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Uranbergbau

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Uranmine McArthur River mit Absetzbecken für die Aufbereitungsabgänge

Der Uranbergbau stellt mit der Gewinnung und Aufbereitung des Urans zu Yellowcake den ersten Schritt des Uran-Brennstoffkreislaufs und damit zur Kernenergienutzung dar. Während Uran früher hauptsächlich für Uranfarben produziert wurde, wurde das Element mit der Entwicklung der Kernwaffen seiner eigentlichen Bestimmung, der Energiegewinnung zugeführt. Der dadurch zunehmende Bedarf an Uran führte nach dem Ende des Zweiten Weltkrieges zu einer Ausweitung und Kommerzialisierung des Uranbergbaus.

Während Öl und Kohle wertvolle Rohstoffe der chemischen Industrie sind, eignen sich Uran und das aus ihm erbrütete Plutonium nur zur Energiegewinnung, und sind sonst zu nichts zu gebrauchen.[1] Das Element Uran kommt in der Natur recht häufig vor, vergleichbar mit Zinn oder Molybdän. Durch die Wahl fortschrittlicher Kernreaktoren mit hohen Konversionsraten und Wiederaufarbeitungsanlagen können auch mit winzigen Uranmengen große Energiebeträge freigesetzt werden. Aufgrund der nach menschlichen Maßstäben nahezu unbegrenzten Verfügbarkeit von Kernbrennstoffen wird die Kernenergie nicht zu den fossilen (nicht-erneuerbaren) Energien gezählt.

Geschichte

Uranglas fluoresziert unter Schwarzlicht

Entdeckung des Urans

Im Jahr 1561 wurde der Ort Sankt Joachimsthal gegründet, das spätere tschechische Jáchymov. Die Region war hauptsächlich für seine Silbervorkommen bekannt, die dort abgebaut wurden. Bereits zu diesem Zeitpunkt war ein Element bekannt, dass nachhaltig die Gesundheit der Bergarbeiter beeinflusste und als Pechblende bezeichnet wurde. Am 24. September 1789 entdeckte Martin Heinrich Klaproth in dem Mineral ein weiteres neues Element, dass der Uranit nannte, benannt nach dem Planeten Uranus. Die Pechblende stammte aus dem unweit von Jáchymov liegenden Johanngeorgenstadt in Sachsen. Tatsächlich war das entdeckte Element nicht Uran selbst, sondern Urandioxid. Das eigentliche Element wurde 1841 vom französischen Chemiker Eugène-Melchior Péligot isoliert. Nachdem man als vornehmlichen Zweck die Farbenvielfalt von Uran entdeckte, wurde im frühen 19. Jahrhundert begonnen Pechblende zunächst von den Abraumhalden zu gewinnen, und diese zu Uranfarben weiter zu verarbeiten. Gegen 1830 wurde mit dem eigentlichen Uranbergbau begonnen und uranhaltige Mineralien gezielt abgebaut. Aufgrund der hohen Nachfrage und des stetig steigenden Uranpreises kam es dazu, dass ältere Schächte in der Umgebung wieder eröffnet wurden, und selbst aus diesen von Silber ausgebeuteten Stollen Erz für die Uranfarbenherstellung gewonnen werden konnte. 1853 wurde mit der Eröffnung der ersten richtigen Uranfarbenfabrik in Jáchymov der größte industrielle Schritt gewagt und dort das Uran aus der Pechblende extrahiert. Infolge der Entdeckung der radioaktiven Strahlung durch Antoine Henri Becquerel, gefolgt von der Entdeckung der Elemente Polonium und Radium seitens Marie Curies in Proben von Pechblenderückständen aus der Urangelbfabrik Jáchymov änderte sich die Situation im Uranbergbau erstmals. Die Folge waren einerseits erste Strahlenschutzmaßnahmen in den Bergwerken und andererseits ein neuer Gewerbezweig mit der Eröffnung des ersten Radonheilbades in Jáchymov.

Kommerzialisierung des Abbaus

Infolge der Entdeckung der Kernspaltung durch Otto Hahn und seinem Assistenten Fritz Straßmann am 17. Dezember 1938 änderten sich die Prioritäten für den Uranerzbergbau weltweit. Durch den Ausbruchs des Zweiten Weltkrieges kam Nazideutschland in den Besitz der Uranvorkommen um Jáchymov und Johanngeorgenstadt. Die Vereinigten Staaten befürchteten daraufhin, dass Deutschland im Zuge des Uranprojektes in den Besitz einer Kernwaffe gelangen, und so die Entscheidung des Krieges herbeiführen könnte. Die Folge war, dass ab dem Jahr 1942 in den Vereinigten Staaten im Rahmen des Manhattan-Projekts mit dem großflächigen Uranbergbau begonnen wurde, sowie seitens der Sowjetunion etwas verzögert in der kasachischen und russischen SSR. Die USA setzten zusätzlich auf die Erschließung großer Vorkommen in südafrikanischen Ländern wie dem Kongo. So wurden 1940 über 1.000 t hochprozentiges Uranerz aus der kongolesischen Mine Shinkolobwe in die Vereinigten Staaten verschifft. Diese Projekte waren vornehmlich staatlich gefördert, da die leicht erschließbaren Uranvorkommen kaum bekannt waren. 1945, kurz vor dem Ende des Zweiten Weltkrieges, wurde mit dem Trinity-Test der erste Kernwaffentest der Welt durchgeführt. Der darauf folgende nukleare Rüstungswettlauf, insbesondere aufgrund der Tatsache, dass die Sowjetunion 1949 ihre erste eigene Kernwaffe zündete, führten zu einer Fortentwicklung des Uranbergbaus hin zum kommerziellen Maßstab, vornehmlich für die Erzeugung von Plutonium für Kernwaffen.

Diese Situation blieb einige Jahre weiter so bestehen, bis US-Präsident Dwight D. Eisenhower in der Rede „Atoms for Peace“ am 8. Dezember 1953 vor der UN-Vollversammlung in New York City seine Vorstellungen von der friedlichen Nutzung der Kernenergie präsentierte. Dies führte 1957 zur Gründung der Internationalen Atomenergie-Agentur (IAEA) in Wien. In der Folge begannen sowohl in den USA, als auch in der Sowjetunion erste Projekte für die Errichtung der ersten Kernkraftwerke. Die zunehmende Zahl an Kernkraftwerksprojekten in vielen Ländern führte dazu, dass der Uranbergbau im größeren Maßstab vorgenommen werden musste. Länder wie Kanada begannen deshalb für ihr eigenes ziviles Kernenergieprogramm neue Minen zu erschließen, gefolgt von Ländern wie Namibia, das damals unter südafrikanischer Besetzung begann erste Vorkommen nutzbar zu machen.

