Vom Uranerz zum Brennelement

Thema: Uran, vom Erz zum Brennelement

Alexander Bruns & Peter Gravemann

Thema: Uran, vom Erz zum Brennelement

1

Inhaltsangabe Uranerzgewinnung Uranerzverarbeitung z z z

Prinzip des Anreicherungsverfahren Anreicherung durch Zentrifugentechnik Weitere Anreicherungsverfahren

Brennelementherstellung Umweltproblematik Quellen Alexander Bruns & Peter Gravemann

Thema: Uran, vom Erz zum Brennelement

2

Das Uran als Element Symbol: U Ordnungszahl: 92 Dichte: 18,9 g/cm³ Atommasse: 238,0289 g/mol Oxidationszahlen: 6, 5, 4, 3 Elektronenkonfiguration:[Rn]5f36d17s2 Schmelzpunkt: ca. 1132*C (1405,5 K) Siedepunkt: ca. 4407 K Natürliches Vorkommen: 99,275% Uran-238 0,720% Uran-235 0,005% Uran-234 Alexander Bruns & Peter Gravemann

Thema: Uran, vom Erz zum Brennelement

3

Uranerzvorkommen Durchschnittlich pro 1t Gestein, 3g Uran; Uran 100x häufiger als Silber oder Gold zu finden. Erze sind wirtschaftlich nutzbar, wenn sie zwischen 0,1 und 0,5% Uran enthalten. In der Erdkruste befinden sich ca. 41*1012 t Uran. ¾ auf Kontinenten und der Rest im Meer. Zu finden in Kanada, USA, Brasilien, Süd- und Mittelafrika, Australien, Frankreich, Schweden und ehemalige UdSSR in Deutschland sind nur kleinere Vorkommen vorhanden. Die gesamt Weltförderung von Uranerz beträgt ca.34000t. Die heute bekannten Reserven reichen noch für ca. 100 Jahre.

Alexander Bruns & Peter Gravemann

Thema: Uran, vom Erz zum Brennelement

4

Uranerzvorkommen

Alexander Bruns & Peter Gravemann

Thema: Uran, vom Erz zum Brennelement

5

Uranerzverarbeitung Die Uranerz-Gewinnung erfolgt bergmännisch im Tagebau oder Untertagebau. In verschiedenen chemischen und physikalischen Prozessen wird aus dem Erz ein Konzentrat gewonnen, "yellow cake" genannt, das bereits mehr als 70% Uran enthält. z z

z z

z

Erz wird gebrochen und gemahlen Mit Säure (Lauge) unter Anwesenheit eines Ox-mittels (z.B. MnO2 oder NaClO4) ausgelaugt z. B. Pechblendeerz: UO2 + H2SO4 + ½ O2 ⇒ UO2 (SO4) + H2O Jetzt ist 90 % des Urans aus dem Erz gewonnen werden. Das Uranylsulfat enthält noch Begleitstoffen, die in weiteren Reinigungsprozessen entfernt werden Durch Zugabe von MnO, NaOH oder NH3 entsteht Konzentrat aus Ammoniumdiuranat (NH4)2U2O7. Es wird eingedickt, gefiltert, gewaschen und getrocknet. Dieses Konzentrat ist der "Yellow Cake"

Alexander Bruns & Peter Gravemann

Thema: Uran, vom Erz zum Brennelement

6

Konversation zu UF6 Für die weitere Verarbeitung muss das Uran („yellow cake“) in einen hochreinen Zustand überführt werden. Das Endprodukt dieses Reinigungsprozesses ist eine Lösung aus Uranylnitrat. Durch Umsetzung mit HF wird das Uranylnitrat zum gasförmigen Uranhexaflorid. In seiner natürlichen Zusammensetzung enthält Uran das Isotop U238 zu 99,3% - dagegen das spaltbare U- 235 nur zu 0,7%. Zum Betrieb eines Leichtwasserreaktors muss der Anteil des spaltbaren Urans-235 künstlich auf 3-5% erhöht werden.

