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Lexikon der Physik: Anreicherung

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 180o 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.

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Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
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Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33)
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Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15)
Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Frank Gabler, Frankfurt [FG1] (A) (22)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
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Renate Jerecic, Heidelberg [RJ] (A) (28)
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Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Priv.-Doz. Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
Dr. Roland Andreas Puntigam, München [RAP] (A) (14)
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