Uranbergbau heute

Weltjahresuranproduktion und Bedarf

In den 1970ern wurden ein großer Teil der heute bekannten, aber meist noch nicht erschlossenen Uranvorkommen weltweit dokumentiert. Vornehmlich versuchten asiatische Staaten wie Japan, Südkorea oder Pakistan eigene Vorkommen zu entdecken. Diese Länder besitzen nur wenig konventionelle Energierohstoffe und arbeiteten deshalb daran, sich bei einer Stromversorgung aus Kernenergie selbst mit Uran zu versorgen. Zwar sind heute in diesen Ländern vorkommen bekannt, der Abbau ist meist aber nie über die experimentelle Förderung hinweg realisiert worden. Auch im uranreichen Deutschland wurden Explorationsbemühungen vorangetrieben, sowohl in West- als auch in Ostdeutschland. Während in der sowjetischen Besatzungszone bis 1990 durch die SAG Wismut im großen Stil Uran abgebaut wurde, kamen die Bemühungen in Westdeutschland aus wirtschaftlichen und ökoreligiösen Gründen kaum voran. Der Probebergbau in der Grube Krunkelbach im Hochschwarzwald oder der Uranbergbau im Fichtelgebirge konnten sich deshalb nicht etablieren.

Neben dem konventionellen Bergbau wurde in den frühen 60er Jahren in Wyoming erstmals der Lösungsbergbau von Uran erprobt, 1974 konnte die erste kommerzielle Mine mit dieser Technik eröffnen. Durch die vereinfachte Förderungstechnik und die günstigen Abbaukosten setzte sich das Verfahren schnell durch. Der Anteil des Lösungsbergbaus an der Gesamtförderung stieg seitdem stetig an, und erreichte 2011 bereits 45%. Bis etwa 1988 war die Uranförderung größer als der Bedarf. Nach dem Ende des Kalten Krieges begann die nukleare Abrüstung, gleichzeitig wurden strategische Reserven aufgelöst. Das Überangebot an Uran führte bis 2003 zu inflationsbereinigt sinkenden Uranpreisen, und zu einer starken Reduzierung des Uranförderung.

Heute hat sich die Situation wieder entspannt. Der gestiegene Uranpreis führt wieder zu einer Erhöhung des Ausstoßes, neue Vorkommen werden erschlossen. Inzwischen ist auch die Uranförderung aus Phosphaten wieder wirtschaftlich, nachdem diese aufgrund der niedrigen Uranpreise weltweit vollständig eingestellt wurde. Zu den größten Produzenten zählen heute vornehmlich Kasachstan, Kanada und Australien. Die größten Uranvorkommen befinden sich in Marokko, den USA und Australien. Dabei hält Marokko 75% der weltweiten Phosphatreserven.

Allgemein

Entstehung

Bild einer Supernova, durch das Hubble-Weltraumteleskop aufgenommen

Das Uran des Sonnensystems wurde durch Supernovae erzeugt. Dabei kollabiert ein Stern, welcher mehrere Sonnenmassen besitzt, am Ende seines Lebens, wenn er seinen Kernbrennstoff komplett verbraucht hat. Nachdem der Wasserstoff im Kern des Sternes zu Helium fusioniert ist, sinkt der durch die bei der Fusion freigesetzten Energien erzeugte Innendruck des Sterns, der daraufhin durch die Gravitation beginnt zusammen zu fallen. Dabei erhöhen sich Temperatur und Dichte, und es setzt eine weitere Fusionsstufe ein in dem Helium über das Zwischenprodukt Beryllium zu Kohlenstoff fusioniert. Der Vorgang wiederholt sich, und durch Kohlenstoffbrennen entsteht Sauerstoff. Weitere Fusionsstufen (Neonbrennen und Siliziumbrennen) lassen den schrumpfenden Stern immer neue Elemente fusionieren. Allerdings erzeugt jede Fusionsstufe weniger Energie als ihr Vorgänger und läuft schneller ab. Die letzte Fusionsstufe des Siliziumbrennens lässt sich in Stunden bis Tagen messen. Beim Eisen stoppt die Fusionskette, da Eisenatomkerne die höchste Bindungsenergie aller Atomkerne haben, und Fusionen zu schwereren Elementen Energie verbrauchen statt erzeugen würden. Da keine weitere Fusion stattfindet, kann der Kern keinen nach außen gerichteten Druck mehr aufbauen, der der Gravitation entgegenwirken würde. Der Kollaps des Zentralgebiets geschieht dann innerhalb von Millisekunden. Dies bewirkt eine starke Druck- und Dichteerhöhung im Zentrum. Die extrem stark erhitzten Gasschichten erbrüten dabei schwere Elemente jenseits des Eisens, wie zum Beispiel Kupfer, Germanium, Silber, Gold oder Uran. Hinter der Stoßfront dehnen sich die erhitzten Gasmassen schnell aus. Einige Stunden nach dem Kollaps des Zentralbereichs wird die Oberfläche des Sterns erreicht, und die Gasmassen werden in der nun sichtbaren Supernovaexplosion abgesprengt.

Künstlerische Darstellung einer protoplanetaren Scheibe

Vor etwa 4,6 Milliarden Jahren drehte sich an der Stelle des Sonnensystems eine ausgedehnte Materiewolke um ein gemeinsames Zentrum innerhalb der Milchstraße. Teile der Materiewolke zogen sich infolge der eigenen Schwerkraft zusammen und verdichteten sich. In der sich bildenden protoplanetaren Scheibe führte die Verklumpung von Staubteilchen zur Bildung von Planetesimalen, den Bausteinen der Planeten. Diese kilometergroßen Gebilde besaßen genug Masse, um sich durch ihre Gravitation mit anderen Planetesimalen zu größeren Objekten zu vereinigen. In Sonnennähe kondensierten schwerflüchtige Elemente und Verbindungen aus, während leichtflüchtige Gase durch den kräftigen Sonnenwind weggerissen wurden. Hier entstanden die inneren Planeten, Merkur, Venus, Erde und Mars mit festen silikatischen Oberflächen. In den kälteren Außenregionen konnten die entstehenden Planeten auch die leichtflüchtigen Gase, wie Wasserstoff, Helium und Methan festhalten. Hier bildeten sich die Gasplaneten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun.

Der Zeitpunkt der Bildung der berggroßen Planetesimale konnte durch Untersuchungen an bestimmten Meteoriten auf vor 4,568 Milliarden Jahren festgelegt werden.[2] Da die Häufigkeit von U-235 und U-238 auf diesem Planeten bekannt ist, sowie die Halbwertszeit der Isotope und das Alter der Erde, kann die Häufigkeit des Urans bei der Erdentstehung zurückberechnet werden. Da das Verhältnis von U-235 zu U-238 in einer Supernova etwa 1,65 beträgt, kann der Entstehungszeitraum des irdischen Urans auf vor 6,5 Mrd. Jahren berechnet werden. Allerdings liegt hier die vereinfachte Annahme zugrunde, dass nur eine Supernova das Uran erzeugte. Die Isotopenverteilung anderer Elemente wie Silizium und Kohlenstoff in Meteoriten zeigen jedoch, dass mindestens 10 stellare Quellen das Material des Sonnensystems vor 6 bis 200 Mrd. Jahren lieferten.

