In einem hochklassifizierten Facility in Oak Ridge, Tennessee — dem gleichen Standort, der Uran für die erste Atombombe während des Manhattan-Projekts angereichert hat — verwandeln Arbeiter alte, ungelenkte Kriegsgefechte in Brennstoff, der Städte mit Energie versorgen wird.
Die Herstellung von fortschrittlichem Reaktorbrennstoff
Die Rezeptur zur Herstellung von fortschrittlichem Reaktorbrennstoff umfasst das Schmelzen von waffenwürdigem Uran mit niedrig angereichertem Uran in einem Gefäß — einem massiven Metallkessel, der auf etwa 1.370 Grad Celsius erhitzt wird, um seinen Inhalt in eine flüssige Masse zu verwandeln.
Aus dem Ofen kommend, wird ein leuchtend orangefarbener Block mit dem heißen, flüssigen Uran langsam in eine Kühlkammer gesenkt. Das fertige, gehärtete Produkt sieht aus wie schwarzes Kohlenstoff und kann sicher in der Hand gehalten werden.
Die nächste Generation von Kernreaktoren
Dieser Brennstoff soll die nächste Generation von Kernreaktoren in den USA antreiben — kleine, modulare Kraftwerke, die einfacher und kostengünstiger zu bauen sind. Sie erfordern viel weniger Pflege und Platz als die alternden großen Kernkraftwerke.
Ein Nachteil? Sie benötigen auch ein höher angereichertes und energiedichteres Uran.
Der Rückgang von russischem Uran
Bis zum letzten Jahr bezog die Vereinigten Staaten den Großteil ihres angereicherten Urans aus Russland. Ein parteiübergreifendes Gesetz, das nach Russlands Invasion in der Ukraine verabschiedet wurde, hat dem ein Ende gesetzt. Nun sind Wissenschaftler und Unternehmen dabei, die Produktion des Urans im eigenen Land voranzutreiben.
- Nach dem Kalten Krieg verfügte Russland über große Mengen hochangereicherten Urans — die Art, die für Waffen verwendet wird. In Verhandlungen nach dem Krieg ermutigten die USA und andere Länder Russland, dieses Uran unter den Schwellenwert für die Waffenherstellung zu verdünnen und als nuklearen Brennstoff zu verkaufen. Es war ein vorteilhafter Deal für alle Parteien. Die USA hatten eine Brennstoffversorgung, und Russland — das nach dem Kalten Krieg wirtschaftlich kämpfte — hatte einen willigen Markt, an den es verkaufen konnte.
Der Bedarf an HALEU
Die Umwandlung alter Waffen aus dem nuklearen Arsenal ist nicht der einzige Weg, um diesen Brennstoff herzustellen, der als hochgradig niedrig angereichertes Uran (HALEU) bekannt ist. Mehrere Anlagen im ganzen Land stellen ebenfalls HALEU her, wobei erwartet wird, dass sie langfristig den Großteil des Brennstoffs produzieren. Die Bundesregierung plant, in den kommenden Monaten über 2 Milliarden Dollar an Unternehmen zur Urananreicherung zu vergeben, um die Lieferkette zu unterstützen.
In der Zwischenzeit führt die Regierung eine Art „Sofa-Kissen-Übung“ durch, bei der sie hoch und niedrig nach geeignetem Nuklearbrennstoff sucht, der möglicherweise übersehen wurde, so Michael Goff, stellvertretender Assistenzminister im Büro für Kernenergie des Energieministeriums. Neben dem nuklearen Vorrat der USA wird auch ein Teil des Brennstoffs aus Forschungsreaktoren im Idaho National Laboratory weiterverarbeitet.
Die Dringlichkeit neuer Projekte
Die USA sehen sich gezwungen, ihr eigenes Arsenal als Brennstoffquelle zu nutzen, was verdeutlicht, wie dringend neue Reaktoren wie TerraPower — ein von Bill Gates unterstütztes Projekt in Wyoming — benötigt werden, das kürzlich begonnen hat. Projekte wie TerraPower warten auf die Brennstofflieferungen, in der Besorgnis, sie könnten die Zeit dafür verlieren. Das Unternehmen sollte ursprünglich seine ersten Brennstofflieferungen aus Russland erhalten — dem einzigen kommerziellen HALEU-Lieferanten der Welt. Diese Situation änderte sich nach dem Krieg in der Ukraine.
