Energie
Meerwasser-Uran ein Schritt näher an einer nutzbaren Energiequelle
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Kernenergie aus Brennstoffen wie Uran liefert Strom mit niedrigen Emissionen über den Lebenszyklus. Ihre Geschichte umfasst auch schwere Unfälle. Moderne Sicherheitssysteme senken Risiken, doch Aufsicht, Abfallmanagement und Umweltschutz bleiben notwendig. Die Abkehr von fossilen Brennstoffen regt eine Neubewertung der Kernenergie an.
Forschende stellten 2023 ein elektrochemisches Verfahren zur Urangewinnung aus Meerwasser vor. Ob es im großen Maßstab nachhaltig sein kann, hängt noch von Kosten, Energieverbrauch und Umweltwirkungen ab.
Ein Forschungsfortschritt
Die in ACS Central Science veröffentlichte Studie trägt den Titel „Selbsttragende Elektroden aus porösen aromatischen Gerüsten für eine effiziente elektrochemische Urangewinnung“. Untersucht wurde die Abscheidung gelöster Uranyl-Ionen, nicht die direkte Herstellung von Strom oder fertigem Kernbrennstoff aus Wasser.
Die gesamte in den Ozeanen gelöste Uranmenge wird auf „etwa 4,5 Milliarden Tonnen, fast das 1.000-Fache der Uranreserven an Land“ geschätzt. Gelöste Gesamtmengen sind jedoch nicht mit wirtschaftlich gewinnbaren Reserven gleichzusetzen. Die Urankonzentration im Meerwasser ist sehr gering.
Das Team beschichtete Kohlefasergewebe mit einem porösen Polymer mit Amidoximgruppen, die Uranyl-Ionen binden. Das Gewebe diente als Kathode, Graphit als Anode; bei angelegtem Strom sammelten sich uranhaltige Niederschläge auf der Oberfläche. In natürlichem Wasser aus dem Bohai-Meer wurden innerhalb von 24 Tagen 12,6 mg Uran pro Gramm aktiv beschichteten Materials gewonnen, nicht pro Gramm Wasser. Der elektrochemische Prozess war etwa dreimal schneller als die passive Anreicherung auf dem Gewebe.
Nach Ansicht des Teams hat die Arbeit „eine wirksame Strategie für die elektrochemische Urangewinnung aus Meerwasser bereitgestellt“. Das Forschungsergebnis belegt noch nicht, dass eine kommerzielle Gewinnung billiger oder umweltverträglicher als Bergbau ist.
Was ist Uran?
Uran ist ein schweres, natürlich vorkommendes metallisches Element. Einige seiner Isotope dienen als Brennstoff bei der Kernspaltung, die aus wenig Brennstoffmasse viel Energie freisetzen kann. Nicht alle Uranisotope haben die gleichen Spaltungseigenschaften.
Abbau und Verarbeitung wirken sich auf Flächen, Wasser und Abfallmanagement aus. Kernstrom hat niedrige Lebenszyklusemissionen, ist aber nicht frei von Umweltwirkungen. Auch die Gewinnung aus Meerwasser muss nach diesen Kriterien beurteilt werden.
Kernspaltung, Kettenreaktion und radioaktiver Zerfall
Wenn ein Uran-235-Kern ein Neutron aufnimmt, kann er sich in leichtere Kerne spalten und dabei Energie sowie weitere Neutronen freisetzen. Diese induzierte Kernspaltung unterscheidet sich von der natürlichen radioaktiven Zerfallskette des Urans.
Quelle: https://pubs.usgs.gov/of/2004/1050/uranium.htm — dargestellt ist eine radioaktive Zerfallskette, keine Kettenreaktion aus Kernspaltungen.
Im Reaktor wird die Kettenreaktion gesteuert. Neutronen aus einer Spaltung können weitere Spaltungen auslösen. Die Wärme wird üblicherweise genutzt, um Dampf zu erzeugen, der mit Generatoren verbundene Turbinen antreibt.
Die Stromerzeugung beruht somit auf kontrollierter Kernspaltung. Ihre Energie darf nicht einfach der natürlichen radioaktiven Zerfallskette im Diagramm zugeschrieben werden.
Kernfusion: ein anderer Ansatz
Kernspaltung erzeugt Spaltprodukte und andere radioaktive Materialien, die geeignet abgeschirmt und verwaltet werden müssen. Spaltprodukte entstehen beim Teilen von Atomkernen und nicht bloß beim gewöhnlichen natürlichen Zerfall von Uran. Wissenschaftler erforschen seit Jahrzehnten die Kernfusion als andere Energiequelle.
Fusion verbindet leichte Atomkerne. Eine wichtige untersuchte Reaktion verbindet Deuterium und Tritium zu Helium, einem Neutron und Energie. Auch die Sonne wird durch Fusion angetrieben, doch dort dominieren andere Reaktionsketten als die auf der Erde untersuchte Deuterium-Tritium-Reaktion. Zu den möglichen Vorteilen gehören:
Hohe Energie pro Brennstoffmasse: Fusion kann pro Kilogramm Brennstoff etwa viermal so viel Energie wie Kernspaltung und fast vier Millionen Mal so viel wie die Verbrennung von Kohle oder Öl liefern. Der Vergleich bezieht sich auf die Brennstoffmasse, nicht auf eine einzelne Reaktion oder den Nettowirkungsgrad eines Kraftwerks.
Brennstoffversorgung: Deuterium lässt sich aus Wasser gewinnen. Tritium ist in der Natur nicht reichlich vorhanden und müsste beispielsweise mit Fusionsneutronen aus Lithium erzeugt werden. Ausreichende Tritiumproduktion und Rückgewinnung bleiben technische Herausforderungen.
