Urangewinnung


Urangewinnung

Als Uranabbau wird die Gewinnung von Uran aus Uranlagerstätten bezeichnet. Er findet im großen Stil in Kanada, Australien[1] (z. B. Ranger-Uran-Mine), Kasachstan, Russland, Niger, Namibia, Usbekistan und den USA statt. Rund 70 % der bekannten weltweiten Uranvorräte finden sich auf indigenem Land.[2] Uran kann auch aus der Asche von Kohlekraftwerken gewonnen werden.

10 Staaten fördern 94 % der weltweiten Urangewinnung

Testbohrungen und Uranabbau bilden den Beginn der Uranwirtschaft. Über mehrere Verarbeitungsstufen (Aufbereitung zu Yellow Cake, dann chemische Umwandlung zu Uranhexafluorid und Uran-Anreicherung) entstehen Brennelemente für Kernkraftwerke.

Inhaltsverzeichnis

Erkundung

Am Beginn der Erkundung steht die Wahl des Erkundungskonzeptes. Je nach Geologie zeigen verschiedene Gebiete das Potential für unterschiedliche Uranlagerstättentypen. Danach richtet sich auch die zu verwendende Erkundungsmethode. Dies kann von klassischer geologischer Feldarbeit (Kartierung von Gesteinseinheiten und tektonischen Strukturen), über Wasser- und Bodenluftmessungen bis hin zu geophysikalischen Methoden reichen, wie z.B. magnetische, gravimetrische oder radiometrische Messungen. Aufgrund der hohen Kosten kommen Bohrungen meist erst in einer späten Phase der Erkundung zum Einsatz, wenn vorangegangene Methoden eine signifikantes Potential für eine Uranmineralisation nachweisen. Wird eine Vererzung aufgefunden, die ein weiteres Interesse rechtfertigt, folgt ein engmaschigeres Netz von Bohrungen um die Größe des Vorkommens zu ermitteln und seine Wirtschaftlichkeit zu prüfen. Derzeit in Betrieb befindliche Lagerstätten beinhalten zwischen einigen hunderttausend und einigen hundertmillionen Tonnen Erz mit Urangehalten zwischen 0,01 Gew.% und 15 Gew.%. Die größte Uranressource stellt derzeit die Lagerstätte Olympic Dam in Südaustralien dar mit mindestens 7,7 Mrd. Tonnen Erz und durchschnittlich 0,028 Gew.% Uran (Hauptressource ist allerdings Kupfer, weiterhin Gold und Silber).

Gewinnung

Uran wird im Tagebau, unter Tage sowie durch Lösungsbergbau gewonnen. Die gewählte Gewinnungsmethode richtet sich nach den Eigenschaften des Erzkörpers, wie Tiefe, Form, Erzgehalt, Tektonik, Art des Nebengesteins und anderen Größen. Uran kann auch als Nebenprodukt bei der Gewinnung anderer Rohstoffe anfallen bzw. kann der Uranbergbau auch selbst weitere Metalle produzieren.

Tiefbau

Zur Zeit wird ein Großteil des Urans im Tiefbau gewonnen. Typische Abbautiefen sind wenige 100 m bis über 2.000 m. Die Lagerstätten werden über Schächte, Stollen, Rampen oder Wendeln (vergleichbar mit einer Tiefgarage) erschlossen. Probleme im Tiefbau stellen das eindringende Grubenwasser sowie die Bewetterung dar. Das Grubenwasser muss energieaufwendig gehoben und gegebenenfalls von Schwermetallen gereinigt werden. Bei der Bewetterung muss sichergestellt werden, dass das sich beim radioaktiven Zerfall von Uran bildende Radon und seine Folgeprodukte nicht in der Grube anreichern können. Vor allem im frühen Uranbergbau war die unzureichende Bewetterung Ursache für die Erkrankung viele Bergleute an Lungenkrebs.

