| Urananreicherung
Verzeichnis: Der weitverbreitetste Typ eines Kernkraftwerks ist der Leichtwasserreaktor. In ihm wird Uran mit thermischen, also langsame Neutronen gespalten, wobei große Energiemengen freiwerden. Thermische Neutronen können allerdings lediglich das Isotop 235U des Urans spalten. 235 bedeutet hier, daß das Uranatom 235 Kernbausteine, also Protonen und Neutronen enthält. Liegen nach der Uranerzgewinnung und dessen Aufbereitung in einer Probe genau 1000 Atome Uran vor, so befinden sich darin im Mittel nur 7 235U-Atome, der Rest besteht vorwiegend aus 238U. Dieses ist chemisch nicht vom 235U zu unterscheiden und kann demnach auch nicht auf chemischem Weg davon getrennt werden. Es trägt im Atomkern drei Neutronen mehr, was eigene kernphysikalische Eigenschaften nach sich zieht, wodurch es mit thermischen, also recht langsamen Neutronen nicht spaltbar ist. Es kann in Leichtwasserreaktoren nicht als Kernbrennstoff verwendet werden. Um ausreichend Spaltmaterial im späteren Kernbrennstoff zu haben, muß der Gehalt von 235U erhöht, 235U also angereichert werden. Da sich, wie gesagt, die verschiedenen Isotope chemisch nicht unterscheiden, müssen physikalische Trennverfahren herangezogen werden. In den verschiedenen Verfahren macht man sich den geringen Unterschied in der Kernmasse der Isotope zu Nutze. Derzeit werden vornehmlich zwei verschiedene Verfahren industriell angewendet:
Die physikalische Trennung nach dem Atomgewicht
ist durch die hohe dort vorliegende Teilchengeschwindigkeit erst in der
Gasphase richtig effektiv. Ausgesprochen geeignet dazu ist die Verbindung
Uranhexafluorid (UF6), die pro Molekül aus einem Atom Uran
und sechs Atomen des Elements Fluor besteht. Fluor besitzt lediglich ein
Isotop mit der Massenzahl 19. In der Verbindung UF6 existiert
somit ein "schweres" UF6 aus 238U und F und ein "leichtes"
UF6 aus 235U und F.
Wird einer Zentrifugenstufe 0,711 %iges UF6 als sog. Feed-Strom zugeführt, so kann dies in diesem ersten Schritt zu einem 0,841 %igem Product-Strom angereichert werden (was dem sog. Anreicherungsfaktor 1,183 entspricht), übrig bleibt ein Tails-Strom, der noch einen 235U-Gehalt von 0,601 % hat. Mit dem Anreicherungsfaktor ist also der 235U-Gehalt des Feed-Stroms zu multiplizieren und man erhält den Prozentgehalt des Product-Stromes. Umgekehrt wird der Feed-Strom durch den Abreicherungsfaktor geteilt und es ergibt sich der 235U-Gehalt des Tails-Stromes. UF6 ist bei Zimmertemperatur ein schneeartiger weißer Feststoff mit einer Dichte von etwa 5 g/cm3, der einen Dampfdruck von rund 100 mbar aufweist. Es sublimiert bei Umgebungsdruck bei 56,4 °C und schmilzt bei 64 °C, wenn ein Druck von 1516 mbar vorliegt. Die verschiedenen Gleichgewichtszustände können Bild 1 entnommen werden.
Da der Product-Strom in unserem Beispiel nach einer Zentrifuge erst einen Gehalt von 0,84 % 235U hat, wird schnell ersichtlich, daß dieser erneut Zentrifugen zugeführt werden muß, um eine für Leichtwasserreaktoren erforderliche Anreicherung von etwa 4 % (Tendenz seit den letzten Jahren weiter steigend) zu erreichen. Die Zentrifugen werden hierzu hintereinander, also in Serie geschaltet. Je nachdem, wie weit der Tails-Strom bereits abgereichert ist, wird auch dieser in weiteren Zentrifugenstufen an 235U verarmt, solange sich dies wirtschaftlich lohnt. Wird also der Tails-Strom der ersten Stufe einer weiteren Zentrifuge als Feed zugeführt und arbeitet diese mit den gleichen Einstellungen wie unsere Beispiel-Zentrifuge, so hat der Product-Strom wieder eine Anreicherung von 0,601 % mal Anreicherungsfaktor 1,183 gleich 0,711 % und kann so wieder dem Feed-Strom der ersten Zentrifugenstufe zugeführt werden. Zusätzlich zur seriellen Anordnung (zur Steigerung der Anreicherung) werden die Trenneinheiten zur Erreichung eines ausreichenden Massenstromdurchsatzes durch die Anlage parallel geschaltet. Es entstehen sogenannte Kaskaden, Bild 2, denen ein Feed-Strom mit 0,711 % zugeführt wird und ein auf ca. 0,3 % abgereicherter Tails-Strom und der eigentliche Product-Strom entnommen werden kann [1]. Alles Uran, was heute als Laborbedarf zu wissenschaftlichen Zwecken erworben werden kann, hat ebenfalls eine Anreicherung von 0,3 % 235U, es ist also auch mal durch eine Isotopentrennung gelaufen und anschließend weiterverarbeitet worden.
