Uran-Anreicherung

Uran-Anreicherung bezeichnet die verschiedenen Verfahren, den Anteil des Isotops ²³⁵U im Uran zu erhöhen. Natururan besteht zu etwa 99,27 % aus ²³⁸U und zu 0,72 % aus ²³⁵U sowie in Spuren (55 ppm) aus ²³⁴U. Verschieden hoch an ²³⁵U angereichertes Uran dient als Kernbrennstoff für Kernreaktoren und Kernwaffen. Natururan ist zum Einsatz in gängigen Leichtwasserreaktoren ungeeignet, kann aber in Schwerwasserreaktoren und graphitmoderierten Reaktoren verwendet werden. Die Anreicherung ist ein Zweig der Uranwirtschaft.

Verfahren

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. Die von einer Trenneinrichtung verrichtete Arbeit wird in Kilogramm Urantrennarbeit (kg UTA) bzw. Tonnen Urantrennarbeit (t UTA) ausgedrückt. In der englischen Fachliteratur wird diese Einheit als SWU (

Separative Work Unit

) bezeichnet.

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 hat (etwa 100 mbar Dampfdruck bei Raumtemperatur). Zunächst wird aus dem Uranerz durch Laugung Yellowcake gewonnen, ein Gemisch verschiedener Uranverbindungen, überwiegend Oxide. Aus dem Yellowcake wird Uranhexafluorid hergestellt (Urankonversion) und nach dem Gasdiffusionsverfahren oder mittels Gaszentrifugen verarbeitet.

Uranhexafluorid ist auch deshalb so gut für den Anreicherungsprozess geeignet, weil Fluor in der Natur nur als Reinelement (Isotop Fluor-19) vorkommt. Die Masse der UF₆-Moleküle variiert daher nur durch die unterschiedlichen Massen der Uranisotope. Wegen der kleinen Masse des Fluoratoms beträgt der relative Massenunterschied zwischen den UF₆-Molekülen noch rund 0,85 % im Vergleich zu etwa 1,3 % relativem Masseunterschied zwischen den Uranisotopen selbst:

$1-{\frac {6\cdot 19\ \mathrm {u} +235\ \mathrm {u} }{6\cdot 19\ \mathrm {u} +238\ \mathrm {u} }}\approx 0{,}0085=0{,}85\ \%\,.$

Verwendung des angereicherten Urans

²³⁵U ist – wie einige andere Nuklide mit ungerader Neutronenzahl – durch thermische Neutronen relativ gut spaltbar und das einzige bekannte natürlich vorkommende Nuklid, das zu einer Kernspaltungs-Kettenreaktion fähig ist. Während für Schwerwasser- und Graphit-moderierte Reaktoren auch Natururan zum Einsatz kommen kann, müssen die gängigeren Leichtwasserreaktoren mit Uran beschickt werden, dessen ²³⁵U-Gehalt auf mindestens etwa 3 % – in der Praxis bis zu 5 % – erhöht wurde. Als hochangereichertes Uran („

HEU

“ von englisch highly enriched uranium) wird Uran mit 20 % oder mehr ²³⁵U bezeichnet. Für Kernwaffen ist eine sehr hohe Anreicherung erforderlich (typischerweise mindestens 85 %).

Verwendung des abgereicherten Urans

Als Nebenprodukt der Anreicherung entsteht abgereichertes Uran. Je Tonne für zivile Zwecke angereichertem Kernbrennstoff fallen etwa 5,5 Tonnen abgereichertes Uran mit einem ²³⁵U-Gehalt von ca. 0,3 % an. Es wird wegen seiner hohen Dichte unter anderem in Ausgleichsgewichten für Flugzeugtragflächen und Renn-Yachten sowie 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 Seiten Russlands, besteht in der Verwendung als Mischmaterial („Blender-Material“) für die Rückumwandlung hochangereicherten (militärischen) Urans in schwachangereichertes (ziviles) Uran für den Einsatz in Leichtwasserreaktoren. 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.

Methoden

Hinsichtlich der Effizienz ist die Anreicherung durch Gaszentrifugen der Diffusionsmethode etwa um den Faktor 10 überlegen, die Laseranreicherung etwa um den Faktor 2 bis 20.