Im Laufe der Zeit reicherte sich das Uran auf der kontinentalen Erdkruste an, während die ozeanische Erdkruste immer uranärmer wurde. Heute hat der Ozeanboden etwa 0,004 ppm Uran, während die kontinentale Erdkruste im Schnitt auf 2,7 ppm Uran kommt. Die Ursache dafür ist komplex, und wird von Plattentektonik und Vulkanismus beherrscht.[3] Vereinfacht gesagt wurde Magmagestein von einer oxidierenden wässrigen Lösung durchströmt, welches das Uran aus dem Gestein mobilisierte. Die uranführende Lösung floss auf bestimmten Bahnen und schied ihre Uranfracht beim Durchströmen einer reduzierenden Gesteinsschicht aus. Das Uran wurde so bei der Bildung der Erdkruste in Wirtsgestein eingeschlossen und/oder chemisch gebunden, und reichert sich so auf der kontinentalen Kruste an.

Verfügbarkeit

In der letzten Studie „Reichweite der Uranvorräte der Welt“ von 2006 kommt Greenpeace zu dem Schluss, dass die bekannten Uran-Vorräte nur für ein Kernenergie-Szenario mit niedrigem Bedarf ausreichen würden, bei dem der Verbrauch bis 2040 im Wesentlichen konstant bleibt und dann abnimmt.[4] Greenpeace ist eine Fundraising-Organisation, die mit spektakulären Aktionen und Berichten die Spendenbereitschaft einer ökologischen Kundschaft bedient. Diese Kundschaft möchte ihre Vorstellungen und Träume bestätigt sehen, eine korrekte Wiedergabe von Fakten wäre existenzzerstörend.

Uranvorkommen in tU über Konzentration in ppm

Tatsächlich ist Uran praktisch unbegrenzt verfügbar. Die Gesamtmenge an Uran in der Erdkruste im Konzentrationsbereich zwischen 100 und 300 ppm wird auf mehr als 1 Mrd. tU geschätzt, bei noch niedrigeren Konzentrationen ist es noch weit mehr.[5] Durch Auswertung bereits bekannter Uranvorkommen konnte festgestellt werden, dass die Größe des Uranvorkommens etwa glockenförmig mit der Urankonzentration der Erdkruste korrespondiert.[6][7] Die vorhandene Uranmenge wächst im gesamten Konzentrationsbereich von den heute abgebauten Erzen bis hinunter zur mittleren Konzentration in der Erdkruste von 3 ppm um je etwa den Faktor 300 mit jeder Absenkung der Grenzkonzentration um eine Grössenordnung. Damit ist die Frage, bis zu welcher Konzentration uranhaltiges Gestein als Erz wirtschaftlich sinnvoll abgebaut werden kann, von entscheidenderer Bedeutung, als die Bewertung der vorhandenen Ressourcen.[5] Typische Urankonzentrationen sind:

  • Very high-grade: 20% Uran (200.000 ppm), zb die Lagerstätte McArthur River mit 16,36% U3O8
  • High-grade: 2% Uran (20.000 ppm), zb die Lagerstätte Key Lake mit 2% U3O8
  • Low-grade: 0,1% Uran (1.000 ppm), zb die Lagerstätte Yeelirrie mit 0,14% U3O8
  • Very low-grade: 0,01% Uran (100 ppm), entspricht der Urankonzentration in Schwarzschiefer (50-250 ppm), Phosphaten (70-200 ppm) und Braunkohle (160-180 ppm)
  • Erdkruste mit 2,8 ppm Uran im Durchschnitt, was einer Gesamtmenge von etwa 6,5 × 1013 tU entspricht[8]
  • Meerwasser mit 0,003 ppm Uran, was bei einem Meeresvolumen von 1,338 Mrd. km³ zu etwa 4 × 109 tU führt

Für den Betrieb von Leichtwasserreaktoren, welche mehr Kernbrennstoff verbrauchen als erbrüten („Burner“) ist Uran zwar zwingend erforderlich, spielt aber in den Kosten der Betreiber keine wesentliche Rolle: Nur etwa 3 Prozent der Stromerzeugungskosten eines Kernkraftwerkes entfallen auf das Uran. Selbst wenn der Uranpreis um 200 Prozent steigen würde, würden die Stromgestehungskosten nur um 4 bis 5 Prozent nach oben klettern.[9] Durch die Steigerung von Abbränden, den Einsatz von Brütern und Wiederaufarbeitungsanlagen kann sowohl der Uranbedarf, als auch der Einfluss des Uranpreises auf die Stromgestehungskosten reduziert werden.

Wenn man die Explorationskosten von Erdöl als Basis nimmt, nach dem die Erde bereits gründlich abgesucht wurde, kann man feststellen, dass die Uranvorkommen der Erde größtenteils noch unentdeckt sind. Zwar waren die gewichtsspezifischen Explorationskosten für Erdöl in den letzten drei Jahrzehnten mit 0,045 USD/kg wesentlich niedriger als bei Uran mit 1,8 USD/kg, bezogen auf den Energieinhalt ergibt sich jedoch ein anderes Bild: Erdöl ist mit 1,05 USD/GJ etwa 300-mal teuerer aufzuspüren als Uran mit nur 0,0034 USD/GJ.[10] Dies ist auch in der Liste von Uranlagerstätten erkennbar, wo die gut erkundeten Vereinigten Staaten trotz der geringeren Landmasse über mehr (bekannte) Uranvorkommen verfügen als China oder Russland.

