Tonne. Damit ist Uran etwa so häufig wie Zinn. Durch geologische Prozesse haben sich auf allen Kontinenten und in vielen Ländern Erze mit erhöhten Konzentrationen von Uran gebildet, sodass sich eine wirtschaftliche Nutzung lohnt. Heute werden Erze wirtschaftlich genutzt, die einen Urangehalt von mindestens 0,1 bis 0,5 Prozent haben.

Den höchsten Gehalt an Uran weist das Mineral Uraninit auf, auch bekannt als „Pechblende“. Es hat einen Urananteil von bis zu 20 Prozent. Da Uran an vielen Stellen auf der Welt zu finden ist, ist die Versorgungssicherheit bei Uran höher als bei anderen strategisch wichtigen Rohstoffen. Der weltweite Uranbedarf betrug 2015 rund 56.600 Tonnen. Die weltweiten Uranressourcen sind für viele Jahrzehnte ausreichend, um die Versorgung der Kernkraftwerke zu sichern – auch falls die Zahl der Kernkraftwerke weltweit deutlich wächst.

Ressourcen

Im „Red Book“, das von der Nuclear Energy Agency (NEA) der OECD und der IAEA gemeinsam herausgegeben wird, sind die gesamten Uranressourcen mit rund 15 Millionen Tonnen Uran (tU) angegeben. Die heute bekannten und mit aktueller Technik zu maximal 130 $ pro Kilogramm Uran (kg U) förderbaren Ressourcen sind rund 5,7 Millionen tU. Bei Berücksichtigung der In-situ-Fördermethode erweitern sich die Ressourcen auf 7,4 Millionen tU.

Durch kontinuierliche Uransuche werden neue Lagerstätten gefunden. Zudem bestehen weitere Ressourcen, zum Beispiel geschätzt rund neun Millionen tU in Phosphatvorkommen oder mehrere Millionen tU in Schwarzschiefer. Etwa vier Milliarden Tonnen Uran sind im Meerwasser gelöst. Allein die gesamten konventionellen Ressourcen würden den globalen Uranbedarf für mehr als 200 Jahre decken.

Grubenbewetterung, Abraumhalden, Absetzbecken

Beim Uranbergbau kommen dieselben Techniken zum Einsatz wie beim Abbau anderer Mineralien: Tagebau oder untertägiger Abbau. In vielen Bergwerken wird Uran nicht als Haupt-, sondern als Nebenprodukt gewonnen – im australischen Kupferbergwerk Olympic Dam neben Gold und Silber.

Da Uran radioaktiv ist, gelten beim Uranbergbau für die Bergleute dieselben Grenzwerte wie für das Personal von Kernkraftwerken. Von der Abluft der Grubenbewetterung, den Abraumhalden und den Absetzbecken für die Schlämme aus der Erzaufbereitung dürfen keine unzulässigen Mengen radioaktiver Stoffe in Luft und Gewässer gelangen. Grubenabwässer werden auf Radioaktivität und den Gehalt giftiger Schwermetalle kontrolliert und gereinigt.

Den Erzkörper anbohren

Ein Verfahren zur Uranförderung verbreitet sich mehr und mehr: die In-situ-Lösung (englisch: in situ leaching). Dabei wird das Erz nicht abgebaut, ondern in den Erzkörper werden Bohrungen eingebracht und ein Lösungsmittel – meist verdünnte Schwefelsäure – hineingepumpt. Es löst das Uran im Erzkörper auf und die sich so bildende uranhaltige Lösung wird durch andere  Bohrungen wieder aus der Lagerstätte herausgepumpt. Inzwischen wird rund die Hälfte der weltweiten Uranproduktion nach dem in-situ-Lösungsverfahren gewonnen. Dieses Verfahren ist umweltfreundlicher und wirtschaftlicher als die konventionelle Förderung und ermöglicht eine bessere Ausnutzung der Vorkommen. Eingriffe in die Natur werden minimiert, der Abraum erheblich verringert und nicht gewollte, mitunter giftige und in der Tiefe zu findende Stoffe werden nicht gefördert.