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Uran|anreicherung,

 

Kerntechnik: die Anreicherung des Uranisotops ²³⁵U in Spaltmaterial auf einen für die Verwendung in Kernreaktoren oder Kernwaffen erforderlichen Anteil. Der notwendige Anreicherungsgrad von ²³⁵U beträgt für die heute überwiegend gebauten Leichtwasserreaktoren etwa 3 %, für Waffenuran etwa 60 %. Zur Urananreicherung stehen verschiedene Verfahren der Isotopentrennung zur Verfügung, die zur Erzielung des gewünschten Anreicherungsgrades in vielen Trennstufen oder Trennelementen kaskadenartig hintereinander geschaltet werden müssen. Bei den drei bisher angewendeten Verfahren der Urananreicherung erfolgt die Isotopentrennung in der Gasphase, wobei der geringfügige Masseunterschied der Isotope ²³⁵U und ²³⁸U ausgenutzt wird. Dazu wird das Natururan zunächst in Uranhexafluorid (UF₆) überführt, das zu den wenigen Uranverbindungen gehört, deren Dampfdruck bei Raumtemperatur hinreichend hoch für einen in der Gasphase ablaufenden physikalischen Prozess ist. Außerdem ist Fluor ein anisotopes Element, sodass allein die Uranisotope den Trennvorgang bestimmen. Ein Trennelement zerlegt dabei den eingespeisten Strom des Isotopengemischs in zwei Teilströme: den an ²³⁵U angereicherten Strom (Entnahme des angereicherten Urans) und den an ²³⁵U abgereicherten Strom (Entnahme des abgereicherten Urans). Das Endprodukt wird im Allgemeinen zu dem als Kernbrennstoff geeigneten Urandioxid, UO₂, weiterverarbeitet. Wichtige Größen für die Auswahl der Anreicherungsverfahren sind neben den technischen Eigenschaften der Urananreicherungsanlage der Trennfaktor (Verhältnis der Konzentration von ²³⁵U im angereicherten Produkt am Ausgang und der Konzentration am Eingang der Trennstufe), die Trennleistung (in kg U/Jahr), der Urandurchsatz (verarbeitete Menge pro Zeiteinheit) und der Energieverbrauch.

 

Heute wird der Bedarf an Reaktoruran überwiegend mit Gasdiffusionsanlagen gedeckt (rd. 90 %). Ein Nachteil des zugrunde liegenden Diffusionstrennverfahrens ist der geringe Trennfaktor von höchstens 1,004 (theoretische Grenze 1,0043), sodass zur Anreicherung von Natururan auf einen ²³⁵U-Gehalt von 3 % etwa 1 200 Trennstufen benötigt werden, was sich in hohen Investitions- und Energiekosten niederschlägt. Die Urananreicherung mittels Gaszentrifugen ist das zweite großtechnisch eingesetzte Verfahren. Der Trennfaktor von 1,2 bis 1,5 (theoretisch bis 1,6) erlaubt eine ²³⁵U-Anreicherung auf 3 % mit 10 bis 20 Trennstufen bei erheblich geringerem Energieaufwand als bei der Gasdiffusion. Nachteilig ist jedoch der geringe Durchsatz (nur etwa 100 mg UF₆/s), der die Parallelschaltung vieler Zentrifugen innerhalb einer einzelnen Stufe erforderlich macht. Während die Gasdiffusion bei Anlagen größerer Kapazität wirtschaftlich arbeitet, können Gaszentrifugenanlagen auch bei kleinerer Kapazität effizient betrieben werden. Ein weiteres Verfahren ist das Trenndüsenverfahren, das mit 1,02 einen wesentlich günstigeren Trennfaktor als die Diffusion hat und damit erheblich weniger in Reihe geschaltete Trennstufen erfordert. Die Produktionskapazität ist dabei ausreichend, um auf eine Parallelschaltung mehrerer Einheiten in einer Stufe verzichten zu können. Neuere Entwicklungen sind Urananreicherungsmethoden mithilfe der Laser-Isotopentrennung, die sich durch einen hohen Trennfaktor auszeichnen, aber eine noch zu niedrige Trennleistung besitzen.