USA steigt wieder in den Kernbrennstoffmarkt ein

 (spectrum.ieee.org)
1 Punkte von GN⁺ 2023-11-16 | 1 Kommentare | Auf WhatsApp teilen
  • Die 93 bestehenden Kernkraftwerke in den USA verbrauchen jährlich etwa 2.000 Tonnen Uranbrennstoff, doch für die Kommerzialisierung von Reaktoren der nächsten Generation wird HALEU benötigt, dessen Produktion im kommerziellen Maßstab bislang auf Russland konzentriert ist
  • Centrus Energy hat die erste in seinem Werk in Piketon, Ohio, produzierte HALEU-Lieferung an das US-Energieministerium übergeben; damit wurde die kommerzielle Kernbrennstoffproduktion in den USA nach 70 Jahren wieder aufgenommen
  • HALEU hat einen U-235-Anreicherungsgrad von fast 20 % und liegt damit über den rund 5 % von herkömmlichem niedrig angereichertem Uran, wird aber weiterhin als niedrig angereichert eingestuft, da es unter den mehr als 90 % von waffenfähigem Uran bleibt
  • 9 von 10 Reaktoren der nächsten Generation im Advanced Reactor Demonstration Program des US-Energieministeriums verwenden HALEU; das staatliche Investitionsvolumen liegt bei rund 600 Millionen US-Dollar
  • Die USA werden voraussichtlich vor 2030 mehr als 40 Tonnen HALEU benötigen; ein geplanter Ankauf von rund 25 Tonnen pro Jahr zur Schaffung einer anfänglichen Industrienachfrage ist ein Schlüsselfaktor für den Aufbau der Lieferkette

Erste HALEU-Lieferung von Centrus

  • Centrus Energy mit Hauptsitz in Bethesda, Maryland, hat die erste Menge HALEU aus seinem Werk in Piketon in Ohio an das US-Energieministerium geliefert
  • Diese Lieferung gilt als Startpunkt der nach 70 Jahren wieder aufgenommenen kommerziellen inländischen Kernbrennstoffproduktion in den USA
  • Die anfängliche Produktionsmenge ist noch klein und wird schrittweise erhöht
    • Bis Ende 2023 sind 20 kg Produktion geplant
    • Für 2024 werden 900 kg erwartet
  • Derzeit betreibt Centrus eine Kaskade mit 16 Zentrifugen
  • Für eine Produktion im kommerziellen Maßstab ist der Aufbau mehrerer Kaskaden mit jeweils 120 Zentrifugen erforderlich

Warum Reaktoren der nächsten Generation HALEU benötigen

  • Die derzeit 93 in Betrieb befindlichen Kernkraftwerke in den USA verbrauchen jährlich rund 2.000 Tonnen Uranbrennstoff
  • Niedrig angereichertes Uran für bestehende Reaktoren wird die Anforderungen einiger künftiger Reaktoren der nächsten Generation kaum erfüllen können
  • HALEU ermöglicht die hohe Leistungsdichte von Reaktoren der nächsten Generation
    • kleinere Reaktorkerne
    • längere Kernlebensdauer
    • weniger Brennstoffabfälle
  • Laut Centrus enthält HALEU im Umfang von drei Esslöffeln genug Energie, um den lebenslangen Stromverbrauch eines durchschnittlichen US-Verbrauchers zu decken

Urananreicherung und Technologiewahl

  • Der Anteil von U-235, der in natürlichem Uran eine nukleare Kettenreaktion aufrechterhalten kann, liegt unter 1 %
  • Heutige Reaktoren verwenden LEU mit fast 5 % U-235
  • HALEU ist ein Brennstoff, bei dem die U-235-Konzentration auf 19,75 % erhöht wurde
  • Das frühere Gasdiffusionsverfahren wurde im Manhattan Project und im kommerziellen Kernenergiesektor eingesetzt, ist wegen seines sehr hohen Energieverbrauchs heute aber wenig beliebt
  • Centrus und das russische Staatsunternehmen Tenex produzieren HALEU mit dem Verfahren der Gaszentrifugation
    • Ausgangsmaterial ist gasförmiges Uran mit etwa 5 % Anreicherung
    • Es wird in röhrenförmigen, vier Stockwerke hohen Zentrifugen mit hoher Geschwindigkeit rotiert
    • Das schwerere U-238 wird zur Wand gedrückt, während mehr U-235 im Inneren verbleibt
    • Das Gas wird beim Durchlaufen der Zentrifugenkaskaden schrittweise bis zur Zielkonzentration angereichert
  • Laseranreicherung gilt als vielversprechende Technologie, befindet sich aber noch in einem frühen Entwicklungsstadium
    • Das US-Energieministerium beobachtet Global Laser Enrichment in Wilmington, North Carolina

