Urananreicherung ist einer der wichtigsten Schritte bei der Schaffung von Atomwaffen. In Atomreaktoren und Bomben funktioniert nur eine bestimmte Art von Uran.
Die Trennung dieses Urantyps von einer weiter verbreiteten Sorte erfordert ein hohes Maß an Ingenieurskunst, obwohl es die dafür erforderliche Technologie seit Jahrzehnten gibt. Die Aufgabe besteht nicht darin, herauszufinden, wie Uran abgetrennt wird, sondern die zur Durchführung dieser Aufgabe erforderliche Ausrüstung zu bauen und zu betreiben.
Uranatome werden wie in der Natur in einer Vielzahl vorkommende Elementatome Isotope genannt. (Jedes Isotop hat eine andere Anzahl von Neutronen in seinem Kern.) Uran-235, das Isotop, das weniger als 1 Prozent des gesamten natürlichen Urans ausmacht, liefert Brennstoff für Kernreaktoren und Atombomben, während Uran-238, das Isotop, das 99 Prozent ausmacht, zur Verfügung steht natürliches Uran, hat keine nukleare Verwendung.
Urananreicherungsgrade
Eine nukleare Kettenreaktion impliziert, dass mindestens ein Neutron aus dem Zerfall eines Uranatoms von einem anderen Atom eingefangen wird und dementsprechend seinen Zerfall verursacht. Dies bedeutet in erster Näherung, dass das Neutron vor dem Verlassen des Reaktors über das 235 U-Atom "stolpern" muss. Dies bedeutet, dass das Design mit Uran kompakt genug sein sollte, damit die Wahrscheinlichkeit hoch genug ist, das nächste Uranatom für das Neutron zu finden. Beim Betrieb des 235-U-Reaktors brennt er jedoch allmählich aus, wodurch die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass ein Neutron auf das 235-U-Atom trifft, und er gezwungen wird, einen gewissen Spielraum für diese Wahrscheinlichkeit in den Reaktoren einzunehmen. Dementsprechend erfordert der geringe Anteil von 235 U im Kernbrennstoff:
- ein größeres Reaktorvolumen, so dass das Neutron länger drin ist
- Ein größerer Teil des Reaktorvolumens sollte mit Brennstoff belegt werden, um die Wahrscheinlichkeit einer Kollision eines Neutrons mit einem Uranatom zu erhöhen.
- häufiger ist es erforderlich, Brennstoff nachzufüllen, um eine gegebene Schüttdichte von 235 U im Reaktor aufrechtzuerhalten,
- Ein hoher Anteil an wertvollen 235 U in abgebrannten Brennelementen.
Bei der Verbesserung der Kerntechnik wurden wirtschaftlich und technologisch optimale Lösungen gefunden, die eine Erhöhung des Gehalts an 235 U im Brennstoff, also eine Urananreicherung, erforderten.
Bei Nuklearwaffen ist die Anreicherungsaufgabe fast dieselbe: In einer extrem kurzen Zeit einer nuklearen Explosion müssen maximal 235 U-Atome ihre Neutronen finden, zerfallen und Energie freisetzen. Hierfür ist die maximal mögliche Schüttdichte der Atome 235 U erforderlich, die mit der letztendlichen Anreicherung erreichbar ist.
Urananreicherungsgrade [Bearbeiten |Der Schlüssel zur Trennung
Der Schlüssel zu ihrer Trennung liegt darin, dass die Uran-235-Atome etwas weniger wiegen als die Uran-238-Atome.
Um die geringe Menge an Uran-235, die in jeder natürlichen Uranerzprobe enthalten ist, abzutrennen, wandeln die Ingenieure das Uran zunächst mithilfe einer chemischen Reaktion in Gas um.
