Sonja Schütte, Christoph Schlüter

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Benedict Adenauer
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1 Uran: Vom Erz zum Brennstab Sonja Schütte, Christoph Schlüter 1

2 Inhaltsverzeichnis 1. Allgemeine Angaben zu Uran 2. Geschichte 3. Vorkommen auf der Erde 4. Urangewinnung 5. Urananreicherung 6. Herstellung von Brennelementen 7. Zukunft der Kernenergie 8. Quellen Sonja Schütte, Christoph Schlüter 2

3 1. Allgemeine Angaben zu Uran Symbol: U Ordnungszahl: 92 Atommasse: 238,0 g/mol Dichte: 19,16 g/cm³ Elektronenkonfiguration: [Rn]5f³6d7s² Oxidationszustände: +6,+5,+4, Sonja Schütte, Christoph Schlüter 3

4 1. Allgemeine Angaben zu Uran Sonja Schütte, Christoph Schlüter 4

5 2. Geschichte 1789 entdeckte Martin Heinrich Klaproth (Chemieprofessor) das Element Uran. Er isolierte es aus dem Mineral Pechblende. 50 Jahre später gelang es dem Franzosen Eugèn Peligot das reine Uranmetall zu isolieren. Es wurde bis ins 20. Jahrhundert zum Färben von Glas und Keramiken eingesetzt entdeckte Henri Becquerel die Radioaktivität des Elements spalteten Otto Hahn und Fritz Straßmann erstmals Uranatome durch Neutronenbeschuss ging der erste primitive Kernreaktor in Chicago in Betrieb. Sonja Schütte, Christoph Schlüter 5

6 2. Geschichte Sonja Schütte, Christoph Schlüter 6

7 3. Vorkommen Uran kommt auf der Erde nicht gediegen vor. Es sind rund 230 Uranmineralien bekannt. Bedeutende Uranminerale sind: Brannerit, Uraninit, Tornernit, Heinrichit, Carnotit, Coffinit und Uranophan. Im normalen Boden kommt Uran als Spurenelement vor. Nach Schätzungen befinden sich in den oberen 33 cm des Erdboden ca. 1,5 Tonnen Uran pro Quadratkilometer. Sonja Schütte, Christoph Schlüter 7

8 3. Vorkommen Carnotit K2(UO2)2(VO4)2 3H2O Torbernit Cu[UO2 PO4] H2O Uraninit UO2 Uranophan Ca[UO2 SiO3OH]2 5H2O Sonja Schütte, Christoph Schlüter 8

9 3. Vorkommen Sonja Schütte, Christoph Schlüter 9

10 4. Gewinnung Die Uranerze werden im Tagebau oder Untertage abgebaut. Der Erste Schritt zur Anreicherung ist die Laugung der Uranerze. Diese ist entweder alkalisch oder sauer. Laugung im Sauren: UO 3 + H 2 SO 4 UO 2 SO 4 + H 2 O UO 2 + Fe 3+ UO 2+ + Fe 2+ Laugung im Alkalischen: Erfolgt unter höheren Temperaturen oder höherem Druck (5 5-6bar, C ) UO 3 + Na 2 CO NaHCO 3 Na 4 [UO 2 (CO 3 ) 3 ] + H 2 O Sonja Schütte, Christoph Schlüter 10

11 4. Gewinnung Der Yellow Cake Fällung ll d des Diuranats aus d der alkalischen lk l h Lösung: - Fällung mit Natronlauge bei ph > 12 und 80 C 2N Na4[UO2(CO3)3] + 6 N NaOH OH N Na2U2O7 + 6 N Na2CO3 + 3 H2O Fällung des Diuranats aus der sauren Lösung: - Fällung mit Ammoniak bei ph 5 2 UO2SO4 + 6 NH H2O (NH4)2U2O7 + 2 (NH4)2SO4 Sonja Schütte, Christoph Schlüter 11

12 5. Anreicherung Vor der Anreicherung des 235 U-Isotopes muss das Uran in eine tiefsiedene Verbindung überführt werden. (UF 6 56,4 C) Zuerst wird das Uran, des Yellow cakes, in einen hochreinen Zustand gebracht Nassverfahren zuerst mit Salpetersäure und danach mit Wasserstoff behandelt Trockenverfahren wird es bei C mit Wasserstoff Das hierbei entstandene UO 2 wird mit Flusssäure behandelt und darauf fluoriert UO HF UF H 2 O UF 4 + F 2 UF 6 Sonja Schütte, Christoph Schlüter 12