Reaktoren, die HALEU verwenden, und solche, die es nicht tun

  • Nicht alle Reaktoren der nächsten Generation benötigen HALEU
  • Einige von GE und Westinghouse entwickelte Small Modular Reactors verwenden Wasser als Kühlmittel und Uranoxid als Brennstoff und sollen mit Standard-LEU betrieben werden
  • HALEU wird für Reaktoren der nächsten Generation benötigt, die kreativere Kühlmittel und Brennstoffe einsetzen und sehr kleine Reaktorkerne anstreben
    • der natriumgekühlte schnelle Reaktor von TerraPower
    • der Hochtemperatur-Gasreaktor von X-energy
    • der fluoridsalzgekühlte Hochtemperaturreaktor von Kairos Power

Nachfrageprognose und Engpässe bei der Versorgung

  • Das US-Energieministerium erwartet, dass die USA vor 2030 mehr als 40 Tonnen HALEU benötigen werden
  • Den Herstellern von Reaktoren der nächsten Generation bleiben bis zum tatsächlichen Kernbetrieb noch einige Jahre
  • TerraPower, unterstützt von Bill Gates, hat angekündigt, die Natrium-Reaktordemonstration wegen HALEU-Mangels um zwei Jahre zu verschieben
  • Centrus hat mit TerraPower eine Absichtserklärung, aber noch keinen formellen Kaufvertrag

Weitere potenzielle Lieferanten und staatliche Beschaffungspläne

  • Urenco prüft die Produktion von HALEU in seiner Anreicherungsanlage in New Mexico
    • Das Unternehmen gehört gemeinsam der britischen Regierung, der niederländischen Regierung und deutschen Versorgern
    • Derzeit produziert es LEU
  • BWXT hat im August 2023 angekündigt, für die National Nuclear Security Administration in den kommenden fünf Jahren 2 Tonnen HALEU zu produzieren
  • Das US-Energieministerium plant den Ankauf von rund 25 Tonnen HALEU pro Jahr, um die Branche anzuschieben und Produzenten stabile Verträge zu bieten
  • Angesichts der Zahl an Reaktoren der nächsten Generation, die künftig kommerzialisiert werden sollen, bleibt die Sicherung der HALEU-Versorgung entscheidend für die US-Atomstrategie, um die Abhängigkeit von russischem Kernbrennstoff nicht weiter zu erhöhen

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1 Kommentare

 
GN⁺ 2023-11-16
Meinungen auf Hacker News

  • Bei der Aussage, die USA seien beim Großteil ihres Kernbrennstoffs von Russland abhängig, gehört der wichtige Kontext dazu, dass der Megatons-to-Megawatts-Program den Kernbrennstoffmarkt zehn Jahre lang verzerrt hat.
    Centrus, das im IEEE-Artikel erwähnt wird, hieß damals US Enrichment Corporation und war die US-Seite dieses Austauschs.
    Das Programm war zwar bei der nuklearen Abrüstung im Umfang von 20.008 Atomsprengköpfen erfolgreich, hat aber faktisch Brennstoff „gedumpt“ und Betreiber von Zentrifugen aus dem Markt gedrängt.
    https://en.wikipedia.org/wiki/Megatons_to_Megawatts_Program
    https://www.centrusenergy.com/who-we-are/history/megatons-to...

    • Wenn man noch weiter zurückgeht, gab es Tschernobyl und Three Mile Island. Die Wahrnehmung, dass bei Kernenergie wirklich sehr viel schiefgehen kann, hat sich tief in der kollektiven Psyche festgesetzt.
      Das bestimmte die Stimmung dazu, wie weit die USA die Kernenergie vorantreiben würden, und solange man sie politisch zu leicht abwürgen konnte, wollten die Leute sie nicht unterstützen, selbst wenn sie insgesamt die bessere Lösung sein könnte. Auch in Jack Welchs Buch „Straight from the Gut“ steht, dass GE den Stimmungswandel erkannte und sein Geschäft von der Entwicklung hin zum Service für Kernkraftwerke verlagerte – und dass diese Entscheidung richtig war.
      Dieser aktuelle Trend, bei dem man akzeptiert, dass wir lernen müssen, das Biest Kernspaltung zu zähmen, ist wirklich vielversprechend. Denn die Vorteile überwiegen die Nachteile.
      https://en.wikipedia.org/wiki/Three_Mile_Island_accident
    • Der Grund, warum die USA bei Kernbrennstoff von Russland abhängig sind, ist, dass die US-Regierung den Verkauf eines erheblichen Teils der eigenen Uranminen über Briefkastenfirmen an eine vom russischen Staat unterstützte Organisation genehmigt hat.
      https://en.wikipedia.org/wiki/Uranium_One