Dann wird das Gas in ein Zentrifugenröhrchen mit einer zylindrischen Form von der Größe einer Person oder mehr eingeführt. Jedes Röhrchen dreht sich mit unglaublich hoher Geschwindigkeit um seine Achse und zieht schwerere Uran-238-Gasmoleküle in die Mitte des Röhrchens. Leichtere Uran-235-Gasmoleküle bleiben näher an den Rändern des Röhrchens, wo sie abgesaugt werden können.
Jedes Mal, wenn das Gas in einer Zentrifuge gedreht wird, wird nur eine geringe Menge an Uran-238-Gas aus dem Gemisch entfernt, sodass die Rohre in Reihe verwendet werden. Jede Zentrifuge zieht ein wenig Uran-238 heraus und überträgt dann das leicht gereinigte Gasgemisch in das nächste Rohr usw.
Umwandlung von Urangas
Nach der Abscheidung von gasförmigem Uran-235 in vielen Phasen der Zentrifugen setzen die Ingenieure eine andere chemische Reaktion ein, um Urangas wieder in festes Metall umzuwandeln. Dieses Metall kann später zur Verwendung in Reaktoren oder Bomben gebildet werden.
Da bei jedem Schritt das Urangasgemisch nur in geringen Mengen gereinigt wird, können sich die Länder nur den Betrieb von Zentrifugen leisten, die auf ein Höchstmaß an Effizienz ausgelegt sind. Andernfalls wird die Herstellung einer geringen Menge von reinem Uran-235 unerschwinglich teuer.
Und die Konstruktion und Herstellung dieser Zentrifugenröhrchen erfordert ein gewisses Maß an Investition und technischem Know-how, das außerhalb der Reichweite vieler Länder liegt. Rohre erfordern spezielle Stahlsorten oder Gemische, die während der Rotation einem erheblichen Druck standhalten, vollständig zylindrisch sein müssen und von speziellen Maschinen hergestellt werden, die schwierig zu bauen sind.
Hier ist ein Beispiel einer Bombe, die die Vereinigten Staaten auf Hiroshima abgeworfen haben. Laut "Bau einer Atombombe" (Simon und Schuster, 1995) sind 62 kg Uran-235 erforderlich, um eine Bombe herzustellen.
Die Trennung dieser 62 kg von fast 4 Tonnen Uranerz fand im größten Gebäude der Welt statt und verbrauchte 10 Prozent des Stroms des Landes. „Der Bau der Anlage dauerte 20.000 Menschen, 12.000 Menschen betrieben die Anlage und im Jahr 1944 kostete die Ausrüstung mehr als 500 Millionen US-Dollar.“ Das sind etwa 7,2 Milliarden US-Dollar im Jahr 2018.
Warum ist angereichertes Uran so schrecklich?
Uran oder waffenfähiges Plutonium ist in seiner reinen Form aus einem einfachen Grund gefährlich: Aus ihnen kann mit einer bestimmten technischen Basis ein explosives Atomgerät hergestellt werden.
Die Figur zeigt eine schematische Darstellung eines einfachen Atomsprengkopfes. Die Blöcke 1 und 2 des Kernbrennstoffs befinden sich in der Hülle. Jeder von ihnen ist Teil des gesamten Balls und wiegt etwas weniger als die kritische Masse des in der Bombe verwendeten Waffenmetalls.
Bei der Detonation der TNT-Sprengladung werden die Uranbarren 1 und 2 zu einem Stück zusammengefasst, deren Gesamtmasse die für dieses Material kritische Masse sicher überschreitet, was zu einer nuklearen Kettenreaktion und damit zu einer atomaren Explosion führt.
Es scheint nicht kompliziert, aber in Wirklichkeit ist dies natürlich nicht so. Andernfalls gäbe es eine Größenordnung mehr Länder mit Atomwaffen auf dem Planeten. Darüber hinaus würde das Risiko, dass solche gefährlichen Technologien in die Hände ausreichend mächtiger und entwickelter terroristischer Gruppen gelangen, erheblich zunehmen.