Die spezielle Abbaumethode wird wiederum nach den Eigenheiten der Lagerstätte gewählt. Vor allem die Form der Erzkörper sowie die Verteilung des Urans darin sind ausschlaggebend. Im Tiefbau lässt sich ein Erzkörper gezielter Abbauen und somit fällt weniger Abraum an als im Tagebau. Die Förderung erfolgt in modernen Bergwerken hauptsächlich über dieselgetriebende gleislose Fahrzeugtechnik. Die größte Tiefbaugrube ist derzeit McArthur River im kanadischen Saskatchewan mit einer Produktion von etwa 7.200 t Uran pro Jahr.[3]

Tagebau

Oberflächennahe oder sehr große Erzkörper werden bevorzugt im Tagebau gewonnen. Dies ermöglicht den Einsatz kostengünstiger Großtechnik. Moderne Tagebaue können wenige Meter bis über 1000 m tief sein sowie einige km Durchmesser erreichen. Beim Tagebau fallen oftmals große Mengen an Abraum an. Wie im Tiefbau müssen auch für einen Tagebau gegebenenfalls große Mengen Wasser gehoben werden, allerdings stellt die Bewetterung ein weniger großes Problem dar. Der Tagebau Ranger III im australischen Northern Territory ist derzeit der produktivste Urantagebau mit etwa 4.600 t Uran pro Jahr.[3]

Lösungsbergbau

Sandsteingebundene Uranlagerstätten können durch Lösungsbergbau (engl. in-situ leaching) gewonnen werden. Der Erzkörper wird durch Bohrungen erschlossen und ein oxidierendes Fluid eingeleitet, welches das Uran mobilisiert. Die Lösung wird über Injektionsbohrungen in den Erzkörper eingeleitet, die sich im äußeren Bereich des Erzköpers befinden. Im Zentrum des Erzkörpers werden die Produktionsbohrungen niedergebracht, welche die uranhaltige Lösung fördern. Damit wird eine Strömung des Fluids zum Zentrum der Lagerstätte sichergestellt und eine unkontrollierte Verbreitung im Gestein verhindert. Im größeren Umfeld der Lagerstätte befinden sich Monitoring-Bohrungen, mit denen überwacht wird, dass es zu keiner Kontamination im Umfeld der Lagerstätte kommt. Um diese Methode anwenden zu können, muss das uranhaltige Gestein eine gewisse Durchlässigkeit besitzen, um das Fließen der Lösung zu ermöglichen. Außerdem sollte sie nach oben und unten durch undurchlässige (tonige) Gesteine begrenzt sein. Lösungsbergbau ermöglicht die kostengünstige Gewinnung kleiner Erzkörper. Vorteil ist, dass es zu keiner tatsächlichen Bewegung von Gestein kommt und auch kein Abraum anfällt. Der Lösungsbergbau soll in Zukunft eine größere Rolle einnehmen, bedeutende Betriebe gibt es in Kasachstan, Usbekistan, den USA und Südaustralien. Der bedeutendste Betrieb ist Akdala in Kasachstan mit einer Urangewinnung von etwa 1.000 t pro Jahr.[3] Eine Abwandlung der Methode kam in der Lagerstätte Königstein (Sächsische Schweiz) zum Einsatz. Das Bergwerk wurde von konventionellem Tiefbau auf Untertagelaugung umgerüstet. Der Sandstein war allerdings nur unzureichend durchlässig, so dass das Gestein vor der Laugung gesprengt werden musste, um eine entsprechende Permeabilität zu erreichen.

Uran als Nebenprodukt sowie Nebenprodukte des Uranbergbaus

In verschiedenen Betrieben wird Uran als Nebenprodukt gefördert. Am bedeutendsten ist hierbei die Lagerstätte Olympic Dam, in welcher zusammen mit Gold und Silber pro Jahr etwa 3.400 t Uran als Nebenprodukt des Kupferabbaus (200.000 t pro Jahr) gewonnen wird. Zur Zeit läuft eine Machbarkeitsstudie durch den Betreiber BHP Billiton zur Erschließung des Südteils der Lagerstätte, wobei die Produktion schrittweise auf 700.000 t Kupfer und etwa 15.000 t Uranoxid pro Jahr gesteigert werden soll. Eine bedeutende Uranproduktion fand auch auf den Goldgruben des Witwatersrand Goldfeldes in Südafrika statt. Diese soll wieder aufgenommen werden, wobei die wirtschaftliche Bedeutung des Urans die des Goldes übersteigen könnte. Uran wurde auch aus Wässern der Erdölproduktion in der ehemaligen Sowjetunion gewonnen. In Zukunft dürfte auch Uran aus Braunkohlenfilterasche Bedeutung gewinnen. Entsprechende Projekte gibt es in Ungarn und China. In einigen Phosphatlagerstätten ist Uran ebenfalls in gewinnbaren Konzentrationen enthalten. Die Gewinnung aus solchen Vorkommen spielte in der Vergangenheit vor allem in den USA eine Rolle und ist nun in verschiedenen Ländern wieder im Gespräch.

