Von Uran zum Brennelement

Ein Vortrag im Rahmen des AC V Hauptseminars

Von Helen Grüninger15.01.2013

Universität Bayreuth WS 2012/2013

Vom Element zum Device:

Abbildung: http://www.kindercampus.de/476.0.html?&gid=156&iid=4, Stand 26.11.2012

1. Uran in der Natur

2. Uranlagerstättenbildung

3. Uranaufarbeitung zu Urandioxid

4. Anreicherung des spaltbaren Isotops 235U

5. Die Kernspaltung im Brennelement

6. Das Brennelement im Kernkraftwerk

7. Wiederaufarbeitung

Gliederung

Uran in der Natur

• Uran: durchschnittlich 2,4 ppm Anteil der Erdkruste – Silber: 0,07 ppm; Gold: 0,004 ppm

• Lithophiler Charakter des Urans => Anreicherung in der kontinentalen Erdkruste in felsischen Magmatiten (silikatische Gesteine)

• Praktisch weltweite Verteilung der Uranvorkommen

• Seltene Lagerstätten mit Uranvorkommen im Prozentbereich

• Wirtschaftlich nutzbar sind Uranerze mit einem Urananteil von 0,1 -0,5 % (entspricht einer Anreicherung auf 1000 – 5000 ppm)

• Uranisotope: 235U ca. 0,72 % ; 238U ca. 99,27 %

Quelle: F.-K. Pickert, H.-J. Zech: „Brennstoffkreislauf“, 1. Auflage, 1981, Deutsches Atomforum Hollemann-Wiberg: „Lehrbuch der Anorganischen Chemie“, 102. Auflage, 2007, Walter de Gruyter & Co,

Berlin, S. 1949

Redoxvorgänge bei der Bildung von Uranlagerstätten

• UO22+ löslich im Wässrigen => Lösungsvorgänge unter oxidierenden

Bedingungen => Anreicherung in der Lösung => Mobilität

• U4+ schwerlöslich im Wässrigen => Ausfällen von Uranmineralen unter reduzierenden Bedingungen => lokal red. Bed. => Uranlagerstätte

Oxidation: (ox. Bed.: O-reich)

U4+ + 6 H2O UO22+ + 2 e- + 4 H3O+

Reduktion (red. Bed.: O-arm)

UO22+ + 2 e- + 4 H3O+ U4+ + 6 H2O

U4+ fällt bspw. als UO2 aus!

Quelle: Hollemann-Wiberg: „Lehrbuch der Anorganischen Chemie“, 102. Auflage, 2007, Walter de Gruyter & Co, Berlin, S. 1946-1963

Wichtige Uranminerale

• Uraninit UO2, das Sauerstoff etwa bis zu einem Verhältnis U3O8

aufnehmen kann

• Außerdem noch Mischoxide und Silicate, vorwiegend mit U4+

z. B. das Silicat Coffinit

U(SiO4)1–x(OH)4x

Abbildung: http://de.wikipedia.org/wiki/Uraninit, Stand 29.11.2012Quelle: Hollemann-Wiberg: „Lehrbuch der Anorganischen Chemie“, 102. Auflage, 2007, Walter de Gruyter & Co,

Berlin, S. 1949

CaF2-Typ (Uraninit)

Uranaufarbeitung: Gewinnung von Urandioxid

• Abgebaute Uranerze mahlen und rösten

• Abtrennung des Urans als UO2 von anderen Erzbestandteilen:

1. Saurer oder basischer Aufschluss:

UO3 + 3 H2SO4 + 3 H2O 4 H3O+ + [UO2(SO4)3]4-

UO3 + 3 Na2CO3 + 3 NaHCO3 4 Na+ + [UO2(CO3)3]4- + H2O

2. Elution der Komplexe aus den uranhaltigen Lösungen

3. Ausfällen des Urans aus den Eluaten zu einem Polyuranatgemisch mit hauptsächlich (NH4)2U2O7

Quelle: Hollemann-Wiberg: „Lehrbuch der Anorganischen Chemie“, 102. Auflage, 2007, Walter de Gruyter & Co, Berlin, S. 1950-1951

Uranaufarbeitung: Gewinnung von Urandioxid

3. Ausfällen des Urans aus den Eluaten zu einem Polyuranatgemisch („Yellow Cake“)

2 [UO2(SO4)3]4- + 6 NH3 + 3 H2O (NH4)2U2O7 + 2 (NH4)2SO4 + 4 SO4

2-

2 [UO2(CO3)3]4- + 6 NaOH Na2U2O7 + 2 Na2CO3 + 4 CO32-

+ 3 H2O

technische Reinheit: > 80 % Uranverbindungen

Verunreinigungen führen bei der Kernspaltung

zur Neutronenabsorption

=> Abbruch der Kernkettenreaktion

=> deutlich höhere Reinheit nötigQuelle: Hollemann-Wiberg: „Lehrbuch der Anorganischen Chemie“, 102. Auflage, 2007, Walter de Gruyter & Co,

Berlin, S. 1950-1951Abbildung: http://chemcases.com/2003version/nuclear/nc-06.htm, Stand 14.01.2013

Uranaufarbeitung: Gewinnung von Urandioxid

4. Lösen in Salpetersäure => Bildung von UO2(NO3)2

5. Zugabe von Tri-n-butyl-phosphat in Kerosin => Komplexbildung [UO2(NO3)2(TBP)2] => Anreicherung in der organischen Phase