In der Uranlagerstättendatenbank UDEPO der IAEA sind zur Zeit (7/2013) 1445 bekannte Lagerstätten gelistet, mit einem vorhandenen oder bereits geförderten Uraninhalt von 27.188.842 Tonnen. Die zur Zeit ungünstig förderbaren Uranminerale in Phosphaten und Schwarzschiefern machen davon 12.898.130 tU bzw 1.199.086 tU aus. Werden die bereits ausgebeuteten Uranvorkommen abgezogen – deren Inhalt befindet sich größtenteils als abgereichertes Uran auf Halde – ergibt sich bei gegenwärtigem Verbrauch eine statische Reichweite von über 350 Jahren.[11]

Seit 1965 wird im Abstand von zwei Jahren durch die Nuclear Energy Agency (NEA) und die International Atomic Energy Agency (IAEA) eine Bewertung der Uranvorräte vorgenommen. NEA und IAEA legen seit 1978 die Ergebnisse des International Uranium Resources Evaluation Project (IUREP) in Form einer Zusammenfassung vor, welche als Red Book bezeichnet wird.[12] Darin wird die aktuelle statische Reichweite der bekannten und förderbaren Uranvorkommen veröffentlicht, um der Industrie eine Richtschnur für Investitionsplanungen zu geben. Die Daten sind allerdings mit Vorsicht zu genießen, da sie von offiziellen Stellen weitergegeben werden. So ist in manchen australischen Bundesstaaten der Uranabbau und auch die Suche danach illegal, sodass Funde, welche dort im Zuge anderer Explorationen gemacht wurden, nicht gemeldet werden können. Andere Länder geben gar keine Auskunft über ihre Uranvorräte, oder wurden nicht umfassend nach Uran untersucht, siehe oben. Die im Red Book aufgeführte Uranmenge ist deshalb geringer als bei UDEPO.

Die folgende Tabelle stellt die Uranvorkommen und statische Reichweite nach dem Red Book von 2009 dar.[13] Für die Berechung der statischen Reichweite wurde ein Uranverbrauch von 69.000 tU pro Jahr angenommen. Damit wurden 2010 weltweit 2629,95 TWh an elektrischer Energie erzeugt.[14] Das Szenario "Generation III" geht von einer Beibehaltung der Uranabreicherung von 0,7% U-235 auf 0,35% aus, sodass wie heute etwa 10 tU für die Erzeugung von einer Tonne angereichertem Kernbrennstoff nötig sind. Allerdings wir der durchgehende Einsatz von Kernkraftwerken der Generation III unterstellt, mit Abbränden von 65 GWd/t und einem Prozesswirkungsgrad von 35%. Der Uranverbrauch würde dadurch drastisch auf 48.167 tU pro Jahr sinken.[15] Würde kollektiv Wiederaufarbeitung praktiziert, wie im Szenario "Gen III + WAA" dargestellt, so erhöhten sich die Reserven durch die Verwendung von MOX-Bennelementen etwa um den Faktor 1,3. Das letzte Szenario "Brüter + WAA" beschreibt einen geschlossenen Brennstoffkreislauf mit schnellen Brütern und Wiederaufarbeitungsanlagen, um den vollen Energieinhalt des Urans von etwa 950 GWd/t zu nutzen. Der jährliche Uranverbrauch würde so, bei einem Prozesswirkungsgrad von 41%, auf kümmerliche 281 tU sinken.[16]

Uranvorkommen und statische Reichweite (IAEA & NEA 2009)
Uranressourcen Uranpreis [US-$/kg] Uranmenge [kt] Reichweite [a] kumuliert [a] Generation III [a] Gen III + WAA [a] Brüter + WAA [a]
sichere Reserven ≤ 40 570 8 8 11 14 1.964
> 40-80 > 2.516 36 44 63 82 10.780
> 80-130 3.525 51 95 136 176 23.275
> 130-260 > 4.004 58 153 219 284 37.485
mögliche Reserven ≤ 40 > 226 3 156 223 290 38.220
> 40-80 > 1.225 17 173 247 321 42.385
> 80-130 > 1.879 27 200 286 372 49.000
> 130-260 > 2.301 33 233 333 433 57.085
Uran in Phosphaten ~ 100 ~ 22.000 318 551 789 1.025 134.995
Uran in Meerwasser ~ 400 ~ 4.500.000 65.217 65.768 94.179 122.432 16.113.017

Uranlagerstätten

Der Begriff „Lagerstätte“ beinhaltet definitionsgemäß das Kriterium der wirtschaftlichen Gewinnbarkeit eines Rohstoffvorkommens. Bei den folgenden Beschreibungen wird der Begriff allerdings der Einfachheit halber auch für Uranvorkommen in Meerwasser und Salzseen verwendet, obwohl diese zu gegenwärtigen Uranpreisen nicht wirtschaftlich förderbar sind. Die IAEA führt derzeit 14 verschiedene Uranlagerstättentypen. Die Einteilung und Benennung ist nicht ganz konform mit der modernen Lagerstättenlehre, auch gibt es Lagerstätten, die Merkmale von mehreren Typen vereinen. Im Folgenden wird jedoch die IAEA-Einteilung übernommen, und der Aufbau der Lagerstätte kurz skizziert. Eine Liste der bekannten Uranlagerstätten kann in der Liste von Uranlagerstätten eingesehen werden.

Diskordanzgebunden

Ranger 3: Das dunkle Erz wird vom helleren Deckgebirge überlagert

Diskordanzgebundene Lagerstätten (engl. Unconformity-related deposits) sind nach ihrem charakteristischem Erscheinungsbild benannt. Als Diskordanz bezeichnet man in der Geologie das winkelige oder unregelmäßige Aufeinanderliegen von Gesteinsschichten. Diskordanzgebundene Lagerstätten machen etwa 33% der Uranressourcen der westlichen Welt aus und beinhalten einige der reichsten und größten Vorkommen. Die dabei förderbaren uranhaltigen Minerale sind Uranit (UO2) und Pechblende (U3O8). Die Urangehalte des Gesteins können dabei sehr hoch sein, mit bis zu 50% im kanadischen Cigar-Lake-Vorkommen.[17] Die Förderung findet dabei entweder im Tagebau statt (zb Ranger, Australien) oder Untertage (zb McArthur River, Kanada). McArthur River ist nach der Fördermenge die zur Zeit größte Uranmine der Welt (2012).

Brekzien-Typ

Lagerstätten des Brekzien-Typs (engl. Hematite breccia complex deposits) werden von Geologen als Eisenoxid-Kupfer-Gold Lagerstätten bezeichnet. Diese können auch eine hohe Urankonzentration enthalten, das den Abbau desselben als Nebenprodukt wirtschaftlich machen kann. Allerdings gibt es hier mit Olympic Dam in Südaustralien nur ein wirtschaftliches Beispiel. Diese Vorkommen werden deshalb auch als Olympic-Dam-Typ bezeichnet. Nach der Entdeckung wurde diese Lagerstätte als sedimentäre brekziöse Grabenfüllung interpretiert, daher die IAEA-Bezeichnung. Nach Auffahrung und Inbetriebnahme der Olympic-Dam-Mine änderte sich diese Bewertung allerdings grundlegend, die modernen Lagerstättenmodelle gehen von einer magmatisch-hydrothermalen Bildung aus. Die Bezeichnung wurde trotzdem beibehalten. Die Mine dient der Förderung von Kupfer, Uran, Gold und Silber. Eisen und Seltene Erden, hauptsächlich Lanthan und Cer, sowie Fluor ist ebenfalls vorhanden, werden aber nicht aus dem Gestein getrennt.[17] Es handelt sich um die mit Abstand größte konventionelle Uranlagerstätte und die viertgrößte Kupferlagerstätte der Welt. Der Urangehalt liegt zwischen 0,04 und 0,08% Pechblende (U3O8). Der Abbau erfolgt untertage.