Die Kaskaden stellen aber nur den Kern der Anreicherungsanlage dar. Einen Überblick über die Gesamtanlage gibt schematisch Bild 3.
Uranhexafluorid wird in sog. 48Y-Transportbehältern mit LKWs angeliefert. Diese Behälter haben einen Durchmesser von 1,2 m, sind 3,8 m lang, bestehen aus 16 mm dickem Stahl und enthalten etwa 12,5 t UF6. Während des Transportes befindet sich das Uranhexafluorid in festem Zustand. Im Behälter herrscht Unterdruck, der gerade dem Dampfdruck des UF6 entspricht. Er beträgt 1/10 des normalen Luftdrucks. Wird also ein Behälter undicht, strömt kein Medium nach außen, sondern Luft dringt in den Behälter ein. In der Anreicherungsanlage werden die Behälter in druckdichten Wärmeöfen (Autoklaven) erhitzt und das UF6 in den Gaszustand überführt. Danach kann es der eigentlichen Trennanlage zugeführt werden. Nach der Anreicherung wird der Product- und der Tails-Strom im sogenannten Desublimator, Bild 4, wieder auf –70 °C gekühlt, wobei er resublimiert, also aus der Gasphase direkt in den festen Aggregatzustand übergeht.
Ist der Desublimator gefüllt, wird die Verbindung zur Trennanlage unterbrochen, das UF6 wieder erhitzt, wobei es erneut gasförmig wird und in Transportbehälter geleitet, in denen es nochmals resublimiert (vom gasförmigen in den festen Zustand überführt wird). Die Transportbehälter stehen in Kühlboxen und werden mit Wasser oder mit Luft auf ca. 6 °C gekühlt, damit die Resublimation schneller vor sich geht. Ist dieser Behälter gefüllt, wird er von der Anlage getrennt und kann abtransportiert werden, wenn er sich wieder auf Umgebungstemperatur erwärmt hat. Als physikalisches Grundprinzip liegt diesem Verfahren zugrunde, daß schwerere UF6-Moleküle aufgrund ihrer geringeren Molekularbewegung ein wenig langsamer durch eine poröse Wand hindurchwandern (diffundieren) als leichtere. Der Ablauf in einer Diffusionszelle ist in Bild 5 dargestellt. Bild 6 zeigt die Verschaltung mehrerer Diffusionszellen.
 Das UF6-Gas wird durch einen Kompressor auf hohen Druck gebracht, in einem Wärmetauscher wieder rückgekühlt und in die Diffusionszelle gepreßt. Die Uranhexafluorid-Moleküle, die 235U enthalten, wandern geringfügig schneller durch die Membran, als diejenigen mit 238U. Etwa die Hälfte des eingepreßten Gases gelangt durch die Membran und wird auf der Membranrückseite als Product-Strom abgeführt. Die an 235U abgereicherte Fraktion verläßt die Diffusionsstufe mit mittlerem Druck und wird als Tails-Strom bezeichnet. Durch die Membran wird das Product so stark gedrosselt, daß es vor Eintritt in die nächste Stufe erneut komprimiert und gekühlt werden muß. Auch hier ist die Trennleistung einer Stufe nur sehr gering, so daß auch hier mehrere Diffusionskammern hintereinandergeschaltet werden müssen. Der theoretisch bei der Diffusion erreichbare Gesamttrennfaktor ist durch die Wurzel des Verhältnisses der zu trennenden Molekülmassen bestimmt, wodurch der Trennfaktor bei der 235U-Anreicherung mit 1,00429 gegenüber dem des Zentrifugenverfahrens sehr gering wird. Daraus folgt, daß sehr viele Stufen hintereinander geschaltet werden müssen. Wie oben bereits erwähnt, ist nach jeder Stufe eine erneute Kompression mit anschließender Rückkühlung zur Abfuhr der Verdichtungswärme erforderlich. Dies erhöht den Energiebedarf ungemein. Die großen Kompressoren haben eine Leistung von mehreren 100.000 m3/h und führen so zu einem spezifischen Energieverbrauch, der 50 mal höher liegt, als bei einer Zentrifugenanlage gleicher Leistung [1]. Ein anderer Vergleich: die Diffusionsanlage verbraucht bereits ca. 4 % der Energie, die aus dem von ihr angereicherten Uran später in Kernreaktoren gewonnen werden kann. So ist es nicht verwunderlich, daß im französischen Rhonetal die EURODIF-Anlage durch einen Block des 4 x 915 MWel-Kernkraftwerkes Tricastin versorgt wird. Es ist allerdings zu erwähnen, daß trotz des hohen Energiebedarfs der Diffusionsanlage durch den Einsatz der Kernenergie kein CO2 erzeugt wird. Der Aufbau der Zentrifuge ist in Bild 7 zu erkennen. In einem vakuumdichten Gehäuse läuft mit hoher Umfangsgeschwindigkeit ein Rotor um, in dem durch ein feststehendes Rohr mittig das zu trennende UF6-Gas eingebracht wird. Der Rotor reißt die Gasmoleküle mit. Nun wird ausgenutzt, daß die hohe Rotationsgeschwindigkeit eine größere Zentrifugalkraft auf die schwereren 238U-Moleküle ausübt als auf die leichteren und sich diese so vermehrt an der Außenwand sammeln.