6. Extraktion und Eindampfen der organischen Phase => reines UO2(NO3)2

7. Erhitzen auf 300 °C => Abtrennung von Stickoxiden => UO3

8. Reduktion mit H2 (T= 700°C) => UO2

- sehr hohe Reinheit

- natürliche IsotopenzusammensetzungQuelle: Hollemann-Wiberg: „Lehrbuch der Anorganischen Chemie“, 102. Auflage, 2007, Walter de Gruyter & Co,

Berlin, S. 1950-1951

Urananreicherung

1. Konversion des reinen UO2 zu UF6

UO2 UF4 UF6

2. Physikalische Verfahren zur Anreicherung des 235U-Isotops:

- Gasdiffusionsverfahren

- Gaszentrifugenverfahren

+ 4 HF

- 2 H2O

+ F2

Quelle: http://www.kernfragen.de/kernfragen/lexikon/g/gaszentrifugenverfahren.php, Stand 30.11.2012

Gaszentrifugenverfahren

- Nutzung der Zentrifugalkraft:

Anreicherung des schweren 238U an der Außenwand

- Einsatz von Ultrazentrifugen mit hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten

- Max. Trennfaktor etwa 1,25

- Kaskadenschaltung der Gaszentrifugen

- Etwa 10-20 Trennstufen (hintereinander)

- Anreicherung auf ca. 2 – 5 % 235Urangehalt

Abbildung: http://www.kernfragen.de/kernfragen/lexikon/g/gaszentrifugenverfahren.php, Stand 30.11.2012

Urananreicherung

1. Konversion des reinen UO2 zu UF6

UO2 UF4 UF6

2. Physikalische Verfahren zur Anreicherung des 235U-Isotops:

- Gasdiffusionsverfahren

- Gaszentrifugenverfahren

3. Konversion des angereicherten UF6 mit wässrigem Ammoniak

UF6 + 2 NH3 + 7 H2O U2O7(NH4)2 + 12 HF

4. Aufarbeitung zu UO2-Pellets

+ 4 HF

- 2 H2O

+ F2

Quelle: http://www.kernfragen.de/kernfragen/lexikon/g/gaszentrifugenverfahren.php, Stand 30.11.2012

Kernspaltung im Brennelement

• Spaltung von 235U in zwei Bruchstücke unter enormer Wärmefreisetzung (65 Milliarden kJ/kg Uran) und unter Freisetzung von 2-3 Neutronen

Quelle: Hollemann-Wiberg: „Lehrbuch der Anorganischen Chemie“, 102. Auflage, 2007, Walter de Gruyter & Co, Berlin, S. 1915 & 1916

Warum 235Uran anreichern?

• Thermische NeutronenCa. 0.025 eV

Bevorzugt Spaltung von 235U

Freisetzung von 2-3 Neutronen

Kernkettenreaktion

Notwendigkeit des Abbremsens der energiereichen Neutronen, die bei der Spaltung entstehen

Einsatz eines Moderators

• Mittelschnelle NeutronenCa. 25 eV

Bevorzugt Anlagerung an 238U

238U + n 239U

Absorption der bei der Spaltung gebildeten Neutronen

Abbruch der Kernkettenreaktion

Aber Brutprozess:

239U 239Np 239Pu

Quelle: Hollemann-Wiberg: „Lehrbuch der Anorganischen Chemie“, 102. Auflage, 2007, Walter de Gruyter & Co, Berlin, S. 1922-1926

β- β-

Das Brennelement im KernkraftwerkSiedewasserreaktoren:

• UO2-Pellets aus angereichertem Uran (2-4% 235U) in Brennstäben aus Edelstahl

• Bündelung einiger dünner Brennstäbe zu einem Brennelement

• Moderator: Wasser

• Zündung der Kernspaltung durch Neutronenquellen, z. B. 252Cf

Hochtemperaturreaktoren:

• Graphitkugeln mit Brenn- und Brutstoffkügelchen, die mit Kohlenstoff überzogen werden („coated particles“)

• Moderator: Graphit

• Anreicherung: ca. 1% 235U, 99% 238UAbbildung: oben und unten: http://de.wikipedia.org/wiki/Brennelement, Stand 09.12.2012

Wiederaufarbeitung

• Lösen des abgebrannten Kernbrennstoffs in Salpetersäure

• Nitratbildung des Urans, Plutoniums und der Spaltprodukte

• Extraktionsverfahren: PUREX-Prozess (Plutonium-uranium-recovery by extraction)

• Extraktion mit Tri-n-butyl-phosphat (TBP) in Kerosin

• Bildung von Komplexen: [UO2(NO3)2(TBP)2] und [Pu(NO3)4(TBP)2] =>lösen sich in der organischen Phase

• Aufarbeitungsprozess =>Herstellung „neuer“ Brennelemente aus Plutonium- und Uranoxiden

• MOx – Brennelemente

Quellen: Hollemann-Wiberg: „Lehrbuch der Anorganischen Chemie“, 102. Auflage, 2007, Walter de Gruyter & Co, Berlin, S. 1954 http://www.chemieunterricht.de/dc2/asch2/a-pu-ab.htm, Stand: 09.12.2012

Zusammenfassung

• Uranlagerstätten durch Redoxprozesse (U4+/U6+)

• Uranaufbereitungsverfahren

• Anreicherung des Isotops 235U mittels Gaszentrifugenverfahren

• Brennelemente im KKW

• Kernspaltungsprozesse

• Wiederaufarbeitung: Purex-Prozess

Abbildung: http://www.zw-jena.de/kkimages/brennstoffkreislauf.png, Stand: 09.12.2012