Alexander Bruns & Peter Gravemann

Thema: Uran, vom Erz zum Brennelement

7

Anreicherung UF6 Gaszentrifugenverfahren Isotopentrennung, bei dem schwere Atome von den leichten durch Zentrifugalkräfte abgetrennt werden. Der Trennfaktor hängt von der Massendifferenz der zu trennenden Isotope ab. Das Verfahren ist zur Trennung der Uranisotope geeignet, der erreichbare Trennfaktor beträgt 1,25. Solche Zentrifugen werden zu mehreren hintereinander geschaltet

Alexander Bruns & Peter Gravemann

Thema: Uran, vom Erz zum Brennelement

8

Anreicherung UF6 Diffusionsverfahren Man nutzt die unterschiedliche Diffusionsgeschwindigk eit verschieden schwerer Atome bzw. Moleküle durch eine poröse Wand zur Trennung aus. Weitere Verfahren sind bekannt. Aber diese werden nicht industriell genutzt.

Alexander Bruns & Peter Gravemann

Thema: Uran, vom Erz zum Brennelement

9

Herstellung der Brennelemente Im nächsten Schritt wird das UF6 in UO2 umgewandelt. Dies geschieht nach folgendem nass- bzw. trockenchemischen Verfahren: Nass: UF6 + 2 H2O Æ UO2F2 + 4 HF UO2F2 + 6 NH3 + 8 CO2 + 3 H2O Æ (NH4)4[UO2(CO3)3] + 2 NH4F Trocken: UF6 + 3 H2O Æ UO3 + 6 HF Der gelblich ausfallende Komplex (Ammonium-Uranyl-Carbonat (AUC)) bzw. das UO3 wird unter Wasserstoffatmosphäre und hohen Temperaturen zersetzt. Das Uran wird zu UO2 reduziert.

Alexander Bruns & Peter Gravemann

Thema: Uran, vom Erz zum Brennelement

10

Herstellung der Brennelemente Das Urandioxid wird zu Tabletten gepresst und zu einer Keramik gesintert. Die Tabletten werden auf Maß geschliffen und in die Brennstäbe gefüllt und gasdicht eingeschlossen:

Die Hülle der Brennstäbe besteht aus Zirkaloy.(Legierung aus Zirkonium und Aluminium) Mehrere Brennstäbe bilden ein Brennelement. Alexander Bruns & Peter Gravemann

Thema: Uran, vom Erz zum Brennelement

11

Wissenswertes: Brennelemente Bei der Kernspaltung von 1 kg Uran wird das zweimillionenfache der Energie frei, die bei der Verbrennung von 1 kg Steinkohle entsteht. Deutschlandweit gibt es nur eine Fabrik, die Brennelemente herstellt. Marktführer in diesem Sektor ist die französische Areva Group.

Alexander Bruns & Peter Gravemann

Thema: Uran, vom Erz zum Brennelement

12

Umweltproblematik Im Uranbergbau: Beispielsweise in Deutschland sind auf dem Gebiet der ehemaligen DDR 1400 km offene Grubenbaue, 311 Mio. m³ Haldenmaterial und 160 Mio. m³ radioaktive Schlämme in dicht besiedelten Gebieten. Die eigens für die Sanierung von der BRD gegründete Wismut GmbH wird für das Vorhaben 6,2 Mrd. € verbraucht haben. Bei der Herstellung/Verwendung/Aufbereitung: Uran ist ein radioaktives Schwermetall. Bei der Herstellung/Verwendung/Aufbereitung entstehen schwach bis stark radioaktive Stoffe welche in Zwischen- bzw. Entlagern entsorgt werden müssen. Alexander Bruns & Peter Gravemann

Thema: Uran, vom Erz zum Brennelement

13

Quellenangabe Kernenergie Basiswissen (Martin Volkmer) http://de.wikipedia.org http://www.umweltlexikon-online.de www.kernenergie.de Broschüre Advanced Nuclear Fuels GmbH Alexander Bruns & Peter Gravemann

Thema: Uran, vom Erz zum Brennelement

14