Angereichertes Uran

Die Uran-Anreicherung ist die wichtigste großtechnische Isotopentrennung. Sie dient zur Herstellung der Kernbrennstoffe für Kernreaktoren und Kernwaffen. Uran ist das einzige schwere Element, dessen Isotope im industriellen Maßstab getrennt werden. Natururan besteht zu etwa 99,3 % aus 238U und zu 0,7 % aus 235U. Das Uranisotop 235U ist – wie einige andere Nuklide mit ungerader Neutronenzahl – durch thermische Neutronen relativ gut spaltbar, jedoch die einzige bekannte natürlich vorkommende Substanz, die zu einer Kernspaltungs-Kettenreaktion fähig ist.

Inhaltsverzeichnis

In einer Urananreicherungsanlage wird Natururan („Feed“) in zwei Fraktionen getrennt, von denen die eine („Product“) gegenüber dem Ausgangsstoff einen höheren, die andere („Tails“) einen niedrigeren Anteil an 235U besitzt. Kernreaktoren der gängigsten Typen (Druckwasser- und Siedewasserreaktoren) werden meistens mit Uran beschickt, dessen 235U-Gehalt auf 3 bis 5 % erhöht worden ist. In Schwerwasser- und Graphit-moderierten Reaktoren kann auch Natururan zum Einsatz kommen. Für Kernwaffen ist eine sehr hohe Anreicherung erforderlich (typischerweise mindestens 85 %); dieses Urangemisch wird auch als hochangereichertes Uran (engl. highly enriched uranium, HEU) bezeichnet. Die von einer Trenneinrichtung verrichtete Arbeit wird in kg Urantrennarbeit (kg UTA) bzw. Tonnen Urantrennarbeit (t UTA) ausgedrückt. In der englischen Fachliteratur wird diese Einheit als SWU (Separation Work Unit) bezeichnet. Eine große Anlage besitzt eine Jahreskapazität in der Größenordnung einiger 1000 t UTA. Die gängigen industriellen Verfahren setzen als Verfahrensmedium Uranhexafluorid (UF6) ein, die einzige chemische Verbindung des Urans, die bei Raumtemperatur eine für den Trennvorgang ausreichende Flüchtigkeit besitzt (etwa 100 mbar Dampfdruck bei Raumtemperatur).

Als Nebenprodukt der Anreicherung entsteht abgereichertes Uran mit einem 235U-Gehalt von ca. 0,3 %. Im Falle der Anreicherung zu zivilen Zwecken fallen etwa 5,5 Tonnen abgereichertes Uran je Tonne Kernbrennstoff an. Das abgereicherte Uran wird unter anderem wegen seiner hohen Dichte in Ausgleichsgewichten für Flugzeugtragflächen und Renn-Yachten und militärisch in Uranmunition verwendet. Für solche Zwecke werden aber bisher nur etwa 5 % des anfallenden abgereicherten Urans genutzt, der Rest wird eingelagert. Das Hauptinteresse an diesem Material, besonders von Russland, besteht in der Verwendung als Mischmaterial („Blender-Material“) für die Umwandlung hochangereicherten (militärischen) Urans in schwachangereichertes (ziviles) Uran für den Einsatz in Leichtwasser-Reaktoren. Hier sei besonders die Abrüstungsaktion nach dem START-II-Abkommen genannt: „Megatonnen zu Megawatt“. Laut dem Atomgesetz der Bundesrepublik Deutschland gilt abgereichertes Uran als Wertstoff.

Den größten Anteil an der weltweit installierten Gesamtanreicherungskapazität haben immer noch die Diffusionsanlagen (siehe unten). Der Produktionsanteil der Zentrifugenanlagen steigt jedoch in zunehmendem Maße aufgrund der technischen Dominanz der fortschrittlichen Gaszentrifugen. In Frankreich soll demnächst die bestehende Gasdiffusionsanlage (Georges Besse I) durch eine moderne Zentrifugenanlage (Georges Besse II) ersetzt werden. Zwei neue Zentrifugenanlagen sind in den USA geplant.

Die Laseranreicherung, in deren Entwicklung erhebliche Mittel investiert wurden, konnte die in sie gesteckten Erwartungen nicht erfüllen. Die meisten Länder haben sich aus dieser Technologie inzwischen zurückgezogen oder den Forschungsaufwand zumindest deutlich reduziert.