Die Uranlagerstätten des Colorado-Plateaus in den USA waren in der Vergangenheit auch ein sehr bedeutender Lieferant für den Stahlveredler Vanadium. Die große Uranlagerstätte Jabiluka im australischen Northern Territory enthält einen großen Goldanteil. Allerdings wurden weitere Arbeiten auf dieser Lagerstätte durch den Eigner ERA (Energy Resources Australia) vorerst eingestellt, da es großen Widerstand gegen den Abbau durch die Lage im Kakadu-Nationalpark gab. Ähnliche Lagerstätten wie Jabiluka enthalten in Kanada auch teilweise hohe Gehalte an Nickel, allerdings wurde dieses Metall aufgrund der schwierigen Aufbereitung nicht gewonnen. Auf Uranlagerstätten im Erzgebirge wurde in geringem Umfang durch die SAG/SDAG Wismut auch Kupfer, Kobalt, Nickel, Wismut, Blei, Zink, Silber, Selen sowie Baustoffe gewonnen.

Unkonventioneller Abbau

Verfahren die zur Zeit nicht in industriellem Maßstab zum Einsatz kommen, werden als unkonventionelle Verfahren bezeichnet. Darunter fällt zum Beispiel die Urangewinnung aus Schwarzschiefer, Phosphatgestein oder Braunkohle.

Prinzipiell ist auch die Uran-Extraktion aus Meerwasser möglich, das mit einem Urangehalt von etwa 4 Milliarden Tonnen[4] das größte bekannte Uran-Vorkommen darstellt. Dazu könnten spezielle Absorber an Küsten mit hohem Tidenhub oder innerhalb natürlicher Meeresströmungen platziert werden. Momentan ist dieses Verfahren jedoch weit von der Wirtschaftlichkeit entfernt; der Nachweis der großtechnischen Realisierbarkeit wurde noch nicht erbracht.

Kohle enthält fast immer auch Spuren der radioaktiven Elemente Uran, Thorium und Radium. Der Gehalt liegt je nach Lagerstätte zwischen wenigen ppm und 80 ppm[5]. Da weltweit etwa 7800 Millionen Tonnen Kohle pro Jahr in Kohlekraftwerken verbrannt wird, schätzt man den Gesamtausstoß auf 10.000 Tonnen Uran und 25.000 t Thorium, der zum großen Teil in der Asche enthalten ist. Die Asche von europäischer Kohle enthält etwa 80 - 135 ppm Uran.

Zwischen 1960 und 1970 wurde in den USA etwa 1100 Tonnen Uran aus Kohleasche gewonnen. 2007 beauftragte die chinesische National Nuclear Corp die kanadische Firma Sparton Resources, in Zusammenarbeit mit dem Beijing No.5 Testing Institute Versuche durchzuführen, Uran aus Kohleasche zu gewinnen. Dieses soll im Xiaolongtang Kernkraftwerk in Yunnan eingesetzt werden[6]. Der Urangehalt der Asche liegt mit durchschnittlich 210 ppm Uran (0.021%U) über dem Urangehalt mancher Uranerze.

Aufbereitung des Uranerzes

Das im Erz vorhandene Uran wird durch physikalische und chemische Verfahren vom übrigen Gestein getrennt (aufgeschlossen). Dazu wird das Erz zerkleinert (gebrochen, fein gemahlen) und das Uran herausgelöst (ausgelaugt). Dies geschieht mit Säure oder Lauge unter Hinzufügung eines Oxidationsmittels, um das Uran vom sehr schlecht löslichen chemisch 4-wertigen Zustand in die gut lösliche 6-wertige Form zu überführen. Auf diese Weise lassen sich über 90 Prozent des im Erz befindlichen Urans gewinnen.

Unerwünschte Begleitstoffe werden in mehreren Reinigungsschritten durch Dekantieren, Filtern, Extrahieren usw. entfernt. Aus der Flüssigkeit wird Uran ausgefällt, z. B. durch Zugabe von Ammoniak. Das ausgefällte Produkt (chemisch: Ammoniumdiuranat) wird wegen seiner gelben Farbe als "Yellowcake" bezeichnet. In getrockneter Form enthält es 70 bis 80 Gewichtsprozent Uran. Dieses Material wird teilweise noch am Abbauort durch Kalzinierung in Uranoxid umgewandelt. Die Rückstände der Uranaufbereitung (Tailings) müssen in speziellen Becken langfristig sicher gelagert werden. Sie enthalten noch den größten Teil des Aktivitätsinventars des ursprünglichen Uranerzes (in Form der Zerfallsprodukte des Urans wie z.B. Radium) sowie Schwermetalle.