Sandstein

Uran-Ablagerungen im Sandstein (engl. Sandstone deposits) treten in mittel- bis grobkörnigem Sandstein auf, abgelagert in kontinental-fluviatiler oder marginal-mariner Sedimentsumgebung. Uran wurde aufgrund einer Vielfalt von abbauenden Stoffen innerhalb des Sandsteins, wie zum Beispiel kohlehaltige Mineralien, Sulfide (Pyrit), Kohlenwasserstoffe und eisen-magnesiumhaltige Mineralien (Chlorit) abgelagert.[18] Dabei wird zwischen drei Haupttypen unterschieden:[17]

  • Rollfront-Lagerstätten: Bogenförmige Mineralisierungskörper, die das Sandsteinbett kreuzen.
  • Tafelförmige Lagerstätten: Unregelmäßige, längliche linsenförmige Körper parallel zum Ablagerungsraum. Ablagerungen treten häufig in Paleokanälen auf, die in den darunter liegenden Fels einschneiden.
  • Tektonische/Lithologische Lagerstätten: Treten in den Sandsteinen neben einer durchlässigen Störungszone auf.

Uran-Ablagerungen im Sandstein machen etwa 18% der Welturanreserven aus. Der Urangehalt liegt mit 0,05 bis 0,4% U3O8 meist im niedrigen und mittleren Bereich, wobei die Erzkörper nur klein bis mittelgroß sind (maximal 50.000 t U3O8). Die dabei förderbaren uranhaltigen Minerale sind Uranit (UO2) und Coffinit (U4+[(SiO4),(OH)4]). Aufgrund der spezifischen Eigenschaften des Sandsteins kann das Uran in der Regel im günstigen Lösungsbergbau (engl. In-Situ-Leaching) gewonnen werden.[17]

Quarzgeröll-Konglomerate

Uranhaltiges Bannerit-Pyrit aus der Nordic Mine bei Lake Elliot

Quarzgeröll-Konglomerate (engl. Quartz-pebble conglomerate deposits) als Lagerstätten bildeten sich vor 2,3-2,4 Milliarden Jahre in Fließgewässersystemen aus. Uran wurde als Schwermineral in Flüssen transportiert und mit Quarzgeröll (im Witwatersrand auch zusammen mit gediegen Gold und Pyrit) in flachen Becken als Konglomerat abgelagert. Die Ressourcen dieser Lagerstätten sind sehr groß und beinhalten sowohl in Kanada als auch in Südafrika mehr als 200.000 t Uran. Allerdings sind die Urangehalte mit nur etwa 350 ppm im Mittel gering und die Gewinnungsteufen sind sehr groß. Die Minen um Elliot Lake mussten deshalb in den vergangenen Jahren schließen, da der damalige Uranpreis keine wirtschaftliche Förderung mehr erlaubte. Die Uranförderung in Witwatersrand ist nur durch die zusätzliche Gewinnung von Gold wirtschaftlich.[17]

Oberflächennah

Als Oberflächennahe Lagerstätten (engl. Surficial deposits) werden allgemein junge (Tertiär bis Holozän) oberflächennahe Urankonzentrationen in Sedimenten und Lockergestein verstanden. Die meisten oberflächlichen Uranlagerstätten findet man in Kalzium- und Magnesiumcarbonaten und befinden sich in Australien (Yeelirrie), Namibia (Langer Heinrich) und Somalia. Diese Ablagerungen treten in Verbindung mit stark verwitterten uranreichen Graniten auf. Sie treten auch in talfüllenden Sedimenten tertiärer Ableitungskanäle und in Sedimenten von Salztonebenen (Lake Maitland) auf.[18] Die Uranmineralisierung fand in oberflächlichem feinkörnigen Sand und Ton statt, verkittet durch Kalzium- und Magnesiumcarbonate.[17] Der Abbau erfolgt ausschließlich im Tagebau.

Ganglagerstätte

Uranerz aus der Niederschlema-Alberoda, Pechblende in Dolomit

Als Ganglagerstätten (engl. vein deposits) werden Lagerstätten bezeichnet, in denen das uranhaltige Mineral Räume im Gestein wie Gänge, Gesteinsrisse und Gesteinsklüfte und Poren einnimmt und in Brekzien eingeschlossen ist.[17] Die Größe der Räume variiert je nach Vorkommen. Sie stellen die älteste Quelle für den Uranbergbau dar. Trotz ihrer historischen Bedeutung, zb durch Jáchymov, wo Uran zum ersten Mal im industriellen Maßstab gefördert wurde, spielen diese Lagerstätten heute kaum eine Rolle. Zum Einen sind die bekannten Vorkommen zu großen Teilen abgebaut, und zum anderen findet eine Exploration dieser Lagerstätten kaum noch statt. Dies liegt an den schwierigen Bedingungen für den Bergbau, da die schmalen Erzkörper keinen Platz für großskaligen effizienten Abbau lassen. So sind die Gänge der Lagerstätte Schneeberg-Schlema-Alberoda in der Regel nur 5-30 cm mächtig, selten wurden Mächtigkeiten von mehr als einem Meter erreicht. Auch ist die Verteilung des Erzes sehr unregelmäßig, Reicherzzonen mit bis zu einigen Prozent Erzgehalt wechseln sich mit großen uranfreien Bereichen ab. In Schneeberg-Schlema-Alberoda waren uranführende Gänge nur auf 5% der Gangfläche mit Uran vererzt, in Jáchymov waren es 8% und in Pribram 12% der Fläche.[19][20] Die Förderung findet entweder im Tagebau (Shinkolobwe) oder Untertage (Schneeberg-Schlema-Alberoda) statt.

Vulkanisch

Die vulkanitgebundene Lagerstätten (engl. Volcanic and caldera-related deposits) sind fast ausschließlich an kesselförmige Strukturen vulkanischen Ursprungs (sogenannte Caldera) gebunden. Diese Uranablagerungen finden sich innerhalb und unmittelbar neben Vulkankratern und sind mit mafischen (Magnesium, Eisen) bis felsischen (Quarz, Feldspat) Vulkankomplexen und eingelagerten klastischen Sedimenten gefüllt. Die Mineralisierung wird meist durch Strukturen bestimmt und tritt in verschiedenen Leithorizonten der vulkanischen und sedimentären Bestandteile auf und erstreckt sich bis zur Basis des ehemaligen Vulkans. Uranminerale finden sich meist im Verbund mit Molybdän, anderen Sulfiden, violettem Fluor und Quarz.[18] Die Urangehalte liegen meist bei 0,01 bis 0,2 % U3O8. Der Abbau erfolgt über- und untertage.