Die nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über die wichtigsten bestehenden Anlagen (mit Kapazitäten über 100 t UTA/a):

Land Anlage Betreiber Verfahren t UTA/Jahr aktuell t UTA/Jahr Endausbau
China Lanchow CNNC Diffusion ca. 700
China Hanchong CNNC Zentrifuge 200
Deutschland Gronau[1] Urenco Zentrifuge 2.100 4.500
Frankreich Tricastin Eurodif Diffusion 10.800
Großbritannien Capenhurst[2] Urenco Zentrifuge 4.200
Japan Rokkasho-mura JNFL Zentrifuge 1.050 1.500
Niederlande Almelo[3] Urenco Zentrifuge 3.600
Russland Jekaterinburg Techsnabexport Zentrifuge 10.000
Russland Krasnojarsk Andrej Rosenskow Zentrifuge 2.500
Russland Rostow am Don Techsnabexport Zentrifuge 1.400
Russland Angarsk Techsnabexport Zentrifuge 1.400
Russland Tomsk Techsnabexport Zentrifuge 5.700
USA Paducah USEC Gasdiffusion 11.300

Methoden

Diffusionsmethoden

Bei der Gasdiffusionsmethode lässt man gasförmiges Uranhexafluorid (UF6) durch eine poröse Membran diffundieren. Die treibende Kraft hierbei ist der Druckunterschied auf beiden Seiten der Membran. Moleküle, die 235U enthalten, sind leichter als die 238U-enthaltenden und diffundieren schneller. Bei einem Uranisotopengemisch enthält daher der Gasstrom, der durch die Poren in der Wand hindurch diffundiert („Product“), einen geringfügig höheren Anteil des Isotops 235U als der ursprüngliche Strom („Feed“). Eine einzelne Trennstufe hat einen geringen Trennfaktor (Konzentrationsverhältnis des 235U in Product und Tails) von maximal 1,004, aber einen hohen Materialdurchsatz. Für einen Anreicherungsgrad, der zum Betrieb von Leichtwasserreaktoren genügt, sind rund 1200 hintereinander geschaltete Stufen erforderlich, die zusammen eine so genannte „Kaskade“ bilden. Der Energieverbrauch ist hoch und beträgt etwa 2300–2500 kWh pro kg Urantrennarbeit (UTA).

Anstelle des Druckunterschiedes kann auch ein Temperaturgefälle zur Isotopentrennung mittels Diffusion ausgenutzt werden. Bei der thermischen Diffusionsmethode (Thermodiffusion) wird ein Gas oder eine Flüssigkeit in einem engen Raumbereich zwischen zwei vertikalen Platten von einer dieser Platten erhitzt und von der anderen gekühlt. Moleküle, die das leichtere Isotop enthalten, diffundieren bevorzugt zur wärmeren Platte, die anderen zur kälteren Platte. Darüber hinaus bildet sich an der wärmeren Platte eine leichte aufwärtsgerichtete Konvektion, so dass sich im oberen Bereich der Zelle die Moleküle mit den leichteren Isotopen konzentrieren, und im unteren Bereich die schwereren. Praktisch verwendet man statt Platten eher konzentrische Rohre (Trennrohr nach Clusius und Dickel).

Anreicherung durch Gaszentrifugen

238UF6 Dunkelblau, 235UF6 Hellblau

Das Gaszentrifugenverfahren ist im internationalen Bereich heute das gängigere Verfahren zur Urananreicherung und hat die Gasdiffusion in ihrer Bedeutung inzwischen überholt[4]. Die wichtigsten Gründe dafür sind der erheblich geringere Energieverbrauch (rund 50 kWh Trennarbeit pro kg UTA; zum Vergleich: Diffusionstrennung bis 2500 kWh Trennarbeit pro kg UTA) sowie eine größere Flexibilität in der Kapazitätsplanung.

Im Gaszentrifugenverfahren wird gasförmiges Uranhexafluorid (UF6) in das Innere eines senkrecht stehenden, sehr schnell ( > 90.000 min-1) rotierenden Zylinders geleitet. Unter dem Einfluss der hohen Geschwindigkeit und der dadurch bedingten massenabhängigen Zentrifugalkräfte konzentrieren sich die schwereren 238UF6-Moleküle an der Innenwand des zylindrischen Rotors und die leichteren 235UF6-Moleküle nahe der Rotorachse, wodurch die Isotope getrennt werden.

Uranhexafluorid ist auch deshalb so gut für den Anreicherungsprozess geeignet, da Fluor nur in einem Isotop vorkommt (Reinelement). Die Masse der UF6-Moleküle variiert daher nur durch die unterschiedlichen Massen der Uranisotope. Durch die verhältnismäßig kleine Masse des Fluoratoms beträgt der relative Masseunterschied zwischen den Molekülen etwa 0,85 % im Vergleich zu etwa 1,3 % relativem Masseunterschied zwischen den Uranisotopen:

 1 - \frac{6 \cdot 19\ u + 235\ u}{6 \cdot 19\ u + 238\ u} \approx 0,008523 \approx 0,85\ %

Die Trennwirkung wird verstärkt, indem durch Beheizen des unteren und Kühlen des oberen Teils der Zentrifuge eine axiale Umlaufströmung erzeugt wird. Der größte Konzentrationsunterschied besteht dann nicht mehr zwischen Achse und Rotorwand, sondern zwischen den Enden der Zentrifuge. Die angereicherte Fraktion („Product“) wird am unteren Ende, die abgereicherte Fraktion („Tails“) am oberen Ende der Zentrifuge entnommen.

