Techniklexikon

Anreicherung

Vergrösserung des prozentualen Anteils eines Isotops in einem vorliegenden Isotopengemisch; insbesondere die Anreicherung von Uran zur Nutzung in Brennelementen für Kernreaktoren. Natürliches Uran, das etwa 99,3 % ²³⁸U und etwa 0,7 % ²³⁵U enthält, ist für die heute betriebenen Leichtwasserreaktoren nicht geeignet, da für diese Uran mit einem Anteil von 2-4 % ²³⁵U benötigt wird. Die Anreicherung wird in Urananreicherungsanlagen durchgeführt, deren drei wichtigste Verfahrensarten unten erläutert werden.

Für alle Anreicherungsverfahren muss das Uran in Form von Uranhexafluorid (UF₆) vorliegen, das bereits bei 56 °C verdampft, so dass also in den Anlagen Gasanteile voneinander getrennt werden.

Beim Gasdiffusionsverfahren wird die Tatsache ausgenutzt, dass leichtere Atome oder Moleküle schneller durch eine poröse Wand (Porendurchmesser etwa 10 ^{- 5} mm) wandern als schwerere (Abb. 1). Die Anreicherung bei einer Trennstufe ist sehr gering, so dass bis zu 2500 Stufen hintereinander geschaltet werden müssen, um eine Anreicherung von bis zu 4 % zu erreichen. Da das Gas nach jeder Trennstufe neu komprimiert werden muss, sind der Energieaufwand und damit auch die Kosten sehr hoch. Das Verfahren wird in den USA, Frankreich und den Staaten der ehemaligen UDSSR eingesetzt.

Ein zweites Trennverfahren, das Zentrifugenverfahren, nutzt die Tatsache aus, dass in einer Zentrifuge die schweren Moleküle bevorzugt an die Aussenwand getrieben werden, während sich die leichten Moleküle in der Nähe der Rotorachse aufhalten (Abb. 2). Die Geschwindigkeit an der Peripherie solcher Ultrazentrifugen beträgt bis zu 500 m/s. Auch in diesem Trennverfahren müssen 10 bis 30 Trennstufen hintereinander geschaltet werden, ehe der gewünschte Anreicherungseffekt auftritt. Eine solche Zentrifuge benötigt deutlich weniger Energie als eine Gasdiffusionsanlage; da jedoch der Gasdurchsatz sehr gering ist, müssen viele Zentrifugen parallel geschaltet werden, um eine genügend grosse Kapazität zu erreichen. Solche Anlagen existieren in den Niederlanden, in der Bundesrepublik und in Grossbritannien. Insgesamt sind etwa 150 000 Zentrifugen im Einsatz.

Beim Trenndüsenverfahren wird ein Gasgemisch aus UF₆ und He unter hohem Druck in eine Düse gepresst, aus der es dann mit grosser Geschwindigkeit austritt. Danach wird der Gasstrom um 180^o umgelenkt, wobei die schwereren Moleküle, die eine grössere Trägheit besitzen als die leichteren, eine geringere Richtungsänderung erfahren. Die Anteile des UF₆, die an ²³⁵U angereichert sind, lassen sich dann getrennt von den abgereicherten Anteilen auffangen (Abb. 3). Um das ²³⁵U auf 2-4 % anzureichern, muss dieser Vorgang 400-500mal wiederholt werden.

Das an ²³⁵U angereicherte Uranhexafluorid besteht z.B. zu 3 % aus ²³⁵UF₆ und zu 97 % aus ²³⁸UF₆. Es wird anschliessend in UO₂-Pulver umgewandelt, das dann zu Tabletten verarbeitet wird (UO₂-Pellets), die den Kernbrennstoff bilden. [HG1]

Anreicherung 1: Gasdiffusionsverfahren.

Anreicherung 2: Zentrifugenverfahren.

Anreicherung 3: Trenndüsenverfahren.