  • Es stimmt nicht, dass die USA aus dem „Kernbrennstoff-Spiel“ ausgestiegen wären. Es gibt kommerzielle Anreicherungsanlagen, darunter URENCO in Nevada, die bestehende Kernkraftwerke und neue konventionelle Designs wie den AP-1000 mit Brennstoff versorgen.
    In dieser Pressemitteilung geht es um hochassayiertes niedrig angereichertes Uran (HALEU), das bislang nicht von vielen Reaktoren verwendet wird.
    NuScale wollte diesen Brennstoff nutzen, aber das Projekt wurde vor einigen Wochen aus Kostengründen eingestellt. Es sind zwar mehrere fortgeschrittene Reaktoren im Gespräch, aber ich weiß nicht, ob es derzeit tatsächlich Reaktoren gibt, die diesen Brennstoff brauchen. Außerhalb der USA könnte es welche geben.
    Nach NRC-Definition enthält Natururan etwa 0,7 % U-235, traditioneller Reaktorbrennstoff wird auf 3–5 % angereichert. HALEU enthält 5–20 % U-235, waffenfähiges Material etwa 90 %.

    • Der NuScale-Reaktor sollte kein HALEU verwenden, sondern auf 4,95 % angereichertes Uran.
      https://www.nuscalepower.com/-/media/nuscale/pdf/fact-sheets...
    • Auch normale Leichtwasserreaktoren können HALEU verwenden, wodurch sich Stillstandszeiten für Brennstoffwechsel verkürzen und die Wirtschaftlichkeit verbessern könnte.
      TerraPower, zu dessen Mitgründern Bill Gates gehört, will ebenfalls noch in diesem Jahrzehnt HALEU als Brennstoff für seinen Natrium-Reaktor einsetzen.
    • Es ist seltsam, dass man Billionen Dollar für das Militär ausgibt, aber nicht einmal 100 Milliarden Dollar für ein Manhattan-Projekt-artiges Vorhaben, um bessere Kernspaltungsdesigns zu finden, die alle Energieprobleme und die Erderwärmung lösen könnten.
      Solange die Energiedichte von Batterien nicht 10- bis 20-mal so hoch ist wie heute, werden Solar- und Windenergie gegenüber konventioneller Stromerzeugung und Kernkraft immer nur Stromquellen zweiter Wahl bleiben.

  • Wenn die Zahlen im Artikel stimmen: Kauft das Energieministerium 2024 0,9 Tonnen vom einzigen US-Produzenten und die übrigen 24,1 Tonnen aus Russland?

    • Hat der Artikel angedeutet, dass irgendetwas aus Russland gekauft wird?
      Bestehende Reaktoren verwenden diesen Brennstoff nicht. Das ist Brennstoff, dessen Produktion für neue Reaktoren hochgefahren wird, die noch gar nicht gebaut sind.
    • Soll man das so verstehen, dass es 2025 wieder steigt?

  • Haben die USA wirklich 93 Reaktoren? Ich stelle mich auf Gretas Seite. Los geht’s mit Kernenergie.