Um die Rotorachse kommt es so zu einer geringen Anreicherung an 235UF6, das dort abgesaugt werden kann. Zur Rotorwand hin verstärkt sich die Konzentration an 238UF6, das also als Tails-Strom entnommen werden kann. Um einen entgegenwirkenden Vermischungseffekt durch Diffusion in radialer Richtung zu vermeiden, wird eine Konvektionsbewegung in axialer Richtung überlagert, die den Konzentrationsausgleich in radialer Richtung verhindert. Die erfolgt zum einen durch geeignete Wahl der Gaseinströmungs- und -entnahmeorte, zum anderen durch ein durch Beheizung und Kühlung erzeugten Temperaturgradienten entlang der Rotorachse. Bild 8 zeigt die große axiale Erstreckung der Zentrifugen.
Die Zentrifuge ist am oberen Ende in einem Magnetlager berührungsfrei aufgehangen, am unteren Ende wird sie durch einen schnellaufenden Elektromotor angetrieben. Diese Anordnung ist völlig wartungsfrei, so daß die Zentrifugenkaskaden einmal angeworfen werden und dann über Jahrzehnte ohne Unterbrechung durchlaufen können. Fällt dennoch mal eine einzelne Zentrifuge aus, wird sie nicht repariert, sondern verbleibt im Kaskadenverbund, da es teurer wäre, die gesamte Kaskade mit mehreren hundert Zentrifugen stillzulegen, um eine einzelne zu reparieren. Der Trennfaktor von Zentrifugen wird nicht wie bei der Diffusion vom Massenverhältnis, sondern durch die Massendifferenz bestimmt. Es sind hier deutlich höhere Werte zu erreichen, wodurch die Kaskaden kleiner ausgelegt werden können [1]. Die Laserverfahren befinden sich noch im vorindustriellen Einsatz, sie zeigen aber bereits einen deutlich höheren Trennfaktor als die bisher industriell angewendeten Verfahren. Allerdings können sie derzeit noch nicht mit ihnen konkurrieren. Als physikalische Grundlagen nutzt man hier, daß verschiedene Isotope eines Elements geringfügig unterschiedliche Absorptionsspektren haben. Das bedeutet, daß 235U durch Licht einer ganz bestimmten Wellenlänge (also Farbe) in Schwingung versetzt werden kann, wobei 238U durch dieses Licht nicht beeinflußt wird. Diese Wellenlängenunterschiede sind sehr gering. Lichtquellen, die genau diese Resonanzfrequenz aussenden, stehen erst durch die Lasertechnologie zur Verfügung. Atomares Laserverfahren Das durch das Laserlicht in Schwingung versetzte Molekül wird (beispielsweise durch eine weitere Laserbestrahlung) ionisiert, Bild 9, es erhält also eine elektrische Ladung durch Abgabe von Elektronen aus der Atomhülle und kann dann relativ einfach
in einem elektrischen Feld von den nicht ionisierten Molekülen getrennt werden. Diese elektrostatische Trennung nutzt man beispielsweise auch in Rauchgasfiltern von Kohlekraftwerken, um das Rauchgas von Staub zu befreien. Problematisch ist hierbei, daß das
Verfahren in der Gasphase des metallischen Urans (Siedepunkt bei Normaldruck
Tb = 4.364 °C, ) in einem
Temperaturbereich über 5.000 °C durchgeführt werden muß, da sich vorher noch keine Resonanzen
im 235U-Atom einstellen. So wird im Hochvakuum Uran mittels
eines Elektronenstrahls erhitzt bis es verdampft, in einigem Abstand von
der Quelle dem Laserlicht ausgesetzt, die Fraktionen daraufhin elektrostatisch
getrennt, der Dampf wieder kondensiert und in noch flüssiger Form
wieder aus der Vakuumkammer abgeführt.