Eine solche Zentrifuge wird auch als Gegenstromzentrifuge bezeichnet. Die Entnahmeröhrchen für die an- und abgereicherte Fraktion ragen in den Bereich des rotierenden Gases an der Innenwand der Zentrifuge und nutzen so den Staudruck zum Transport des Gases innerhalb der Anlage. Auch beim Zentrifugenverfahren erfolgt der Trennprozess unter Unterdruck, daher müssen „Product“ und „Tails“ mit Hilfe von Verdichtern und Sublimatoren/Desublimatoren auf Normaldruck gebracht werden, bevor sie in Transport- oder Lagerbehälter abgefüllt werden können.

Kaskade von Zentrifugen in den Vereinigten Staaten

Die Gaszentrifugen werden üblicherweise zu Kaskaden mit mehreren hundert Einzelzentrifugen verbunden, da jede Zentrifuge nur einen begrenzten Durchsatz und eine begrenzte Anreicherung erreichen kann. Parallelschaltung der Zentrifugen sorgt dabei für die Erhöhung des Durchsatzes, während die Anreicherung durch Serienschaltung erhöht wird. Die Effektivität der Zentrifugen kann durch Vergrößerung der Rohrlänge und insbesondere der Umlaufgeschwindigkeit gesteigert werden, sie besitzen deshalb eine längliche, walzenartige Form. Mit Aluminiumlegierungen werden 400 m/s, mit hochfesten Stählen 500 m/s und mit faserverstärkten Werkstoffen über 700 m/s erreicht. Die Trennleistung wird durch die Materialeigenschaften des schnell umlaufenden Rotors sowie durch technisch bedingte Einschränkungen der Rotorlänge (Auftreten von unerwünschten Eigenschwingungen) praktisch begrenzt.

Elektromagnetische Anreicherung

Schematische Darstellung der Isotopentrennung per Calutron. 235UF6 Dunkelblau, 238UF6 Hellblau.

Wie in einem Massenspektrometer werden bei der elektromagnetischen Isotopen-Trennung Uranatome zunächst ionisiert, dann in einem elektrischen Feld beschleunigt und anschließend in einem magnetischen Feld entsprechend der Unterschiede der Massenzahlen getrennt. Dieser Aufbau zur Isotopentrennung wurde im Zweiten Weltkrieg für die Herstellung von angereichertem Uran für die ersten Atombomben verwendet; die damals verwendeten Anlagen wurden Calutrone genannt. Wegen des enormen Aufwandes hat dieses Verfahren für die Herstellung von angereichertem Uran heute keine Bedeutung mehr. Es wird jedoch in der Forschung für andere Isotopentrennungen eingesetzt, da sich im Idealfall bereits ein einziges gewonnenes Atom eines Isotops detektieren lässt.

Laseranreicherung

Die Laseranreicherung beruht auf der Isotopieverschiebung der Absorptionsspektren von Atomen und Molekülen. Sind die spektroskopischen Bedingungen geeignet, d. h. überlappen die Absorptionslinien der Isotope oder Isotopenverbindungen hinreichend wenig und steht außerdem ein Laser geeigneter Wellenlänge und Schmalbandigkeit zur Verfügung, so ist eine isotopenselektive Anregung möglich. Für die Trennung wird dann ausgenutzt, dass sich die angeregte Spezies von der nicht angeregten in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften wesentlich unterscheidet. Laserverfahren zeichnen sich durch eine hohe Selektivität aus.

Grundsätzlich lassen sich zwei Konzepte unterscheiden: die Photoionisation von Urandampf (atomares Verfahren; AVLIS) und die Photodissoziation von UF6 (molekulares Verfahren; MLIS). Theoretisch erlaubt das Laserverfahren eine Isotopentrennung in einem einzigen Schritt. Praktisch hängt die Zahl der erforderlichen Stufen davon ab, inwieweit sich die idealen Verhältnisse realisieren lassen.

Beim atomaren Verfahren werden die Atome eines Isotopengemisches selektiv ionisiert. Nach der Ionisation eines Isotops (235U) kann es leicht von den nicht ionisierten Atomen des anderen Isotops (238U) durch Beschleunigung in einem elektrischen Feld getrennt werden.