    • Stimmt. Sie erzeugen ungefähr 20 % des US-Stroms und rund 50 % des CO₂-armen Stroms.
      https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_power_in_the_United_St...
    • Ich bin für Kernkraftwerke der 4. Generation. Diese Unterscheidung halte ich für wichtig.
      Beispiel: https://www.energy.gov/ne/articles/3-advanced-reactor-system...
    • Greta ist nicht pro Kernkraft. Die meisten Umweltschützer sind es auch nicht.
    • Das größte Problem der Kernkraft ist, dass der Bau zu lange dauert. Die USA standen über 30 Jahre lang praktisch still und sind deshalb zurückgefallen; es ist schwierig, sie schnell genug ans Netz zu bringen, um die Klimaziele zu erreichen.
      Deshalb braucht man auch andere, schnellere Mittel – und zugleich muss man Kernkraftwerke bauen, die die Grundlast stützen.
    • Woher soll das Uranerz für dieses Projekt kommen? Wo gibt es hochwertiges Uranerz, aus dem sich die etwa 200 Tonnen Brennstäbe, die ein 1-GW-Kernkraftwerk pro Jahr braucht, wirtschaftlich herstellen lassen?
      Bei Erz mit 0,1 % Urangehalt braucht man 1.000 Tonnen Erz für 1 Tonne Uran. Die Energiekosten, um diese eine Tonne zu gewinnen, sind ebenfalls hoch, und es entsteht eine enorme Menge Abfall. Ein einzelner 1-GW-Reaktor braucht jährlich 200 Tonnen, also 200.000 Tonnen Erz pro Jahr.
      Zum Vergleich: Ein 1-GW-Kohlekraftwerk muss jedes Jahr mit 3 bis 4 Millionen Tonnen Kohle versorgt werden. Der Energiegehalt von Kohle variiert etwas, bezogen auf die Verbrennung mit Sauerstoff.
      Und wie viele Tonnen braucht ein Solar-/Wind-/Speichersystem, das zuverlässig rund um die Uhr 1 GW liefert, pro Jahr? Es gibt zwar das Problem des Batteriewechsels, aber man kann es selbst ausrechnen.

  • Eine weitere unerwünschte Abhängigkeit von Russland betrifft fertigen Brennstoff für russische Reaktortypen. Glücklicherweise haben mehrere Länder begonnen, Westinghouse mit der Produktion alternativen Brennstoffs zu beauftragen, aber soweit ich sehe, gilt das bisher nur für ein einzelnes Design, den VVER-440

  • Beim Lesen des Satzes „Für fortgeschrittene Reaktoren, die in den nächsten Jahren in Betrieb gehen sollen, gibt es nicht genug herkömmlichen Uranbrennstoff“ könnte man wie ich gedacht haben: „Wurde das nicht letzte Woche gestrichen?“
    https://news.ycombinator.com/item?id=38199061
    Abgesagt wurde jedoch der NuScale-Reaktor, während TerraPower offenbar noch läuft. Das könnte mit dem außergewöhnlichen Vermögen des Gründers zusammenhängen
    https://abcnews.go.com/Technology/bill-gates-future-nuclear-...
    Offenbar hat man auch einen Weg gefunden, weiteres Milliardärskapital anzuziehen
    https://www.theguardian.com/us-news/2021/jun/03/bill-gates-w...
    Irgendwo scheint darin ein „der Held, den wir verdienen“-Meme versteckt zu sein

  • Wenn man die Angabe, dass das Unternehmen bis Jahresende 20 kg HALEU herstellen und 2024 900 kg produzieren will, mit der Aussage kombiniert, dass 3 Esslöffel HALEU ausreichen, um einen durchschnittlichen US-Verbraucher ein Leben lang mit Strom zu versorgen, dann entsprechen 20 kg etwa dem Jahresbedarf von 1.867 US-Verbrauchern und 900 kg etwa 84.000 Personen. Als Anfang wirkt das ganz ordentlich
    https://www.wolframalpha.com/input?i=20+kg+%2F+%28%283+table...

    • Wenn es für 85.000 Menschen ein Leben lang reicht, ist das nicht schlecht. In dieser Rechnung stecken 79 Jahre
      Auf ein Jahr gerechnet sind das 6,7 Millionen Menschen. Nur 16 Bundesstaaten haben mehr Einwohner als das
      Sieht ganz gut aus. Wenn man eine bessere Lage gewollt hätte, hätte man vor 50 Jahren anfangen müssen, aber jetzt anzufangen ist auch gut

  • Bei Waffen von einem feindlichen Staat abhängig zu sein, ist genauso töricht, wie wenn dieser bei Lebensmitteln von einem feindlichen Staat abhängig wäre

    • Abhängigkeit ist meist keine Frage, die mit einer einzigen endgültigen Entscheidung erledigt ist
      Die Kosten und Vorlaufzeiten für Unabhängigkeit sind bei strategischen Überlegungen wichtig

  • Verwandter Artikel: https://www.eurasiantimes.com/nuclear-champions-us-lags-behi...