Intrusiv

Die Grube der Rössing-Mine

Bei intrusiven Uranlagerstätten (engl. Intrusive deposits) können einige Arten magmatischen Gesteins Uran in gewinnbaren Mengen enthalten. Die bedeutendste Lagerstätte dieser Gruppe ist Rössing in Namibia.[17] Die Gehalte sind gering mit etwa 0,02 bis 0,03% Uran, allerdings ist die Lagerstätte sehr groß und oberflächennah, so dass sie im Tagebau wirtschaftlich ausgebeutet werden kann. Die Mineralogie ist meist komplex und daher ungünstig für die Gewinnung von Uran. Der Karbonatit von Phalaborwa in Südafrika enthält erhöhte Konzentrationen von Uran, sodass Uran je nach Preis als Nebenprodukt der Kupferproduktion mitgewonnen wird. Ebenso produzieren porphyrische Kupferlagerstätten wie Chuquicamata in Chile oder Bingham in den USA je nach Weltmarktpreis Uran als Nebenprodukt. Die Urangehalte in den Gesteinen dieser Lagerstätten liegen bei einigen 10 ppm. Lagerstätten, welche an fraktionierte Kristallisation gebunden sind, wurden bisher nicht abgebaut. Das Uran ist bei diesen Lagerstätten an komplexe Minerale wie Steenstrupin gebunden, welche sich im Magma bildeten, in diesem absanken und sich dabei an den Rändern der Magmenkammer anreicherten. Bedeutendstes Beispiel ist die Lagerstätte Kvanefjeld in Ilimaussaq, Grönland.[21] Der Abbau erfolgt hauptsächlich in Gruben, Radium Hill war allerdings ein Untertagebergwerk. Die Abbaugrube in Phalaborwa ist das größte von Menschen geschaffene Loch.

Metasomatisch

Bei metasomatischen Lagerstätten (engl. Metasomatite deposits) kam es zu einer Veränderung der chemischen Zusammensetzung, und damit auch des Mineralbestandes des Gesteins im festen Zustand. Diese Lagerstätten sind auf Zonen tektonisch-magmatischer Aktivität des präkambrischen Schildes beschränkt und verbunden mit verwerfungsnahen Alkali-Metasomatiten, gebildet auf verschiedenen Sockelgesteinen: Granite, Gneise, eisenhaltige Quarzite mit Bildung von Albititen, Ägirin sowie kohle- und eisenhaltigem Gestein. Erzlinsen und Erzbestände haben einen Durchmesser zwischen wenigen Metern und einigen zig Metern und sind einige hundert Meter lang. Die vertikale Ausdehnung der Erzmineralisierung kann bis zu 1,5 km betragen. Das Erz ist von der Zusammensetzung her Uraninit-Brannerit (UO2-UTi2O6) und von durchschnittlicher Güte.[18] Der Urangehalt liegt in der Regel zwischen 0,01 bis 0,1 %, wobei unter Umständen auch weitere Rohstoffe wie Zirkonium, Thorium und Metalle der Seltenen Erden gefördert werden können.

Kollapsbrekzien

Querschnitt durch eine typische uranhaltige Kollapsbrekzie

Kollapsbrekzien (engl. Collapse breccia pipe deposits) haben nur geringe Uraninhalte. Vorkommen dieser Art treten in radialsymmetrischen, vertikalen Röhren auf, die mit herabgefallenen Gesteinsfragmenten gefüllt sind. Diese können einen Durchmesser von 30 bis 200 Meter besitzen und bis zu 1000 Meter tief sein. Das Uran befindet sich in konzentrierter Form als primäres Uranerz, meist Uraninit, in der durchlässigen Brekzienmasse (meist Sandstein) und in der gebogenen Ringspaltenzone, die die Röhre umgibt. Musterbeispiele dafür sind die Lagerstätten im Arizonastreifen nördlich des Grand Canyon sowie auch jene unmittelbar südlich des Grand Canyon in den Vereinigten Staaten.[18] Ein paar davon wurden bereits abgebaut.[17]

Phosphate

Phosphatlagerstätten (engl. phosphorite deposits) stellen nach Meerwasser die zweitgrößte Uranressource der Welt dar. Phosphorit-Lagerstätten bestehen aus marinem Phosphorit, entstanden aus dem kontinentalen Schelf und beinhalten sedimentär geschichtetes, verstreutes Uran in feinkörnigem Apatit. Andere Typen von Phosphorit-Lagerstätten bestehen aus organischem Phosphat, bestehend aus marinen Tonschiefer-Sedimenten angereichert aus uranhaltigen Fischüberresten. Alle Phosphatlagerstätten besitzen eine sehr geringe Urankonzentration, allerdings kann Uran auch als Nebenprodukt der Phosphatproduktion gefördert werden.[18] Mitte der 1990er Jahre deckten die USA noch 20% ihres Uranbedarfs aus der Phosphatförderung. Durch den Preisverfall wurde das Verfahren aber unwirtschaftlich, und wurde 1998 eingestellt. Momentan (2012) gibt es Versuche den Uranbergbau aus Phosphaten wiederzubeleben, unter anderem in Santa Quitéria (Brasilien) und Florida (USA).[22]

Metamorph

Offengelassener Tagebau von Mary Kathleen mit Cu-U-Th-SEE Erzkörper

Metamorphe Uranlagerstätten (engl. metamorphic deposits) bestehen aus Gestein, welches unter höheren Druck- und Temperaturbedingungen entstanden ist, als bei der Verwitterung und Verfestigung auftraten. Die Temperatur- und Druckverhältnisse sowie das Alter der Uranablagerungen müssen jenen des Metamorphismus in den angrenzenden Gesteinsschichten ähnlich sein.[18] Diese Uranlagerstätten sind relativ selten. Die größte Mine diesen Typs in Australien war Mary Kathleen, wo Uran und Seltene Erden (SEE) von 1958-63 und 1976-82 gefördert wurden. Der Erzkörper liegt in einer Zone, in der sich kalziumreiche Schichten mit metamorphen Gestein aus dem Proterozoikum befinden.