Beim molekularen Verfahren wird das 235U enthaltende Molekül zunächst durch einen ersten Laser angeregt, bevor durch einen zweiten Laser ein Fluor-Atom abgespalten wird. Das entstehende feste 235UF5 kann leicht aus dem Gas gefiltert werden. Nach anfänglicher Euphorie über die Vorteile dieser Verfahren gegenüber herkömmlichen, etablierten Anreicherungsverfahren[5] ist man inzwischen wieder skeptischer geworden hinsichtlich der industriellen Realisierbarkeit. Viele Forschungs- und Entwicklungsprogramme wurden bereits wieder eingestellt, da sich zeigte, dass die technischen Probleme (Korrosion an den Apparaturen) so unüberwindbar sind, dass auch Hochtechnologie-Länder daran scheiterten.

Trenndüsenverfahren

In Deutschland wurde bis Ende der 1980er Jahre auch das Trenndüsenverfahren entwickelt. Hier erfolgt die Entmischung der Uranisotope aufgrund unterschiedlicher Zentrifugalkräfte in einer schnellen, gekrümmten Strömung. 1975 wurde von Brasilien im Rahmen der deutsch-brasilianischen Kernenergievereinbarung dieses Verfahren übernommen, um seine großen Uranvorkommen zu verarbeiten; die geplanten Anlagen wurden jedoch nicht realisiert. Als Vorteil des Trenndüsenverfahrens kam hier u. a. zum Tragen, dass es keinen Geheimhaltungsbeschränkungen unterlag. Die Republik Südafrika setzte das Trenndüsenverfahren vor 1990 praktisch ein, da bedingt durch das Embargo gegen das Land nur Techniken zum Tragen kommen konnten, die ohne große Schwierigkeiten (ohne Geheimhaltungsbeschränkungen durch die Bundesrepublik Deutschland) nutzbar waren. Der hohe Energieverbrauch spielte dabei keine Rolle.

Bedeutung der Urananreicherung für den Bau von Kernwaffen

Anreicherung von 235U ist keine Voraussetzung für den Bau von Kernwaffen. Das in einem mit Natururan betriebenen Graphit- oder Schwerwasser(D2O)-moderierten Reaktor durch Neutroneneinfang von 238U entstehende Plutonium (239Pu) ist ebenfalls waffentauglich, es ermöglicht jedoch nur den Bau vergleichsweise schwacher Kernladungen, ist radioaktiv, giftig und schwer handhabbar. Das 239Pu muss lediglich durch Wiederaufarbeitung von weiteren entstehenden Zerfallsprodukten getrennt werden: das in einem solchen Reaktor gewonnene Plutonium kann auf rein chemischem Wege von den übrigen Spaltstoffen abgetrennt werden, siehe dazu auch Plutoniumbombe. Kernreaktoren, die hauptsächlich das waffenfähige 239Pu erzeugen, besitzen ein sehr einfaches Design, eignen sich deswegen schlechter zur Stromerzeugung, sind unsicher und überdies für jeden Fachmann klar als für diesen Zweck gebaut erkennbar.

Der Bau und der Betrieb einer Anreicherungsanlage erfordert ein wesentlich höheres technologisches Niveau als der Bau eines einfachen Kernreaktors zum Erbrüten von Plutonium. Auch lässt sich der Bau einer großen Anreicherungsanlage mit Tausenden von Zentrifugen zur Herstellung von hoch angereichertem kernwaffentauglichem 235U kaum besser verheimlichen als der Bau eines Kernreaktors. Das militärische Motiv der Urananreicherung besteht darin, dass man mit hoch angereichertem 235U stärkere Kernladungen bauen kann als mit Plutonium, die überdies besser handhabbar und lagerfähig sind.

Im August 2005 blickte die Weltöffentlichkeit auf den Iran und die umstrittene Wiederinbetriebnahme von dessen Atomkomplex in Natans, Provinz Isfahan. Dort wird die Urananreicherung in vergleichsweise geringem Umfang betrieben, der erreichte Anreicherungsgrad ist weit von der Bombentauglichkeit entfernt. Der Iran reklamiert jedoch sein Recht zur Anreicherung zu zivilen Zwecken: ein Kernreaktor erfordert einen sehr viel geringeren Anreicherungsgrad als eine Bombe. Die Beherrschung der Gaszentrifugen-Technologie zur Anreicherung stellt jedoch eine wesentliche Schwelle auf dem Weg zur Atommacht dar, da die Skalierung hin zu größeren Mengen und Anreicherungsgraden lediglich eine Frage der technischen Ressourcen ist.

Quellen

  1. Urenco-Deutschland (Gronau)
  2. Urenco-UK-Capenhurst
  3. Urenco NL Almelo
  4. Uranium Enrichment
  5. Billig-Brennstoff für Atomkraftwerke, Artikel aus DIE ZEIT, 13. Juni 1975, Nr. 25.

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