Mögliche Umweltvorteile: Wie bei der Kernspaltung setzt die Fusionsreaktion selbst kein Kohlendioxid frei. Die Deuterium-Tritium-Reaktion erzeugt Helium und Neutronen, die Reaktormaterialien radioaktiv machen können. Strahlenschutz und Materialmanagement bleiben daher erforderlich. Eine Wiederverwendung nach etwa 100 Jahren hängt von Materialien und Bauweise ab und ist keine allgemeine Garantie.
Sicherheit: Fusion erfordert strenge Bedingungen und erhält keine Spaltungskettenreaktion aufrecht. Gehen die Bedingungen verloren, endet die Fusion im Plasma rasch. Das Kernschmelzrisiko unterscheidet sich von dem eines Spaltungsreaktors, doch Tritium, Neutronen, Wärme und Anlagensicherheit müssen beherrscht werden. Der Verzicht auf Uran- oder Plutoniumbrennstoff beseitigt nicht automatisch alle Proliferationsrisiken.
NIF erzielte 2022 und 2023 Energiegewinn am Target. Im Dezember 2022 wurden beispielsweise aus 2,05 MJ auf das Target gerichteter Laserenergie 3,15 MJ Fusionsenergie. Das war weder Nettostromerzeugung noch eine positive Energiebilanz der gesamten Anlage, die mehr Energie verbrauchte.
Die 2023 geäußerten Erwartungen eines Demonstrationskraftwerks innerhalb von zehn bis zwanzig Jahren waren Schätzungen, keine festen Termine. Die Entwicklung hängt von Plasmaphysik, Materialien, Brennstoffproduktion, Bau und wirtschaftlichem Betrieb ab.
Stetige, praktische Stromerzeugung durch Fusion erfordert weiterhin Forschung und technische Entwicklung. Ein erfolgreiches Zündungsexperiment bedeutet nicht automatisch ein funktionierendes Kraftwerk oder einen garantierten Zeitplan.
Unternehmen der Energie- und Kerntechnik
Öffentliche Forschungseinrichtungen und private Unternehmen tragen zur Energie- und Kerntechnik bei. Die folgenden Unternehmen haben unterschiedliche Rollen; nicht alle entwickeln Meerwasser-Urangewinnung oder Fusion.
Die Tabellenwerte sind historische Momentaufnahmen aus dem Artikel von 2023, keine aktuellen Börsendaten. Heutige Kennzahlen müssen gesondert geprüft werden.
1. Exelon Corporation
EXC Preisdiagramm
EXC Preisdiagramm
| Marktkapitalisierung (USD) | KGV auf Basis des erwarteten Gewinns im nächsten Jahr | Gewinn je Aktie (USD) |
| 35,288,256,397 | 15.00 | $2.14 |
Die in Chicago ansässige Exelon Corporation (EXC ) spaltete ihre Stromerzeugung im Februar 2022 als Constellation ab. Exelon konzentrierte sich auf Übertragung und Verteilung. Die alte Beschreibung mit 23 Reaktoren und 14 Kernkraftwerken betrifft daher nicht den heutigen Kraftwerksbetrieb von Exelon. Tabelle und EXC-Chart beziehen sich auf Exelon, nicht auf Constellation.
2. NextEra Energy, Inc.
NEE Preisdiagramm
NEE Preisdiagramm
| Marktkapitalisierung (USD) | KGV auf Basis des erwarteten Gewinns im nächsten Jahr | Gewinn je Aktie (USD) |
| 126,508,299,310 | 19.73 | $3.78 |
NextEra Energy (NEE ) hatte laut Geschäftsbericht 2023 Kernkraftwerke in Florida, New Hampshire und Wisconsin. Die Kernspaltung selbst setzt kein Kohlendioxid frei, doch die Anlagen haben Lebenszykluswirkungen. Die ursprünglich genannten über 24 Millionen Tonnen vermiedener Emissionen pro Jahr waren eine Vergleichsschätzung, keine Messung vollständig emissionsfreier Energie.
3. BWX Technologies, Inc.
BWXT Preisdiagramm
BWXT Preisdiagramm
| Marktkapitalisierung (USD) | KGV auf Basis des erwarteten Gewinns im nächsten Jahr | Gewinn je Aktie (USD) |
| 7,073,938,512 | 26.20 | $2.44 |
Das US-Unternehmen BWX Technologies (BWXT ) liefert nukleare Komponenten, Technologien und Brennstoffe. Zu den Tätigkeiten zählen nukleare Schiffsantriebe, Nuklearmedizin und Forschungsreaktoren. 2023 meldete es einen Engineering-Auftrag von GE Hitachi für den Reaktordruckbehälter des kleinen modularen Reaktors BWRX-300. Entwicklungspläne in Europa, darunter Polen, sind nicht mit bereits in Betrieb genommenen Kraftwerken gleichzusetzen.
Abschließende Gedanken
Die elektrochemische Urangewinnung aus Meerwasser und die Kernfusion sind unterschiedliche Forschungsbereiche. Erstere könnte die Brennstoffquellen für Kernspaltung erweitern, wenn sich die großtechnische Gewinnung wirtschaftlich und ökologisch bewährt. Letztere sucht eine andere Energiequelle mit erheblichen technischen Herausforderungen. Die Ergebnisse von 2023 sind Forschungsfortschritte, kein Nachweis bereits verfügbarer, unbegrenzter Elektrizität ohne Umweltwirkungen.
