Wie kommt man vom Uran in der Natur zum Kernbrennstoff im Kernreaktor?

Von Andreas Kronenberg

Primäre Lagerstätten des Urans findet man in Graniten oder Gesteinen ähnlicher Zusammensetzung, in grobkörnigen Pegmatiten und zusammen mit anderen Schwermetallen in hydrothermalen Gängen. Im Mittel werden in diesen Lagerstätten Urankonzentrationen von etwa 0,1 bis 0,5 % erreicht. Die abbauwürdigen Uranerzlagerstätten der westlichen Welt enthalten schätzungsweise 4 Millionen Tonnen Uran. Dazu kommen die Vorkommen mit sehr geringem Urangehalt, die insgesamt aber sehr viel größere Mengen an Uran repräsentieren. Das größte Uranreservior stellt das Meerwasser dar; Versuche der Gewinnung daraus sind aber bisher gescheitert.

Bei der untertägigen bergmännischen Gewinnung ist auf die gute Belüftung zu achten, da die Bergleute besonders vor Uranbegleitstoffen (Radon und die Radonfolgeprodukte) geschützt werden müssen. (Die Entstehung von Radium und Radon wird hier (bald) ausführlicher beschrieben.)

Die wichtigsten Schritte der Uranerz-Aufbereitung sind die physikalische Anreicherung (Mahlen und Flotation; Aussortierung mit dem Geigerzähler u.ä.) was zu Konzentraten von etwa 5-30% Uran führt. Das Uran wird chemisch aus dem Gestein herausgelöst, das Konzentrat wird mit Schwefelsäure sauer aufgeschlossen (je nach Gesteinsart auch alkalisch mit Soda), und die Lösung auf Uran weiter aufgearbeitet. Möglichkeiten dafür bietet die Extraktion oder der Ionenaustausch, die mit hohen Reinigungsgraden arbeiten. Das wäßrige Endprodukt dieses Prozesses ist eine Lösung, die einen hohen Anteil an Uran enthält. Dieses wird durch Fällung mit Ammoniak in festes Diammoniumuranat oder durch Eindampfen der wäßrigen Lösung (nach der Extraktion) als Uranylnitrat oder als U₃O₈ zum Transport vorbereitet. U₃O₈ wird wegen seiner Konsistenz und gelben Farbe auch ”Yellow Cake” genannt (Bild aus der Produktionsstraße) gewonnen.

Das "taube" Gestein, also das Gestein mit wenigen Resten Uran aber mit den Zerfallsprodukten, wird zu Halden aufgeschüttet, in der Art, dass nur wenig der oben erwähnten Begleitstoffe des Urans (Radon und die Radonfolgeprodukte) frei werden können.

Solche Halden sind z. B. auch in Thüringen und Sachsen zu finden, wo zu DDR-Zeiten ebenfalls Uranerz durch die damalige Wismut abgebaut wurde. Seit der Deutschen Einheit wurde die Uranerzförderung eingestellt und die Gefahren der Menschen aus diesen Halden zu minimieren. Zum damaligen Zeitpunkt war die Wismut mit 231.000 Tonnen Uran der weltweit drittgrößte Uranproduzent.

Weitere große Minen befinden sich in:

• Kanada
• Australien
• Afrika

In den Uranerzen sind im radioaktiven Gleichgewicht mit Uran wägbare Mengen an langlebigen Folgeprodukten des radioaktiven Zerfalls von Uran enthalten. Durch die großtechnische Verarbeitung von Uranerzen fallen Thorium, Radon und Blei (Th-230, Pa-231, Ra-226 und Pb-210) in Mengen von vielen hundert Gramm an. Diese führen zu einer radioökologischen Belastung der Umgebung, falls sie nicht sicher gelagert werden. Dies ist leider in der ehemaligen DDR durch die Wismut geschehen!

Die noch unreinen Uranverbindungen aus der Uranerzaufbereitung werden meist zu einer größeren Fabrik transportiert und dort durch weitere chemische Prozesse zu “nuklear reinen” Uranverbindungen weiterverarbeitet. Das bedeutet, daß Elemente abtrennt werden, die für den Kernreaktor "Gift" sind. Dafür sind mehrstufige Extraktionen geeignet, wie sie auch in der Wiederaufarbeitung von abgebrannten Brennelementen benutzt werden. Endprodukte dieses Prozesses je nach Prozeßführung sind Ammoniumdiuranat (ADU) oder Uranylnitrat-hexahydrat (UNH).

Diese Feststoffe werden durch Erhitzen auf 350^oC und Reduktion mit Wasserstoff zu Urandioxid (UO₂) umgewandelt. Dieses kann für die Isotopenanreicherung von Uran (²³⁵U) in Uranhexafluorid UF₆ überführt werden.

Uranhexafluorid ist farblos und bei Raumtemperatur fest. Es hat das Aussehen von trockenem Schnee und sublimiert bereits bei 56 ^oC, (d.h. es geht ohne zu schmelzen in den gasförmigen Aggregatzustand über).