„Wir kommen an einen Punkt, an dem wir mehr Dringlichkeit von der Regierung sehen müssen“, sagte Jeff Navin, Direktor für externe Angelegenheiten bei TerraPower. „Es gibt ein riesiges nationales Interesse, schnell zu handeln. Wir verstehen nicht ganz, warum diese Dringlichkeit nicht beim Energieministerium angekommen ist, um dieses Material bereitzustellen.“
Langfristige Lösungen für die Energieproduktion
Letztendlich ist die Menge an HALEU, die die USA aus ihrem nuklearen Waffenvorrat gewinnen können, relativ gering. Es wird eine größere Produktionskapazität benötigt. „Die langfristige Lösung besteht darin, dass wir eine Anreicherung haben müssen“, erklärte Jeff Chamberlin, der amtierende stellvertretende Administrator für nukleare Nichtverbreitung. „Selbst wenn wir all dieses Material morgen umwandeln würden, könnten wir die Demonstrationsanforderungen aller fortgeschrittenen Reaktoren nicht erfüllen, die die USA derzeit angekündigt haben.“
Die Abhängigkeit von Kernenergie erhöhen
Die Vereinigten Staaten beziehen derzeit etwa 20% ihrer Energie aus nuklearer Energie. Im Energieministerium der USA gibt es großes Interesse, diesen Anteil in den kommenden Jahren zu erhöhen, da Kernenergie zuverlässig ist und keine klimabedrohlichen Emissionen produziert.
„Wir benötigen eine verlässliche, saubere Grundlastenergie – die Kernenergie liefert das“, erklärte Goff. „Um unsere Energieversorgungssicherheit und unsere Klimaziele zu erreichen, müssen wir deutlich mehr Kernenergie bereitstellen.“
Die nukleare Industrie schaut zunehmend auf kleinere Reaktoren, die mit HALEU betrieben werden. Diese Reaktoren können länger laufen als herkömmliche Reaktoren und benötigen weniger Platz, wodurch sie flexibler und einfacher einzurichten sind.
Die Herausforderungen der Anreicherung
Uran für konventionelle Reaktoren wird bis zu 5% angereichert, während HALEU zwischen 5-20% angereichert wird. Hochangereichertes Uran ist alles über 20% und wird für Waffen oder U-Boote verwendet.
Mit anderen Worten, wenn das Uran für konventionelle Reaktoren wie Miller Lite ist und hochangereichertes Uran wie Everclear Kornbrand, dann wäre HALEU das erfrischende Glas belgisches Bier, das die Balance zwischen zwei Extremen hält, erklärte Dan Leistikow, Vizepräsident für Unternehmenskommunikation bei Centrus Energy, einem Urananreicherungsunternehmen aus den USA.
„Man erhält mehr Energie auf kleinerem Raum“, sagte Josh Jarrell, Direktor der Abteilung für Brennstoffzykluswissenschaft und -technologie am Idaho National Laboratory. „Man kann energieeffizienter sein, effektivere Brennstoffe herstellen, theoretisch könnten wir die Elektrizität wirtschaftlicher erzeugen.“
Centrus ist eines von zwei Anreicherungsunternehmen in den USA, das daran arbeitet, die Abhängigkeit von Russland zu verringern, das den Großteil des weltweit angereicherten Urans liefert. Der Kongress verabschiedete kürzlich ein Importverbot für russisches Uran, was zu einem Engpass sowohl bei HALEU als auch bei Brennstoff für konventionelle Reaktoren führte.
Nach einem „Mangel an Investitionen über Jahrzehnte“ hat Centrus das Ziel, „eine inländische Anreicherungsfähigkeit mit US-Technologie wiederherzustellen“, um der Nachfrage nach Elektrizität und nationaler Sicherheit gerecht zu werden, sagte Leistikow gegenüber CNN. Es wird Jahre dauern, bis dieses Ziel erreicht wird.
Das Energieministerium schätzt, dass die fortschrittliche nukleare Industrie bis 2030 40 Tonnen HALEU benötigen wird. Wenn Centrus mit voller Kapazität läuft, wird es etwa 1 Tonne pro Jahr anreichern. Was wird der restliche nukleare Arsenal des Landes beitragen? Sechs Tonnen bis 2027.
Navin von TerraPower merkte an, dass sechs Tonnen ein „großer Anfang“ seien, jedoch bei weitem nicht ausreichen für die erste Kernbeladung seines Unternehmens, ganz zu schweigen von anderen fortgeschrittenen Nuklearprojekten in den USA.
Wie viel hochangereichertes Uran die USA tatsächlich haben, ist ein geheimes Geheimnis, und es gibt viele Interessen, die darum konkurrieren — von nationaler Sicherheit bis hin zu Forschungsreaktoren.
Doch der Kongress hat kürzlich die NNSA und das Energieministerium angewiesen, die Umwandlung von Amerikas altem Nukleararsenal in Brennstoff für fortschrittliche Reaktoren zu priorisieren. „In ihrem Besitz haben sie mehr als genug (hochangereichertes Uran), um viele, viele, viele Tonnen HALEU zu produzieren“, sagte Navin.