Angaben für den Schmelzpunkt bei Normaldruck liegen zwischen Tm = 1.090 °C...1.689 °C,
da es drei allotrope Modifikationen, also Kristallstrukturen gibt, die sich je nach der werkstofftechnischen Vorgeschichte
des Metalls einstellen und jeweils unterschiedliche Schmelzpunkte aufweisen. Für den Übergang vom flüssigen
in den festen Aggregatzustand kann hier mit recht guter Genauigkeit ein Wert um Tm = 1.200 °C
angenommen werden. Verfahrenstechnische Probleme sind aufgrund der enormen Temperaturen, besonders in der Gasphase
leicht vorstellbar [1]. Das molekulare Laserverfahren Beim molekularen Laserverfahren, das vornehmlich in Japan und Südafrika erforscht wird, wird UF6 bei einer Temperatur von –173 °C mittels eines Schutz- und Trägergases in den Laserstrahl gebracht. Die Resonanzschwingungen im 235UF6-Molekül sorgen für einen Zerfall des 235UF6 in 235UF5, das bei dieser Temperatur und dem vorliegenden Druck fest ist und leicht mittels eines Filters abgetrennt werden kann. Es wird anschließend wieder zu UF6 fluoriert und kann normal weiterverarbeitet werden [1]. Das Trenndüsenverfahren
nutzt wie die Isotopenanreicherung in Zentrifugen Kräfte aus, die
bei Drehbewegungen entstehen. 4 % gasförmiges Uranhexafluorid gemischt
mit 96 % Helium werden mit hoher Geschwindigkeit durch eine schlitzförmige
Düse gepreßt und in einer schalenförmige Öffnung
umgelenkt. Die Zentrifugalkräfte der erzwungenen Rotationsbewegung
drängen die schwereren 238UF6-Moleküle
nach außen, die leichteren 235UF6-Moleküle
bleiben weiter innen. Mittels eines sogenanntes Abschälbleches
werden beide Gasströme getrennt. Trennfaktoren liegen zwischen
1,015 und 1,026.
Dieses Verfahren hat sich
zwar nicht durchgesetzt, jedoch wurden Erkenntnisse aus den Forschungsarbeiten
für Zerstäuber von Asthma-Sprays genutzt: Weiterverarbeitung des UF6 nach der Anreicherung Ist der Product- und der Tails-Strom aus den Kaskaden herausgeführt, im Desublimator aufgefangen und anschließend in Transportbehältern bereitgestellt, steht der Weiterverarbeitung nichts mehr im Wege. Das Product wird in die Konversionsanlage gebracht, um daraus Brennstoff-Pellets und schließlich Brennelemente herzustellen. Das abgereicherte UF6 wird entweder in den Transportbehältern gelagert oder ebenfalls der Konversion zugeführt und anschließend als UO2 gelagert. Es enthält noch einiges an 235U und kann auch unabhängig von seinem 235U-Gehalt als Brutstoff in Kernkraftwerken, wie etwa dem Schnellen Brüter eingesetzt werden. Die Firma URENCO reichert weltweit an mehreren Standorten (u. a. England und Holland) nicht nur Uranisotope an. Zu wissenschaftlichen Zwecken werden auch von anderen Elementen bestimmte Isotopenzusammensetzungen benötigt. Die Anlage in Gronau ist für die Urananreicherung auf maximal 5 % beschränkt, höhere Werte sind theoretisch erreichbar, jedoch aufgrund strenger Kontrollen der staatlichen Aufsichtsbehörde (hier besonders die Internationale Atomenergiebehörde in Wien, IAEA) unterbunden. Die Prozentzahlen reichen bei weitem noch nicht aus, um hieraus waffentaugliches Material gewinnen zu können. Möchten Sie mehr zur Urananreicherung erfahren, so wenden Sie sich bitte an: URENCO Deutschland GmbH
Bildnachweis Alle Grafiken und Bilder wurden uns freundlicherweise durch die Firma URENCO Deutschland
zur Verfügung gestellt. Die Abbildung des Trenndüsenverfahrens wurde einer Grafik von www.kernenergie.de nachempfunden. Impressum Dipl.-Ing. Veit Huber, Jahrgang 1972,
studierte bis 2001 Maschinenbau an der Universität Dortmund. Kontakt:
Danksagung
Schließlich möchte ich mich noch für die tatkräftige Unterstüzung herzlich bedanken bei:
Prof. Dr.-Ing. Dietrich Schwarz †, (Widmung
von Dr. Andreas Kronenberg) und | ||||||||||||||||||||||||