Anreicherung durch Gaszentrifugen

Beheizte Gaszentrifuge:
²³⁵UF₆ hellblau,
²³⁸UF₆ dunkelblau

Kaskade von Gaszentrifugen zur Urananreicherung

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

Im Gaszentrifugenverfahren wird gasförmiges Uranhexafluorid (UF₆) in das Innere eines senkrecht stehenden, sehr schnell (>60.000/min) rotierenden Zylinders geleitet. Unter dem Einfluss der hohen Geschwindigkeit und der dadurch bedingten massenabhängigen Zentrifugalkraft reichern sich die schwereren ²³⁸UF₆-Moleküle an der Innenwand des zylindrischen Rotors an und die leichteren ²³⁵UF₆-Moleküle nahe der Rotorachse, so dass die Isotope getrennt entnommen werden können.

Die Trennwirkung wird in modernen Zentrifugen verstärkt, indem durch Beheizen des unteren und Kühlen des oberen Teils der Zentrifuge eine axiale Wärmeumlaufströmung erzeugt wird. Solche Zentrifugen werden auch als Gegenstromzentrifugen bezeichnet. Der größte Massenunterschied zwischen mit ²³⁵U an- und abgereichertem Massenstrom besteht in diesen dann nicht mehr zwischen Achse und Rotorwand, sondern zwischen den Enden der Zentrifuge. Die angereicherte, leichte Fraktion („

Product

“) wird am oberen (kalten) Ende, die abgereicherte, schwerere Fraktion („

Tails

“) am unteren (warmen) Ende der Zentrifuge entnommen. 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. Der Trennprozess erfolgt bei 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.

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 führt dabei zur Erhöhung des Durchsatzes, während die Anreicherung durch Serienschaltung erhöht wird. Die Effizienz 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.

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 das leichtere ²³⁵U-Isotop enthalten, besitzen eine höhere Diffusionsgeschwindigkeit als schwerere, deshalb sammeln sich die leichten Isotope in der Kammer mit niedrigem Druck. 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 1,0035, 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). Man verwendet Uranhexafluorid, weil es bereits bei 56 °C sublimiert und weil Fluor nur aus einem einzigen Isotop besteht. Der Unterschied in der Molekülmasse hängt somit nur vom Uranisotop ab.

Anstelle des Druckunterschiedes kann grundsätzlich auch ein Temperaturgefälle zur Isotopentrennung mittels Diffusion ausgenutzt werden (siehe Thermodiffusion). Für die Urananreicherung spielen diese Verfahren jedoch keine praktische Rolle.

Elektromagnetische Anreicherung

Schematische Darstellung der Isotopentrennung per Calutron: ²³⁵U-Ionen (dunkelblau) werden im Magnetfeld etwas stärker abgelenkt als ²³⁸U-Ionen (hellblau), es entsteht ein Konzentrationsgradient quer zum abgelenkten Strahl (hier übertrieben dargestellt)

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 den unterschiedlichen 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.

Laserverfahren

Das Laserverfahren 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 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 SILEX-Verfahren, das bereits in den 1970er Jahren entwickelt wurde, sollen die das ²³⁵U enthaltenden Moleküle des gasförmigen Uranhexafluorides selektiv durch einen ersten Laser (zum Beispiel einen frequenzstabilisierten Kohlendioxidlaser) angeregt werden, 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 wurde man skeptisch hinsichtlich der industriellen Realisierbarkeit. Die meisten Länder zogen sich aus dieser Technologie wieder zurück, da die technischen Probleme (z. B. Korrosion an den Apparaturen) unüberwindbar schienen.

Inzwischen gibt es aber Entwicklungen zur großtechnischen Anwendung dieses Verfahrens. So wird derzeit in der Nähe von Wilmington in North Carolina eine Anlage gebaut, die ab 2013 mittels Laser-Isotopen-Trennung Uran anreichern soll. Kritiker warnen jedoch davor, weil damit die Kernwaffenherstellung erleichtert und weniger kontrollierbar werde.

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 wurde in Kauf genommen.

Anreicherungskapazität

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 (Georges Besse I) durch eine moderne Zentrifugenanlage (Georges Besse II) ersetzt werden. Zwei neue Zentrifugenanlagen sind in den USA geplant.