Uranabbau in Deutschland

Der Schacht 371 in Hartenstein, ehemaliger Hauptschacht auf der Lagerstätte Niederschlema-Alberoda

Nach dem Zweiten Weltkrieg fand in der DDR ein extensiver Uranabbau durch die SAG/SDAG Wismut statt. Dabei befanden sich größere Lagerstätten hauptsächlich im Erzgebirge, in Ostthüringen und der Sächsischen Schweiz. Kleinere Uranvorkommen in Westdeutschland, besonders im Schwarzwald, Bayerischen Wald, und Fichtelgebirge waren Ziel von Erkundung und experimentellen Abbaus, eine größere Produktion fand aber nicht statt. Heute findet in Deutschland offiziell kein Uranabbau mehr statt. Allerdings wird im Rahmen der Stilllegung, Sanierung und Rekultivierung von Urangewinnungs- und Uranaufbereitungsbetrieben der ehemaligen SDAG Wismut in einem Betrieb mit 330 Beschäftigten in Königstein (Sächsische Schweiz), inmitten des Landschaftsschutzgebietes, Uran gewonnen. Im bundeseigenen Unternehmen wurden in den Jahren von 2001 bis 2006 insgesamt 700 Tonnen Uran produziert, davon 60 Tonnen im Jahre 2006. Das Bergwerk wurde seit 1972 schrittweise vom konventionellen Abbau auf Laugung umgestellt. Seit 1991 wird die Grube saniert. In diesem Rahmen wird das im Gestein noch vorhandene kontaminierte Laugungsfluid mit Wasser ausgespült und das abgetrennte Uran an ein US-Unternehmen verkauft. Es wird zur Herstellung von Kernbrennstoff nach Frankreich exportiert. Der aus dem Verkauf des Urans im Jahre 2006 erzielte Gewinn dürfte eine Höhe von 2,4 Millionen Dollar erreicht haben und wird mit den zur Sanierung in Königstein investierten Bundesmitteln verrechnet.[7] An weiteren Standorten wie Schlema, Ronneburg (Thüringen), und Pöhla werden in Wasserbehandlungsanlagen (WBA) Schadstoffe wie Uran, Radium, Arsen, Eisen und Mangan aus den Grubenwässern entfernt, mit Zement verfestigt und deponiert. Die behandelten Wässer werden über Fließgewässer dem natürlichen Kreislauf zugeführt.

Neue Pläne für Uranabbau in Finnland, Schweden und der Schweiz

Langfristig ist, ähnlich wie bei anderen Energieträgern, von einer Knappheit von Uran auszugehen. Dies führt momentan dazu, dass der Abbau von Uran wirtschaftlich attraktiv erscheint und in verschiedenen Ländern über neue Uranabbauvorhaben diskutiert wird.

An mehreren Standorten in Finnland sind neue Uranminen im Gespräch, vor allem im dünn besiedelten Lappland [8]. 2008 startete die Firma Areva mit dem Abbau ohne die notwendige Genehmigung [9]. Verschiedene Initiativen in Lappland wehren sich gegen den Uranabbau [10] und werfen der Atomindustrie vor, diesen ähnlich wie in anderen Ländern bevorzugt im Gebiet sowieso schon diskriminierter indigener Gemeinschaften durchzuführen.

In Schweden sind ebenso einige Standorte für neue Uranminen im Gespräch, die Erkundungsarbeiten führten bereits zu starkem Widerstand [11].

Die kanadische Firma AuroVallis hat Ende 2008 Bewilligungen für Bodenuntersuchungen im Schweizer Kanton Wallis erhalten, um nach abbauwürdigen Uranvorkommen zu suchen. [12].