Lignite

Kohlelagerstätten (engl. Lignite deposits) enthalten oftmals erhöhte Gehalte an Uran. Das organische Material konnte zum Teil noch während des Torfstadiums Uran aus Lösungen binden. Auch ein späterer Eintrag während der Verfestigung ist möglich. Die Ressourcen einiger Lagerstätten können teilweise beachtlich sein und mehrere 10.000 t Uran beinhalten. So werden im australischen Bundesstaat Victoria jedes Jahr etwa 65 Millionen Tonnen Braunkohle zur Stromerzeugung verbrannt, welche 1,6 ppm Uran und 3-3,5 ppm Thorium enthält. Folglich werden jedes Jahr im Latrobe Valley 100 t Uran und 200 t Thorium der Deponie zugeführt.[23] Allerdings sind die Gehalte meist gering, und liegt im Durchschnitt bei unter 50 ppm.[18] Eine direkte Urangewinnung aus Kohle fand in der Lagerstätte Freital / Dresden-Gittersee der SDAG Wismut in Sachsen statt. Die Urangehalte der Steinkohle und umgebender Rotliegend-Sedimente lagen bei etwa 0,1 % und es wurden 3.500 t Uran produziert.[19] Union Carbide betrieb von 1965 bis 1967 in der Nähe von Belfield in North Dakota ebenfalls eine Aufbereitungsanlage, um Uran aus der Braunkohleasche zu extrahieren.

Schwarzschiefer

Uranvorkommen in Schwarzschiefern (engl. Black shale deposits) stellen große Urananreicherungen mit niedrigen Gehalten dar. Schwarzschiefer sind feingeschichtete, durch organische Restbestände (Bitumen) und Sulfide dunkel gefärbte, biogen-chemische Sedimente, welche außergewöhnlich reich an organischer Substanz (C-Gehalt >5%) sind. Die Bildung der Schwarzschiefer trat in Phasen der Erdgeschichte auf, in denen die Meere sehr warm und die Temperaturgradienten gering waren. Dadurch kam es zu Sauerstoffmangel in mittleren und größeren Meerestiefen. In diesen Bereichen lagerte sich nun organisches Material ab, denn die Lebewesen, welche dies beeinflussen und den Kohlenstoff abbauen würden konnten ohne den fehlenden Sauerstoff nicht überleben. Ohne Durchmischung durch Organismen oder Strömungen lagerten sich die Sedimente ungestört ab und bildeten feine Schichtungen. Bei einer schlechten Durchmischung und eingeschränktem Austausch des Bodenwassers, wie es bei weitgehend isolierten Sedimentbecken vorkommen kann, entstand ein sauerstofffreies und reduzierendes Milieu. Hier bildete sich Faulschlamm, der nach seiner Verfestigung als Schwarzschiefer bezeichnet wird.[24]

Uranhaltige Schwarzschiefer bestehen aus fossilreichem Tonstein oder pyritreichem Schieferton, in welchem Uran in organischem Material adsorbiert wurde.[17] Zudem können die Schwarzschiefer mit weiteren wertvollen Metallen, beispielsweise Kupfer und Vanadium, angereichert sein.[24] Die durchschnittlichen Urangehalte liegen zwischen 50 ppm und 250 ppm.[25] Die bekannten Vorkommen sind daher als potentielle zukünftige Uranressourcen zu sehen, da sich ihr Abbau nur bei hohen Uranpreisen lohnt, oder wenn weitere Nebenprodukte gefördert werden können. Die Lagerstätte Ronneburg in Thüringen ist eine besondere Form dieses Vererzungstyps und die einzige bedeutende bis heute abgebaute Schwarzschieferuranlagerstätte weltweit. Die Produktion zwischen 1950 und 1990 lag bei rund 100.000 t Uran mit durchschnittlichen Urangehalten der Fördererze zwischen 0,07% und 0,1%. Weitere rund 87.243,3 t Uran wurden 1990 als erkundete und vermutete Ressourcen ausgewiesen, mit Gehalten zwischen 0,02% und 0,09%, womit es sich um eines der größten Uranvorkommen der Erde handelt.[19]

Meerwasser und Salzseen

Sowohl Meerwasser als auch Salzseen enthalten erhöhte Konzentrationen von gelöstem Uran. Im Meer sind dies 3 µg/L oder drei Tonnen Uran je Kubikkilometer. Dies entspricht einem Uraninhalt von etwa 4,5 Milliarden Tonnen. Studien zur Gewinnung von Uran aus Meerwasser wurden unter anderem in Japan durchgeführt und zeigten die prinzipielle technische Möglichkeit zur Urangewinnung auf. Salzseen können weitaus höhere Konzentrationen enthalten als Meerwasser, eine Gewinnung findet aber auch hier mangels Notwendigkeit nicht statt.

Förderung

Konventioneller Abbau

Tagebau der Ranger-Mine...
...die Uranerzaufbereitungsanlage...
...und das Absetzbecken derselben
Absetzbecken der Jabiluka-Mine, welche vom Kakadu Nationalpark umgeben ist

Der konventionelle Abbau erfolgt entweder über- oder untertage. Im Tagebau wird das Gestein wenn nötig gesprengt und gebrochen, bevor es von Baggern auf Großmuldenkipper verladen wird. Der Transportweg endet immer an einem Vorbrecher. Dieser zerkleinert das gewonnen Material auf eine für die folgenden Prozesse nutzbare Größe. In der Regel werden die Kipperladungen mit Hilfe eines einfachen Geigerzählers auf ihre Aktivität überprüft, um nur Gestein mit einem akzeptablen Urangehalt weiterzuverarbeiten.[26]

Im Untertagebau ergibt sich durch das aus dem gebrochenen Gestein freigesetzte radioaktive Edelgas Radon und die Staubbildung eine größere Gesundheitsgefährdung als im Obertagebau. Eine starke Bewetterung sowie Wassersprühen hilft hier, die Belastung zu reduzieren. Moderne Minen wie McArthur River verwenden vollautomatisierte Abbauverfahren, um den Personalaufwand zu minimieren. Das so gewonnene Gestein wird untertage gebrochen und mit Wasser versetzt. Der Schlamm wird schließlich an die Oberfläche gepumpt. Wenn sich die Uranerzaufbereitungsanlage (engl. uranium mill) nicht in direkter Nähe zur Mine befindet wird der Schlamm in Tanklaster geladen, und zur Aufbereitungsanlage transportiert.[27]

In der Uranerzaufbereitungsanlage wird das Gestein fein gemahlen, bis die Konsistenz etwa Sand entspricht, und mit Wasser vermischt. Der nachfolgende Prozess hängt von den jeweiligen Uranmineralien ab, ist aber in der Regel ähnlich aufgebaut. Das Gemisch wird zuerst in Rührkessel geschüttet, in welche Schwefelsäure (H2SO4) zugegeben wird. Die Menge variiert von 10-100 kg pro Tonne Erz. In manchen Aufbereitungsanlagen wird noch Mangandioxid (MnO2) oder Natriumchlorat (NaClO3) zugegeben, um eine befriedigende Ausbeute zu erzielen. Da vierwertiges Uran in wässrigen Lösungen und sauren Auslaugungsmitteln praktisch unlöslich ist, wird das Uran durch das Zusetzen der beiden Oxidatoren in die sechswertige Form überführt, welche löslich ist. Die Brühe köchelt nun für etwa 24 Stunden (in manchen Anlagen auch kürzer) bei etwa 40-60°C vor sich hin. Dabei werden etwa 85% bis 95% des Urans aus dem Gestein mobilisiert, die Urankonzentration liegt dann bei etwa 1-2 g/Liter. Neben den Ionen des Urans befinden sich noch Ionen anderer Metalle im Kessel.[28] Vereinfacht betrachtet finden dabei folgende Reaktionen statt:[29]

