Uran-Anreicherung

Unter dem Begriff Anreicherung fasst man physikalische und chemische Methoden zusammen, die den Anteil eines bestimmten Isotopes in einem Isotopengemisch erhöhen. Die Anreicherung findet vor allem im Zusammenhang mit Kernspaltung und Kernfusion Anwendung, also für Kernreaktoren und Kernwaffen.

Die chemischen Eigenschaften von Isotopen sind fast identisch, so dass bei der Anreicherung praktisch ausschließlich physikalische Methoden zum Einsatz kommen.

Urananreicherung

Das wichtigste und wahrscheinlich einzige schwere Element, für das Isotopentrennung im industriellen Maßstab durchgeführt wird, ist das Uran. Natururan besteht zu etwa 99,3% aus ²³⁸U und zu 0,7% aus ²³⁵U. Für die Spaltung in Kernreaktoren und Kernwaffen wird ²³⁵U benötigt. Kernreaktoren werden meistens mit Uran beschickt, das eine Anreicherung von 3 bis 5% ²³⁵U hat. In Schwerwasser- und Graphit-moderierten Reaktoren kann auch Natururan zum Einsatz kommen. Für Kernwaffen ist eine sehr hohe Anreicherung erforderlich (typischerweise mindestens 90%), dieses Urangemisch wird auch als HEU (Highly Enriched Uranium) bezeichnet. Die von einer Trenneinrichtung produzierte Arbeit wird in kg Urantrennarbeit (kg UTA) ausgedrückt. In der englischen Fachliteratur wird statt kg UTA die Einheit SWU (Separation Work Unit) verwendet. Eine große Anlage besitzt eine Jahreskapazität in der Größenordnung einiger Millionen kg UTA.

Als Abfallprodukt der Urananreicherung entsteht abgereichertes Uran ("Tails") mit einem ²³⁵U-Gehalt von ca. 0,3%, das unter anderem in Ausgleichsgewichten für Flugzeugtragflächen und Uranmunition verwendet wird.

Um das Uran zur Energiegewinnung einsetzen zu können, muss bei den gängigsten Reaktortypen, den Druckwasserreaktoren und Siedewasserreaktoren, der Anteil des ²³⁵U erhöht werden. In einer Urananreicherungsanlage wird das eingespeiste (Natur-)Uran in zwei Fraktionen getrennt, von denen die eine einen gegenüber dem Ausgangsstoff höheren, die andere einen niedrigeren Anteil an ²³⁵U besitzt.

Den größten Anteil an der weltweit installierten Gesamtanreicherungskapazität haben immer noch die Diffusionsanlagen. Der Produktionsanteil der Zentrifugenanlagen steigt jedoch in zunehmendem Maße aufgrund der technischen Dominanz der fortschrittlichen Gaszentrifugen. In Frankreich soll demnächst die bestehende Gasdiffusionsanlage durch eine moderne Zentrifugenanlage (George 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*
China	Lanchow	CNNC	Diffusion	ca. 700
China	Hanchong	CNNC	Zentrifuge	200
Deutschland	Gronau (Westf.)	Urenco	Zentrifuge	1.720
Frankreich	Tricastin	Eurodif	Diffusion	10.800
Großbritannien	Capenhurst	Urenco	Zentrifuge	2.750
Japan	Rokkasho-mura	JNFL	Zentrifuge	1.050
Niederlande	Almelo	Urenco	Zentrifuge	2.150
Russland	Ekaterinburg	Technabsexport	Zentrifuge	10.000
Russland	Krasnojarsk	Andrej Rosenskow	Zentrifuge	2.500
Russland	Rostow am Don	Technabsexport	Zentrifuge	1.400
Russland	Angarsk	Technabsexport	Zentrifuge	1.400
Russland	Tomsk	Technabsexport	Zentrifuge	5.700
USA	Paducah	USEC	Gasdiffusion	11.300

Anreicherung durch Gaszentrifugen

Das Gaszentrifugenverfahren ist im internationalen Bereich heute das gängigste Verfahren zur Urananreicherung und hat die Gasdiffusion hinsichtlich der Bedeutung inzwischen überholt. Die wichtigsten Gründe dafür sind der erheblich geringere Energieverbrauch (rund 50 kWh Trennarbeit pro kg) und die größere Flexibilität hinsichtlich der Kapazitätsplanung.

Beim Zentrifugenverfahren wird die Tatsache ausgenutzt, dass die Dichte eines Gases bei sonst gleichen phys. Bedingungen nur vom Molekulargewicht abhängt.