13 5. Urananreicherung Gasdiffusionsverfahren Diffusionsgeschwindig i h i keit der unterschiedlich schweren Moleküle genutzt 235 U diffundiert schneller durch die Membran Schlechtere Trennung als beim Zentrifugenverfahren Kostenintensiv Sonja Schütte, Christoph Schlüter 13

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15 5. Urananreicherung Gaszentrifuge: das schwerere Isotop 238 U wird von dem leichteren Isotop 235 U durch Zentripetalkräfte getrennt >90000 U/min F ist ein Reinelement mit nur einem Isotop nur der Massenunterschied der Uran Isotope führt zur Trennung Massenunterschied: der Moleküle 0,85%, der Isotope 1,3% durch d h beheizen des Bodens und kühlen am oberen Ende wird die Trennwirkung verstärkt 235 UF 6 (angereichertes) wird unten entnommen 235 UF 6 (ab gereichertes) wird oben entnommen Dadurch kann man einen Trennfaktor von 1,25 erzielen viele Zentrifugen werden zusammengeschlossen Sonja Schütte, Christoph Schlüter 15

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18 5. Urananreicherung Laseranreicherung: Beruht auf eine Verschiebung der Absorptionsspektren beim ionisieren Bedingungen: Überlapp der Absorptionslinien der Isotope oder Isotopenverbindung ist klein genug Eine Isotopenselektive Anregung durch einen Laser (geeignete Wellenlänge) ist möglich Trennung: angeregte isotope unterscheiden sich in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften Problem: Korrosion der Apparatur Sonja Schütte, Christoph Schlüter 18

19 5. Urananreicherung Elektromagnetische Anreicherung: Uranatome werden ionisiert Im I E-Feld beschleunigt Im magnetischen Feld nach der Massenzahl getrennt War im 2 Weltkrieg von Bedeutung, heute nicht mehr Trenndüsenverfahren: Entmischung durch unterschiedlich schneller Zentrifugalkräfte, in gekrümmter Strömung Bis Ende der 80er Jahre verwendet Egal welches Verfahren angewandt wird, kommen auf 1 t angereichertes Uran 5,5 t ab gereichertes Uran Sonja Schütte, Christoph Schlüter 19

20 6. Herstellung der Brennelemente angereichertes UF 6 muss zu UO 2 reduziert werden Trockenverfahren: UF 6 + 2H 2 O (g) UO 2 F HF UO 2 F 2 + H 2 UO HF Nassverfahren: UF H 2 O UO 2 F HF UO 2 F NH CO H 2 O (NH 4 ) 4 [UO 2 (CO 3 ) 3 ] +2NH 4 Ammonium-Uranyl-Carbonat Komplex wird in Wasserstoffatmosphäre, unter hohen Temperaturen zersetzt UO 3 + H 2 UO 2 + H 2O Sonja Schütte, Christoph Schlüter 20

21 6. Herstellung der Brennelemente das gewonnene UO2 wird zu Tabletten gepresst Tabletten T bl tt werden d zu einem i k keramischen i h M Material, t i l bei b i 1700 C gesintert und dann geschliffen Tabletten werden in 4-5 m lange Rohre gefüllt diese Brennstäbe bestehen aus Zirkaloy (Legierung aus über 90% Zirkon, Zink, Eisen, Chrom, Niob) aus 9-25 Brennstäbe besteht ein Brennelement Sonja Schütte, Christoph Schlüter 21

22 7. Zukunft der Kernenergie Deutschland, die Kernkraftwerke sollen bis ca geschlossen werden in Irland, Russland, China, Indien, USA, Korea und Südafrika werden hingegen g 75 neue Kraftwerke bis 2020 geplant Sonja Schütte, Christoph Schlüter 22

23 7. Zukunft der Kernenergie Kernfusion Sonja Schütte, Christoph Schlüter 23

24 8. Quellen muenster.de/fb1/downloads/personal/anorganische_chemie_ii- Koordinationschemie.pdf d Albrecht, Helmut, Kiedrowski, Rainer: Kernenergie in Deutschland, Frankfurt, Ullenstein GmbH, 1985 Sonja Schütte, Christoph Schlüter 24

25 Noch Fragen??? Sonja Schütte, Christoph Schlüter 25

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