Gefahren

Uran ist ein schwach radioaktiv strahlendes Element, welches in seinen natürlichen Lagerstätten keine Gefahr für die Umwelt darstellt. Der Urangehalt derzeit genutzten Lagerstätten ist stark unterschiedlich und liegt zwischen 0,03 und 18 Prozent Uran.[13] Die radiotoxische Gefährlichkeit des Abraums liegt etwa in der gleichen Größenordnung wie die der natürlichen Strahlungsintensität, wobei aber die besondere Exposition an der Oberfläche oft negative Auswirkungen zeigt.[14] Außerdem besitzt das taube Gestein, aus dem der Abraum besteht, teilweise hohe Konzentrationen von anderen Metallen, welche eine Gefährdung für die Umwelt darstellen können. Je nach Lagerstättenart, Gewinnungsmethode und Lagerung können die auf den Abraumhalden noch vorhandenen Uran- und Schwermetallverbindungen das Trinkwasser belasten oder durch Staubverbreitung entfernte Gebiete kontaminieren.

Nachdem der Uranabbau in fünf westeuropäischen Ländern komplett eingestellt wurde, findet etwa die Hälfte der Uranförderung derzeit in dünn besiedelten Gebieten Kasachstans, Kanadas und Australiens statt.[3] In Kanada und Australien sind hauptsächlich Ureinwohner betroffen, die sich mittlerweile politisch und rechtlich gegen die auftretenden Schäden wehren. Ein weiteres Viertel des Urans wird in Usbekistan, Niger, Namibia und Russland abgebaut.[3] Ca. 70 % der Lagerstätten befinden sich unter dem Land von indigenen Völkern, die dadurch besonders von den Folgen des Uranabbaus betroffen sind.

Ein gefährliches Zerfallsprodukt des Urans ist das Edelgas Radon, das farb- und geruchlos von den Aufbereitungsanlagen und den Halden und Mülldeponien entweicht. In ungenügend ventilierten Räumen oberhalb dieser Anlagen/Orte kann es sich ansammeln und bei einer langandauernden Belastung zu einem deutlich erhöhten Lungenkrebsrisiko führen.

Quellenangaben

  1. Australia’s uranium, Research Note no. 17 2006–07, Parliamentary Library, Australia.
  2. Nando Stöcklin: Uranwirtschaft in Nordamerika - Die Folgen für die Indigenen 2001: Incomindios Schweiz (Hg.), Zürich, S. 9.
  3. a b c d e World Uranium Mining. World Nuclear Association, Juli 2008
  4. atomenergie.ch: Uran im Meerwasser
  5. Naturally-Occurring Radioactive Materials
  6. Radioactivity in Coal Ash
  7. Gabi Thieme: Wismut produziert noch immer Uran. In: Mitteldeutsche Zeitung. Mitteldeutsches Druck- und Verlagshaus GmbH und Co. KG, Halle 9. Februar 2007. 
  8. http://www.greenkids.de/europas-atomerbe/index.php/Nuclear_Controversy_in_Finland
  9. http://www.yle.fi/news/left/id108181.html
  10. http://www.uraanivoima.com/
  11. http://www.nejtilluranbrytning.nu/
  12. http://www.bazonline.ch/schweiz/standard/Kanadier-suchen-im-Wallis-nach-Uran/story/22297852
  13. Peter Diehl: Reichweite der Uran-Vorräte der Welt. Greenpeace Deutschland, Berlin Januar 2006 (http://www.greenpeace.de/fileadmin/gpd/user_upload/themen/atomkraft/uranreport2006_lf.pdf). 
  14. Ralph Graeub: Der Petkau-Effekt und unsere strahlende Zukunft. Verlag Zytglogge, Gümligen 1985, ISBN 3-7296-0222-5.

Siehe auch

Literatur

  • Nando Stöcklin: Uranwirtschaft in Nordamerika - Die Folgen für die Indigenen. Incomindios Schweiz (Hg.), Zürich 2001.
  • Diehl, Peter: Uranium Mining and Milling Wastes: An Introduction, 2003, http://www.antenna.nl/wise/uranium/uwai.html
  • F.-K. Pickert: Brennstoffkreislauf. Deutsches Atomforum, Bonn 1981, ISBN 3-922798-03-4 (formal falsche ISBN)
  • C. Keller und H. Möllinger (Hrsg.): Kernbrennstoffkreislauf. Dr. Alfred Hüthig Verlag, Heidelberg 1978, ISBN 3-7785-0507-6 (Band I).
  • Landtag Sachsen, Parlamentsdokumente, Drs. 4/51 25-2
  • H. Nobukawa, M. Kitamura, S.A.M. Swilem, K. Ishibashi: Development of a Floating Type System for Uranium Extraction from Sea Water Using Sea Current and Wave Power. In: Proceedings of the 4th International Offshore and Polar Engineering Conference. Osaka, Japan, 10-15 April 1994, S. 294-300.

Weblinks


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