Luftbild der Urananreicherungsanlage Paducah

Die gesamte Menge hochangereicherten Urans weltweit belief sich 2010 auf ungefähr 1580 Tonnen. Große Anlagen besitzen eine Jahreskapazität in der Größenordnung einiger 1000 t UTA.

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

Land	Anlage	Betreiber	Verfahren	UTA Tonnen/Jahr
				aktuell	Endausbau
China	bei Lanzhou	CNNC	Diffusion	ca. 700
China	bei Hanchong		Zentrifuge	200
Deutschland	Gronau	Urenco	Zentrifuge	3.900	4.500
Frankreich	Tricastin	Eurodif	Diffusion	10.800	07.2012 stillgelegt
Großbritannien	Capenhurst	Urenco	Zentrifuge	4.200
Japan	Rokkasho	JNFL	Zentrifuge	1.050	1.500
Niederlande	Almelo	Urenco	Zentrifuge	3.600
Russland	Krasnojarsk		Zentrifuge	2.500
Russland	Rostow am Don	TWEL	Zentrifuge	1.400
Russland	Jekaterinburg		Zentrifuge	10.000
Russland	Angarsk		Zentrifuge	1.400
Russland	Tomsk		Zentrifuge	5.700
USA	Paducah Gaseous Diffusion Plant bei Paducah	USEC	Diffusion	11.300	2013 stillgelegt
USA	National Enrichment Facility bei Eunice (New Mexico)	LES (Urenco)	Zentrifuge	0	5.900
Summe				56.050

Bedeutung der Urananreicherung für den Bau von Kernwaffen

Die Urananreicherung ist einer von zwei Wegen zum Bau von Kernwaffen. Der andere Weg ist das Erbrüten von Plutonium in einem Kernreaktor und seine anschließende Abtrennung vom gebrauchten Kernbrennstoff durch Wiederaufarbeitung.

Soll die Waffe hohe Sprengkraft erreichen, also von militärstrategischem Interesse sein, dann muss in beiden Fällen das jeweils wichtige Isotop, ²³⁵U bzw. ²³⁹Pu, nahezu rein vorliegen. Für Kernwaffen geringerer Wirksamkeit, die aber z. B. für terroristische Gruppen interessant genug wären, genügt weniger reines ²³⁵U bzw. ²³⁹Pu.

Die zum Zünden einer Kernwaffe nötige konventionell-chemische Sprengtechnik ist bei Uran weniger anspruchsvoll als bei Plutonium (siehe Kernwaffentechnik). Wegen der geringeren Strahlung ist eine Uranbombe im Vergleich zur Plutoniumbombe auch besser lagerfähig und leichter zu handhaben.

Eine Anreicherungsanlage erfordert für Bau und Betrieb mindestens ein vergleichbares technologisches Niveau wie eine Wiederaufarbeitungsanlage. Für militärische Waffenzwecke muss sie, vereinfacht gesagt, Kilogrammmengen mit hoher Anreicherung liefern, für Reaktoren zur Energieversorgung dagegen Tonnen mit niedriger Anreicherung. Dass eine Anlage nur für den letzteren Zweck verwendet wird, kann im Fall der Gaszentrifugentechnik nur durch ständige oder genügend häufige Inspektionen sichergestellt werden, denn grundsätzlich lässt sich eine solche Anlage durch Änderung von Rohrleitungsverbindungen zwischen den Zentrifugen von dem einen auf den anderen Zweck umstellen.

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 sein Recht zur Anreicherung zu zivilen Energieversorgungszwecken. Die Beherrschung der Gaszentrifugen-Technologie zur Anreicherung stellt jedoch, wie beschrieben, einen wesentlichen Schritt auf dem Weg zur Atommacht dar. Im Februar 2010 erklärte der damalige Präsident Mahmud Ahmadineschad, dass Uran bis 20 % angereichert werde.

Weblinks

Commons: Urananreicherung – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Forschungszentrum Jülich – Sicherheitsforschung und Reaktortechnik am Institut für Energieforschung mit einer Infothek zur Kernenergie
• Forschungszentrum Karlsruhe – nukleare Sicherheitstechnik und Kernfusion am Forschungsbereich Energie der Helmholtz-Gemeinschaft mit geschichtlichen Daten zur Urananreicherung und einem Lexikon zur Kernenergie
• Virtueller Rundgang durch den Anreicherungsprozess – Website des Unternehmens Urenco