Der Trick ist, dass nur sehr reiche Kräfte mit einer entwickelten wissenschaftlichen Infrastruktur in der Lage sind, Uran anzureichern, selbst mit der gegenwärtigen Entwicklung der Technologie. Noch schwieriger, ohne die das Atomgerät nicht funktionieren würde, trennen die Uranisotope 235 und 238.
Uranminen: Wahrheit und Fiktion
In der UdSSR gab es auf philistischer Ebene die Hypothese, dass zum Scheitern verurteilte Kriminelle in Uranminen arbeiten und damit ihre Schuld vor der Partei und dem sowjetischen Volk ausräumen. Das stimmt natürlich nicht.
Der Uranabbau ist eine High-Tech-Bergbauindustrie, und es ist unwahrscheinlich, dass jemand zugegeben hätte, mit hoch entwickelten und sehr teuren Geräten und mutwilligen Killern mit Räubern zu arbeiten. Darüber hinaus sind die Gerüchte, dass Uranförderer unbedingt eine Gasmaske und Bleiwäsche tragen, nichts weiter als ein Mythos.
Uran wird in Bergwerken abgebaut, die manchmal bis zu einem Kilometer tief sind. Die größten Reserven dieses Elements befinden sich in Kanada, Russland, Kasachstan und Australien. In Russland produziert eine Tonne Erz durchschnittlich etwa eineinhalb Kilogramm Uran. Dies ist keineswegs der größte Indikator. In einigen europäischen Bergwerken liegt dieser Wert bei 22 kg pro Tonne.
Der Strahlungshintergrund in der Mine ist ungefähr der gleiche wie an der Grenze der Stratosphäre, an der zivile Passagierflugzeuge ausgebessert werden.
Uranerz
Das Anreichern von Uran beginnt unmittelbar nach dem Abbau in der Nähe der Mine. Neben Metall enthält Uran wie jedes andere Erz Gesteinsabfälle. In der Anfangsphase der Anreicherung werden die aus der Mine stammenden Pflastersteine sortiert: die uranreichen und die armen. Im wahrsten Sinne des Wortes wird jedes Stück gewogen, maschinell vermessen und je nach Beschaffenheit einem bestimmten Strom zugeführt.
Dann kommt eine Mühle ins Spiel, die das uranreiche Erz zu feinem Pulver zermahlt. Dies ist jedoch nicht Uran, sondern nur sein Oxid. Das Erhalten von reinem Metall ist die komplizierteste Kette chemischer Reaktionen und Umwandlungen.
Es reicht jedoch nicht aus, nur reines Metall aus den chemischen Ausgangsverbindungen zu isolieren. 99% des gesamten in der Natur enthaltenen Urans wird vom Isotop 238 besetzt, und sein 235. Gegenstück ist weniger als ein Prozent. Ihre Trennung ist eine sehr schwierige Aufgabe, die nicht jedes Land lösen kann.
Gasdiffusionsanreicherungsmethode
Dies ist die erste Methode, mit der Uran angereichert wurde. Es wird immer noch in den USA und in Frankreich verwendet. Basierend auf dem Dichteunterschied von 235 und 238 Isotopen. Aus dem Oxid freigesetztes Urangas wird unter hohem Druck in eine durch eine Membran getrennte Kammer gepumpt. Die Atome 235 des Isotops sind daher leichter und bewegen sich vom empfangenen Wärmeanteil aus schneller als die "langsamen" Uranatome 238, wobei sie häufiger und intensiver gegen die Membran schlagen. Nach den Gesetzen der Wahrscheinlichkeitstheorie gelangen sie eher in eine der Mikroporen und befinden sich auf der anderen Seite dieser Membran.