Dazu wird gasförmiges Uranhexafluorid (UF₆) in das Innere eines schnell rotierenden Zylinders geleitet. Der Rotor läuft auf einer Stahlnadel in einem abgedichteten Gehäuse im Vakuum. Unter dem Einfluss der hohen Geschwindigkeit und der dadurch bedingten massenabhängigen Zentrifugalkräfte sammeln sich die schwereren ²³⁸UF₆-Moleküle im äußeren Bereich des zylindrischen Rotors und die leichteren ²³⁵UF₆-Moleküle weiter innen. Dadurch kommt es zu einer Entmischung der Isotope. Uranhexafluorid ist auch deshalb so gut für den Anreicherungsprozess geeignet, weil Fluor selbst nur aus einem Isotop besteht; alle Fluor-Atome haben also genau die gleiche Masse, sodass die Masse der UF₆-Moleküle einzig durch die unterschiedliche Masse des jeweiligen Uran-Atoms variieren kann. Darüber hinaus ist das Fluoratom klein, was für den rel. Dichteunterschied vorteilhaft ist:

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

Dieser Effekt wird noch verstärkt, indem man (z. B. durch Anlegen einer Temperaturdifferenz zwischen Boden und Deckel) im Innern der Zentrifuge eine axiale Umlaufströmung anregt. Der größte Konzentrationsunterschied besteht dann nicht mehr zwischen Achse und Rotorwand, sondern zwischen den Enden der Zentrifuge. Dort werden folglich auch die angereicherte Fraktion („Product“) und die abgereicherte Fraktion („Tails“) entnommen. Auch beim Zentrifugenverfahren erfolgt der Trennprozess im Vakuum, daher müssen "Produkt" und "Tails" mit Hilfe von Kompressoren oder Sublimatoren/Desublimatoren auf Normaldruck erhöht werden bevor sie in die Transport- oder Lagerbehälter abgefüllt werden können.

Die Effektivität der Zentrifugen kann durch Vergrößerung der Rohrlänge und insbesondere der Umlaufgeschwindigkeit gesteigert werden. Daher besitzen die Zentrifugen 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.

Diffusionsmethoden

Bei der Gasdiffusionsmethode lässt man gasförmiges 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 U-235 als der ursprüngliche Strom ("Feed"). Eine einzelne Trennstufe hat einen geringen Trennfaktor (Konzentrationsverhältnis des U-235 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 schwerereren. Praktisch verwendet man statt Platten eher konzentrische Rohre (Trennrohr nach Clusius und Dickel).

siehe auch: Gasdiffusionsverfahren

Elektromagnetische Anreicherung

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 nach der Massenzahl getrennt. Dieser Aufbau zur Isotopentrennung wird auch Calutron genannt.

Dieses Verfahren ist aber keine Anreicherung im Sinne der Definition, da man nur einzelne Atome gewinnt. Eine Anreicherung im Gramm- oder sogar Kilogramm-Bereich kann man aber nicht erzielen. Es wird daher hauptsächlich in der Forschung eingesetzt, da sich im Idealfall bereits ein gewonnenes Atom eines Isotops detektieren lässt.

Laser-Anreicherung

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 isotopen Verbindungen 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 ist man inzwischen wieder skeptischer geworden hinsichtlich der industriellen Realisierbarkeit. Viele Forschungs- und Entwicklungsprogramme wurden bereits wieder eingestellt, da es sich zeigte, dass die technischen Probleme (Korrosion an den Apparaturen) so unüberwindbar sind, dass auch Hochtechnologie-Länder daran scheiterten.

Bedeutung der Anreicherung für den Bau von Kernwaffen

Anreicherung ist keine Voraussetzung für den Bau von Kernwaffen. Das in einem mit Natururan betriebenen Graphit- oder Schwerwasser(D₂O)-moderierten Reaktor durch Neutroneneinfang von ²³⁸U gebildete Plutonium liegt in einem waffentauglichen Isotopengemisch vor, in dem das ²³⁹Pu erst durch die Wiederaufarbeitung weitgehend von ebenfalls entstehenden Zerfallsprodukten getrennt werden muss. Auch der Bau einer Anreicherungsanlage lässt sich kaum besser verheimlichen als der Bau eines Kernreaktors, der für eine ²³⁵U-Kernwaffe nicht erforderlich ist. Im August 2005 blickte die Weltöffentlichkeit z. B. auf den Iran und die umstrittene Wiederinbetriebnahme des Atomkomplexes in Isfahan.

Jedoch verlangt der Bau und der Betrieb einer Anreicherungsanlage ein wesentlich höheres technologisches Niveau als der Bau eines einfachen Kernreaktors. Kernreaktoren, die hauptsächlich das waffenfähige ²³⁹Pu erzeugen, besitzen ein sehr einfaches Design, eignen sich deswegen schlechter zur Stromerzeugung, sind unsicher und daher für jeden Fachmann klar als für diesen Zweck gebaut erkennbar. Das in einem solchen Reaktor gewonnene Plutonium kann dann auf rein chemischem Wege von den übrigen Spaltstoffen abgetrennt werden, siehe dazu auch Plutoniumbombe.

Siehe auch

Abreicherung
Deuterium (Die Anreicherung von Deuterium ist dort beschrieben.)
Plutoniumbombe

Weblinks

www.urananreicherung.de Technische Hintergründe

Kernenergie

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