Energiefreisetzung von Uran gegenüber Kohle
Hi Leute
Ich habe eine Frage. An einigen Orten hört man, dass es für 1kg Uran, 20.000kg Steinkohle braucht um dieselbe Energie zu bekommen. z.B. hier: https://www.youtube.com/watch?v=9BBofOCrq14
An anderen Orten kann man von 3.000.000kg Steinkohle lesen. Was stimmt nun? Wie viel kg Steinkohle brauche ich, um die gleiche Energie zu bekommen wie mit 1kg Uran?
Vielen Dank!
3 Antworten
Die unterschiedlichen Zahlenwerte kommen daher, daß mit dem Wort "Uran" verschiedene Dinge gemeint sind.
Auf 3.000.000 kg Steinkohle für "1 kg Uran" kommt man, wenn man dabei an von reines U-235 denkt, das spaltbare Uranisotop, dessen Energiedichte 90.000.000 MJ/kg ist. Reines U-235 wird jedoch nirgends hergestellt und verwendet. Annähernd reines U-235 findet nur beim Bau von Atomwaffen und bei manchen Forschungsreaktoren Verwendung.
Das Uran in den Brennstäben enthält nur um die 4 % U-235. Der Rest ist das nicht spaltbare U-238. Von diesem Reaktoruran benötigt man, um die gleiche Energiemenge zu gewinnen, 1/(4 %) = 25 mal so viel, und die zum Vergleich nötige Menge Steinkohle verkleinert sich auf ein 25stel, also auf 120.000 kg.
Um das Reaktoruran zu erhalten, muß man aber zunächst Natururan anreichern, denn so, wie es in der Natur vorkommt, enthält Uran nur 0,72 % U-235. Das Natururan hat deshalb nur 648.000 MJ/kg und um dieses kg energetisch zu ersetzen, benötigt man nur 21600 kg Steinkohle.
(Eine Möglichkeit, aus dem Natururan doch mehr Energie herauszuholen, ist die, daß man in Brutreaktoren Plutonium 239 daraus brütet, und dieses dann als Brennstoff verwendet. So bekäme man immerhin 80.620.000 MJ/kg aus dem Natururan, also fast so viel wie wenn es aus reinem U-235 bestünde. Einer der Nachteile dieser Vorgehensweise ist, daß Pu-239 sich auch zum Bau von Atomwaffen eignet und eine auf Plutonium basierende Energiewirtschaft deshalb einen Polizeistaat voraussetzt.)
Hier sind die bedeutenden Uranvorkommen der Welt beschrieben und es ist angegeben, wie viele % bzw. Zehntel oder Hundertstel % Natururan in den dort lagernden Erzen enthalten sind: http://de.wikipedia.org/wiki/Uranlagerst%C3%A4tte
Hi!
Danke vielmals für die Antwort!
1.) Ich fasse das von dir Beschriebene hier nochmals kurz zusammen, und ich wäre froh, wenn du mir sagen könntest, ob das so stimmt.
- 1kg Uranerz (mit 1% Natururan) = 210kg Steinkohle (0,21t)
- 1kg Natururan (mit 0,72% Uran-235) = 21.000kg Steinkohle (21t)
- 1kg angereichertes Uran (mit 4% Uran-235) = 120.000kg Steinkohle (120t) —> Kernkraftwerke
- 1kg angereichertes Uran (mit 90% Uran-235) = 2.700.000kg Steinkohle (2.700t) —> Kernwaffen
- 1kg reines Uran-235 = 3.000.000kg Steinkohle (3.000t)
Stimmt das so?
2.) Dann noch eine andere Frage: Laut Wikipedia hat Erdöl eine grössere Energiedichte als TNT. Das heisst, wenn ich eine Bombe hätte, die 1kg Erdöl drin hat, und eine Bombe, die 1kg TNT hat, hat die mit dem Erdöl eine grössere Sprengkraft, korrekt? (Genau genommen ist die Energiedichte von Rohöl ca. 9mal grösser als die von TNT)
3.) Wie viel MJ/kg hat der stärkste Sprengstoff? Wie viel mal stärker ist die Kernspaltung bei angereichertem Uran mit 4% U-235, als dieser stärkste Sprengstoff?
Vielen Dank für deine Hilfe!
Hi, die Zahlen unter 1) sehen richtig aus.
Bei 2) mußt Du etwas unterscheiden: Energiegehalt ist nicht dasselbe wie Sprengkraft. Erdöl hat nämlich im Normalzustand keine Sprengkraft, weil es seine Energie, wenn man es anzündet, wie z.B. in einer Petroleumlampe, viel zu langsam umsetzt, um zu explodieren. Wenn man dem Öl Sprengkraft geben will, muß man es fein in der Luft zerstäuben, so daß es eine große Oberfläche bekommt und dadurch in Sekundenbruchteilen verbrennen kann. Das ist, was im Automotor stattfindet, und mit Zerstörungsabsicht, bei den Aerosolbomben.