Die Wirksamkeit dieser Methode ist gering, da der Unterschied zwischen den Isotopen sehr, sehr gering ist. Aber wie macht man angereichertes Uran nutzbar? Die Antwort ist, diese Methode viele, viele Male anzuwenden. Um aus einem Reaktor in einem Kraftwerk Uran zu gewinnen, das zur Herstellung von Brennstoff geeignet ist, wird das Gasdiffusionsbehandlungssystem mehrere hundert Mal wiederholt.
Expertenmeinungen zu dieser Methode sind uneinheitlich. Einerseits ist die Gasdiffusionstrennmethode die erste, die die USA mit hochwertigem Uran versorgt, was sie vorübergehend zu einem führenden Unternehmen im militärischen Bereich macht. Andererseits wird angenommen, dass die Gasdiffusion weniger Abfall erzeugt. Das einzige, was in diesem Fall fehlschlägt, ist der hohe Preis des Endprodukts.
Zentrifugenmethode
Dies ist die Entwicklung der sowjetischen Ingenieure. Neben Russland gibt es derzeit eine Reihe von Ländern, in denen Uran mit der in der UdSSR entdeckten Methode angereichert wird. Dies sind Brasilien, Großbritannien, Deutschland, Japan und einige andere Staaten. Das Verfahren ähnelt der Gasdiffusionstechnologie, indem es die Massendifferenz von 235 und 238 Isotopen verwendet.
Urangas dreht sich in einer Zentrifuge auf 1.500 U / min. Isotope werden aufgrund unterschiedlicher Dichte durch unterschiedlich große Fliehkräfte beeinflusst. Das schwerere Uran 238 sammelt sich in der Nähe der Wände der Zentrifuge an, während sich das 235. Isotop näher am Zentrum sammelt. Das Gasgemisch wird oben auf den Zylinder gepumpt. Nachdem die Isotope den Weg zum Boden der Zentrifuge zurückgelegt haben, haben sie Zeit, sich teilweise zu trennen, und werden separat ausgewählt.
Obwohl das Verfahren auch keine 100% ige Isotopentrennung bietet und zur Erzielung des erforderlichen Anreicherungsgrades wiederholt angewendet werden muss, ist es viel wirtschaftlicher als die Gasdiffusion. So ist angereichertes Uran in Russland mithilfe der Zentrifugentechnologie etwa dreimal billiger als auf amerikanischen Membranen.
Anwendung von angereichertem Uran
Warum ist all dieser komplizierte und teure bürokratische Aufwand mit Reinigung, Metalltrennung von Oxiden, Isotopentrennung verbunden? Eine Scheibe mit angereichertem Uran 235, die in der Kernenergie verwendet wird (aus solchen „Pillen“ werden Brennstäbe zusammengesetzt) und 7 Gramm wiegt, ersetzt etwa drei 200-Liter-Barrel Benzin oder etwa eine Tonne Kohle.
Angereichertes und abgereichertes Uran werden je nach Reinheit und Verhältnis von 235 und 238 Isotopen unterschiedlich eingesetzt.
Isotop 235 ist ein energieintensiverer Kraftstoff. Angereichertes Uran wird in Betracht gezogen, wenn der Gehalt an 235 Isotopen mehr als 20% beträgt. Dies ist die Grundlage für Atomwaffen.
Aufgrund der begrenzten Masse und Größe werden angereicherte energiereiche Rohstoffe auch als Brennstoff für Kernreaktoren in U-Booten und Raumfahrzeugen verwendet.
Das abgereicherte Uran, das hauptsächlich 238 Isotope enthält, ist ein Brennstoff für stationäre zivile Kernreaktoren. Natürliche Uranreaktoren gelten als weniger explosiv.
Übrigens werden nach Berechnungen russischer Wirtschaftswissenschaftler unter Beibehaltung der derzeitigen Produktionsrate von 92 Elementen des Periodensystems die Reserven in den weltweit erkundeten Minen bereits bis 2030 aufgebraucht sein. Deshalb freuen sich die Wissenschaftler auf die Fusion als Quelle billiger und erschwinglicher Energie für die Zukunft.
