Uran Vom Erz zum Brennelement. Von Jörg Freermann R Januar 07

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1 Uran Vom Erz zum Brennelement Von Jörg Freermann R Januar 07

2 Inhaltsverzeichnis 1. Eigenschaften des Urans 2. Fördergebiete 3. Chemische Aufbereitung 4. Anreicherungsverfahren - Zentrifugenverfahren - Diffusionsverfahren 5. Herstellung der Brennelemente 2

3 Das Uran als Element Symbol: U Ordnungszahl: 92 Dichte: 19,1 g/cm³ Atommasse: 238,03 g/mol Oxidationszahlen: 3, 4,, 5, 6 Elektronenkonfiguration: [Rn] 5f 3 6d 1 7s 2 Schmelzpunkt: ca K Siedepunkt: ca K Natürliches Vorkommen: 99,275% 238 Uran 0,720% 235 Uran 0,005% 234 Uran T F+ 3

4 Die Erze Torbernit Cu(UO 2 ) 2 (PO 4 ) 2 * 8 H 2 O Zeunerit Cu(UO 2 ) 2 (AsO 4 ) 2 * 8 H 2 O Autunit Ca(UO 2 ) 2 (PO 4 ) 2 * 8 H 2 O Carnotit K(UO 2 )(VO 4 ) *1,5 H 2 O Pechblendeerz UO 2 + Verunreinigungen Uraninit U 3 O 8 + Verunreinigungen Monazitsand Gemisch aus Pb,Bi,Rn,U,Th usw. Vorkommen: Uran ist in der Erdkruste mir einem Anteil von 3,2*10-4 % häufig vertreten. Es ist 100 mal häufiger vorhanden als Gold und Silber Die Uranerzvorkommen werden in 100 Jahren erschöpft sein. 4

5 Fördergebiete und Fördererze Die größten Förderländer sind: Kanada, Australien, Kasachstan, Brasilien, Südafrika Der Abbau der Erze Erfolg sowohl Unter- als auch Übertage 5

6 Reaktionen Bildung des Ammoniumdiuranat (NH 4 ) 2 U 2 O 7 ) [Yellow Cake] In den folgenden chemischen und physikalischen Prozessen wird aus s dem Erz ein Konzentrat gewonnen, Yellow Cake genannt. - Erz wird gebrochen und gemahlen - Mit Säure (Lauge) unter Anwesenheit eines Ox-mittels (z.b. MnO2 oder NaClO4) ausgelaugt. z. B. Pechblendeerz: UO 2 + H 2 SO 4 + ½ O 2 UO 2 (SO 4 ) + H 2 O Durch Zugabe von MnO, NaOH oder NH 3 entsteht Konzentrat aus Ammoniumdiuranat (NH 4 ) 2 U 2 O 7. Es wird eingedickt, gefiltert, gewaschen und getrocknet. Dieses Konzentrat ist der Yellow Cake. 6

7 Reaktionen In n den weiteren Verarbeitungsschritten wird der Yellow Cake über r eine UO 3 Zwischenstufe in Uranylnitrat überführt. Dies ist löslich in polaren Lösemitteln und lässt sich damit einfach von Verunreinigungen trennen. Anschließend entsteht durch das einleiten von HF und F 2, das gasförmige UF 6. UO HNO 3 UO 2 (NO 3 ) 2 + H 2 O UO HF UF H 2 O UF 4 + F 2 UF 6 (sublimiert bei 56 C) Nun wird nach unterschiedlichen Anreicherungsverfahren die Konzentration ntration des 235 U gesteigert. 7

8 Anreicherung in Gaszentrifugen Das technisch bedeutendste Verfahren beruht auf dem Massen- unterschied der von 235 U und 238 U Die Differenz in der Masse beträgt 0,85% Anreicherung pro Zentrifugen- Durchgang max. das 1,2fache der Ursprünglichen Konzentration an 235 U. Anfang: ca. 0,7 % Nach 1. Durchgang ca. 0,84% Am Ende werden ca. 3,5 % 235 U benötigt. Kaskadenschaltung wird notwendig!!! 8

9 Kaskadenschaltung im Gaszentrifugenverfahren 9

10 Diffusionsverfahren - Hier wird der Größen und Massenunterschied ausgenutzt - Ausbeute schlechter als beim Zentrifugenverfahren - Sehr kostenintensiv 10

11 Weitere Verfahren Trenndüsenverfahren Laserverfahren Technisch ohne Bedeutung 11

12 Weiterverarbeitung des UF 6 Im nächsten Schritt wird das UF 6 in UO 2 umgewandelt. Dies geschieht nach folgendem nass- bzw. trockenchemischen Verfahren: Nass: UF H 2 O UO 2 F HF UO 2 F NH CO H 2 O (NH 4 ) 4 [UO 2 (CO 3 ) 3 ] + 2 NH 4 F Trocken: UF H 2 O UO HF Der gelblich ausfallende Komplex (Ammonium( Ammonium-Uranyl-Carbonat (AUC)) bzw. das UO 3 wird unter Wasserstoffatmosphäre und hohen Temperaturen zersetzt. UO 3 + H 2 UO 2 + H 2 O Das Uran(VI)-oxid wird zu UO 2 reduziert. 12

13 Herstellung der Brennelemente Das Uranoxid wird zu Tabletten gepresst und in Metallröhren abgefüllt und verschweißt. Länge der Röhre 4m Durchmesser 11mm In einem Brennelement werden 9 bis 25 solcher Röhren vereint. 13

14 Quellen master.de Hollemannm, Wiberg; ; Lehrbuch der anorganischen Chemie muenster.de/fb1/personal/ /fb1/personal/jüstel/ muenchen.de/web_ph10/umwelt-technik/13kkw/index.htmtechnik/13kkw/index.htm (Bundesamt für Strahlenschutz) 14