Zu Frage 3) Von Sprengstoffen habe ich wenig Ahnung. CL-20 soll einer der stärksten Sprengstoffe sein, laut Wikipedia ist es 1,9 mal so stark wie TNT. Wie ich unter 2) sagte: Die Geschwindigkeit, mit der die Reaktion stattfindet und sich innerhalb des Sprengstoffes fortpflanzt, ist dabei mindestens ebenso wichtig wie die freigesetzte Energie. Schau mal unter: "Detonationsgeschwindigkeit" und "Brisanz".
Uran bei der Kernspaltung hat eine Energiedichte von 90.000.000 MJ/kg (Tera-Joule), Steinkohle 30 MJ/kg. Das entspräche der von dir angesprochenen Umwandlung von 3.000.000 kg Steinkohle pro kg Uran.
Das berücksichtigt aber nicht die Wirkungsgrade der Kraftwerke. Für ein modernes Kohlekraftwerk kann man etwa 40-50 % ansetzen. Also aus 30 MJ/kg werden 15 MJ/kg. In einem Kernkraftwerk wird nicht der gesamte Energiegehalt des Brennstoffs genutzt. Sondern eher 4.000.000 MJ/kg Uran. Daraus wird dann mit einem Wirkungsgrad von 35 % 1.400.000 MJ/kg. Also etwa 90000 kg Steinkohle. Je nachdem welche Werte man jetzt für Wirkungsgrad und Abbrand ansetzt, braucht man mehr oder weniger Steinkohle.
Wahrscheinlich sind also beide Werte richtig. Der erste von dir genannte ist aber nur dann interessant, wenn die Grundlagen für die Berechnung gegeben sind.
Hi
Vielen Dank für die Antwort.
Aber eben, wie kommt man auf die verschiedenen Zahlen? Klar hat es auch - wie du es gut erklärt hast - mit der Effektivität des Kernkraftwerks / Kohlekraftwerks zu tun. Aber so ein Riesenunterschied macht das wahrscheinlich nicht.
Hier nochmals die zwei Zahlen:
- 1kg Uran = 20.000kg Kohle (20t)
- 1kg Uran = 3.000.000kg Kohle (3.000t)
Hier noch ein Link, wo beiden Zahlen erwähnt sind: http://www.euronuclear.org/info/encyclopedia/f/fuelcomparison.htm
Welche stimmt nun? Oder was ist der Unterschied zwischen den beiden?
Vielen Dank!
Doch, das macht eben den Unterschied. Ich habe es dir doch vorgerechnet.
Wenn wir die Strom"menge" von der Seite, die du gepostet hast nehmen, nämlich 45.000 kWh pro kg Uran entspricht das nur 162.000 MJ. Das ist 1/10 der Energiemenge, die ich - auf Basis von Wikipedia-Daten - zu Abbrand und Wirkungsgrad gerechnet habe.
Es stimmen beide Werte. Sie haben unterschiedliche Aussagen.
Die 3 Millionen beziehen sich auf reines Uran-235, welches komplett gespalten wird.
Andere Quellen nennen nicht 3, sondern nur 2.7 Gg (http://de.wikipedia.org/wiki/Steinkohleeinheit), aber das macht den Kohl nicht fett.
Um aber 1 kg Uran-235 zu bekommen, musst Du 140 kg natürlich vorkommendes Uran aufarbeiten. Und wenn Du die 2.7 Gg durch 140 teilst, bekommst Du mit etwas Rundung die rätselhaften 20 Mg, so einfach ist das.
P.S.: 1 Mg heißt im Volksmund auch 1 t.
Man kann mit dieser Untersuchung noch einen Schritt gehen und mit einbeziehen, daß man auch das Natururan nicht als solches in der Erde findet, sondern es erst aus Uranerz gewinnen muß. Dessen Urangehalt ist verschieden, aber er liegt typischerweise bei einigen Zentel Prozent. Angegeben wird dabei oft der Prozentanteil des Uranoxids U3O8 (Pechblende).
Nehmen wir als Beispiel die Uranvorkommen in Mali, die derzeit erschlossen werden. (Das jüngste militärische Engagement europäischer Staaten dort dient durchaus auch wirtschaftlichen Interessen.) Hier eine Nachricht aus der Uranhändlerszene mit Resultaten von Probebohrungen in Mali: http://www.marketwired.com/press-release/rockgate-intersects-6m-134-u3o8-at-falea-project-mali-west-africa-tsx-rgt-1307011.htm Der Uranoxidgehalt der uranführenden Schichten dort bewegt sich mal etwas unter 1%, mal etwas über 1 %, stellenweise steigt er mal auf mehrere %.
Nehmen wir also an, wir haben Uranerz mit rund 1% Uran. (Typischerweise sind es deutlich weniger.) Dann hat dieses Erz einen Energiegehalt von rund 6.500 MJ/kg und ein kg davon ersetzt gut 200 kg Steinkohle. (Den Energieaufwand, der beim Baggern, Zerkleinern, Transportieren und Verhütten des Erzes anfällt, bis endlich Rohuran daraus wird, lassen wir dabei noch außen vor.)