Die Urananreicherung gelingt in komplizierten Trennanlagen über Gasdiffusion, Ultrazentrifugation oder neuerdings über Anregung mit Laserlicht. Diese Verfahren werden nur von wenigen hochindustrialisierten Ländern beherrscht. Details dazu bald hier.

Im Anschluß an die Trennung der Isotopen des Uran (U-235 und U-238) wird das Uranhexafluorid zu Urandioxid (UO₂) verarbeitet. Wegen der Gefahr von Kritikalitätsunfällen müssen diese Umsetzungen in kleinen Mengen durchgeführt werden (Dies ist bei dem Unfall in Tokaimura (Japan) nicht beachtet worden). Der Prozeß wird nicht kontinuierlich durchgeführt. Er verläuft über Hydrolyse, Ausfällung, Erhitzen, und Reduktion mit Wasserstoff zu Urandioxid (UO₂). Dieses wird chargenweise mit Fluorwasserstoff (HF) versetzt. Sie ist extrem rein und nicht radioaktiv. Sie wird im gleichen Kreislauf eingesetzt, so daß hier keine weiteren Abfallstoffe entstehen.

Das entstehende dunkelgraue, fast schwarze Pulver ist leicht radioaktiv, es emmitiert die Alphastrahlung des Urans (näheres dazu (bald) hier), die allerdings bereits durch wenige Zentimeter Luft bzw. ein Blatt Papier abgeschirmt wird. So kann eine Brennstofftablette gefahrlos mit dünnen Stoffhandschuhen angefaßt werden. Eine Gesundheitsgefahr geht lediglich von UO₂-Staub und auch nur dann aus, wenn er eingeatmet wird. Daher werden diese Schritte in geschlossenen Anlagen, den sog. Handschuhboxen, durchgeführt. In Handschuhboxen kann man nur durch an dem Behälter fest installierte “Gummi”-Handschuhe hineingreifen - so sind sie von der Atemluft getrennt.

Die Gestalt des Brennstoffs hängt entscheidend vom Reaktortyp und den Betriebsbedingungen ab, unter denen er Anwendung finden soll. Denkbar sind metallisches Uran, homogene Uransalzlösungen und Zumischungen von Legierungsbestandteilen, z.B. in Forschungsreaktoren. Üblicherweise wird aber Urandioxid eingesetzt, das mit seinen keramischen Eigenschaften eine erste, fast unüberwindliche Barriere für die Spaltprodukte gegenüber der Umgebung darstellt. Um diesen keramischen Zustand zu erreichen, wird das UO₂-Pulver aus der chemischen Aufarbeitung in Tablettenform gepresst und getempert, wobei es sintert. Die so hergestellten Tabletten (Pellets, siehe Abbildung) werden nachträglich geschliffen, damit sie exakten Abmessungen haben und gasdicht in Hüllrohre, zumeist aus Zircaloy (einer Zirkoniumlegierung) oder speziellen Stählen, eingeschweißt.

Diesem Brennstoff wird natürlich je nach Hersteller verschiedene Zusätze beigemischt, z.B. Neutronengifte (also Stoffe, die Neutronen einfangen), die während des Reaktorbetriebs "abbrennen" und somit den Abbrand an spaltbaren U-235 kompensieren. Die Hüllrohre haben auch zusätzlich einen Gasraum, in dem sich z.B. die Spaltedelgase sammeln können, ohne daß sie einen hohen Druck in den Hüllrohren verursachen. Der Brennstabinnendruck ist weiterhin geringer, als der Betriebsdruck im Reaktor, so daß eher Kühlmittel in den Stab eindringt, als daß radioaktive Stoffe austreten. (Auf diese sehr technischen Details möchte ich aber hier nicht eingehen.)

Mehrere dieser Hüllrohre werden nach Prüfung der Gasdichtigkeit mit Abstandshaltern zu einem Brennelementen zusammengefaßt. (siehe Foto!)

Technologisch interessant ist auch das Brennelement für einen Hochtemperaturreaktor (Typ Hamm-Uentrop). Dieser Reaktortyp enthält Uran- und Thoriumoxid als Brennstoff in einem Graphitgefüge. Solche Reaktoren wurden für verschiedenste Anwendungen konzipiert, z.B. als Hochtemperatur-Kugelhaufenreaktor (HTR, AVR in Jülich, THTR, Hamm-Uentrop). Dabei werden die Brennstoffgraphitpartikel mit reinen Graphitpartikeln zu stabilen Graphit-Kugeln verarbeitet, die das Brennelement darstellten. Neben reaktordynamischen Vorteilen war interessant, daß sich in dem Maße, wie das Uran-235 abgebrannt wurde, spaltbares U-233 aus Thorium nachbildete.

Aber das ist eine ganz andere Geschichte...