Von Uran zum Brennelement

1. Vom Element zum Device: Von Uran zum Brennelement Ein Vortrag im Rahmen des AC V Hauptseminars Von Helen Grüninger 15.01.2013 Universität Bayreuth WS 2012/2013 Abbildung: http://www.kindercampus.de/476.0.html?&gid=156&iid=4, Stand 26.11.2012

2. Gliederung • Uran in der Natur • Uranlagerstättenbildung • Uranaufarbeitung zu Urandioxid • Anreicherung des spaltbaren Isotops 235U • Die Kernspaltung im Brennelement • Das Brennelement im Kernkraftwerk • Wiederaufarbeitung

3. 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

4. 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

5. 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 CaF2-Typ (Uraninit) Abbildung: http://de.wikipedia.org/wiki/Uraninit, Stand 29.11.2012 Quelle: Hollemann-Wiberg: „Lehrbuch der Anorganischen Chemie“, 102. Auflage, 2007, Walter de Gruyter & Co, Berlin, S. 1949

6. 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

7. 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 SO42- 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 nötig Quelle: Hollemann-Wiberg: „Lehrbuch der Anorganischen Chemie“, 102. Auflage, 2007, Walter de Gruyter & Co, Berlin, S. 1950-1951 Abbildung: http://chemcases.com/2003version/nuclear/nc-06.htm, Stand 14.01.2013

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

9. Urananreicherung 1. Konversion des reinen UO2 zu UF6 UO2 UF4 UF6 2. Physikalische Verfahren zur Anreicherung des 235U-Isotops: - Gasdiffusionsverfahren - Gaszentrifugenverfahren + 4 HF + F2 - 2 H2O Quelle: http://www.kernfragen.de/kernfragen/lexikon/g/gaszentrifugenverfahren.php, Stand 30.11.2012

10. 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

11. 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 + F2 - 2 H2O Quelle: http://www.kernfragen.de/kernfragen/lexikon/g/gaszentrifugenverfahren.php, Stand 30.11.2012

12. 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

13. Thermische Neutronen Ca. 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 Neutronen Ca. 25 eV Bevorzugt Anlagerung an 238U 238U + n 239U Absorption der bei der Spaltung gebildeten Neutronen Abbruch der Kernkettenreaktion Aber Brutprozess: 239U 239Np 239Pu Warum 235Uran anreichern? β- β- Quelle: Hollemann-Wiberg: „Lehrbuch der Anorganischen Chemie“, 102. Auflage, 2007, Walter de Gruyter & Co, Berlin, S. 1922-1926

14. Das Brennelement im Kernkraftwerk Siedewasserreaktoren: • 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% 238U Abbildung: oben und unten: http://de.wikipedia.org/wiki/Brennelement, Stand 09.12.2012

15. 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

16. 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