UO2 + 2 H2SO4 → U(SO4)2 + 2 H2O
UO2 + 0,5 O2 → UO3
UO3 + H2SO4 → UO2SO4 + H2O
UO2SO4 + SO4 ↔ [UO2(SO4)2]2-
[UO2(SO4)2]2- + SO42- ↔ [UO2(SO4)3]4-

Das Uranylsulfat [UO2(SO4)3]4- ist die am häufigsten vorkommene Form des Urans in der Lösung.[29] Die Soße wird nun in mehreren Stufen in Festkörper und Flüssigkeit getrennt, dabei kommen auch Flockungsmittel zum Einsatz. Die Feststoffe werden anschließend gewaschen und in Absetzbecken (engl. tailing pond) geleitet. Die uranhaltige Flüssigkeit wird nun durch Ionentauscher (engl. ion exchange, IX) oder Flüssig-Flüssig-Extraktion (engl. solvent extraction, SX) von den anderen Elementen getrennt.[28] In manchen Minen wie Rössing setzt die Uranerzaufbereitungsanlage auch beide Methoden ein, wobei der Ionentauscherprozess der Flüssig-Flüssig-Extraktion vorgeschaltet wird.

Die Ionentauscher werden mit Festbett oder als kontinuierliche Ionenaustauschanlagen konstruiert. Ionentauscher sind Materialien, mit denen gelöste Ionen durch andere Ionen gleicher Ladung (d. h. positiv oder negativ) ersetzt werden können. Die auszutauschenden Ionen werden am Ionenaustauschermaterial gebunden, das seinerseits dafür eine äquivalente Stoffmenge von vorher gebundenen Ionen in die Lösung abgibt. Die Lösung wird nun durch die Ionentauscher geleitet, welche Sulfat-Anionen (SO42-) und Nitrat-Anionen (NO3) in einem Bindemittel aus Harz enthalten. Die chemischen Reaktionen sind dabei:[29]

(R4N)2SO4 + UO22+ + SO42- → (R4N)2[UO2(SO4)2]
2 (R4N)2SO4 + UO22+ + 2 SO42- → (R4N+)4 [UO2(SO4)3] + SO42-

sowie

2 (R4N)NO3 + UO22+ + 2 SO42- → (R4N+)2 [UO2(SO4)2 ] + 2 NO3-
4 (R4N)NO3 + UO22+ + 3 SO42- → (R4N+)4 [UO2(SO4)3] + 4 NO3-

Das „R“ ist dabei das Grundgerüst des Harzes. Wie ersichtlich, ist das Uranylsulfat auf der rechten Seite der Reaktionen am Harz gebunden. Die Regeneration des Ionentauschers, und damit das Ausspülen des Uranylsulfates, geschieht in einem separaten Schritt mit Schwefelsäure (H2SO4), Ammoniumnitrat (H4N2O3) oder anderen Flüssigkeiten. Anschließend kann eine Flüssig-Flüssig-Extraktion nachgeschaltet werden. Werden nur Ionenaustauschanlagen verwendet, wird das Yellowcake aus der Lösung ausgefällt. Die dafür notwendigen Chemikalien hängen vom Waschprozess der Ionentauscher ab. Wenn mit Ammoniumnitrat regeneriert wird, entsteht Ammoniumdiuranat ((NH4)2U2O7), aus dem Yellowcake (U3O8) gewonnen wird.[29]

Für die Flüssig-Flüssig-Extraktion wird meist ein Aminsalz verwendet welches in Kerosin gelöst wird, welches mit dem Uranion eine wasserunlösliche organische Verbindung eingeht. Die Trennung erfolgt dann durch setzen und abschöpfen, sodass (im Idealfall) nur die organische Verbindung übrig bleibt. Anschließend wird das Uran durch eine anorganische Salzlösung wie Ammoniumsulfat ((NH4)2SO4) oder Natriumchlorid (NaCl) abgetrennt und als Yellowcake ausgefällt. Das Produkt wird dann getrocknet, und für den Transport zu Konversionsanlagen in Container verpackt.[28]

Manche Uranerzaufbereitungsanlagen verwenden auch Cabonatlaugen statt Schwefelsäure, vor allem wenn das Erz reich an Kalkstein ist. Das Verfahren wird unten beschrieben. Die in der Anlage verwendeten Chemikalien, vor allem Schwefelsäure, werden soweit wie möglich wiederverwendet. Nur Wasser wird durch den Waschprozess benötigt, teilweise wird auch bei der Trockung des Yellowcakes das Wasser nicht wiedergewonnen. Der einzige Reststoff der Uranmühle ist der gelaugte Abraum, welcher im Absetzbecken gesammelt wird. Diese sogenannten Aufbereitungsabgänge (engl. tailings) sind schwach radioaktiv, da sie noch Uranreste (5-15%) sowie das ausgasende radioaktive Edelgas Radon (Halbwertszeit 3,8 Tage) enthalten, welches Teil der Uran-Zerfallsreihe ist. Das Absetzbecken ist mit einem Polymer ausgekleidet, welcher Dichtheit garantiert. Absetzbecken kommen auch im Gold- oder Kupferbergbau zum Einsatz.

Lösungsbergbau

Uranmine Honeymoon, das Versuchsfeld für die Laugung
Aufbereitungsanlage von Beverley, welche auch mit Schwefelsäure arbeitet

Bei der Laugung vor Ort (engl. in-situ leaching, ISL) wird das Gestein nicht gefördert, sondern das Uran untertage aus dem Mineral gelaugt. 2011 wurden so 45% des Urans gefördert. Das Verfahren kann allerdings nur angewendet werden wenn der Erzkörper für Flüssigkeiten durchlässig ist, und eine Kontamination des Grundwassers ausgeschlossen werden kann. Zusätzlich sollte das über und unter der erzführenden Schicht liegende Gestein wasserundurchlässig sein. In der Regel kommen dafür nur Uranlagerstätten im Sandstein in Frage.[30]

Zum Abbau werden in einem Abstand von 20 bis 60 Meter Bohrungen in das Vorkommen abgeteuft. Über diese wird entweder das Lösungsmittel in den Boden injiziert oder aus diesem gepumpt. Für die Anordnung der Bohrungen stehen mehrere Möglichkeiten zur Verfügung. Das Wellfield kann entweder aus alternierenden Reihen von Pump- und Einfüllschächten bestehen, oder ringförmig angeordnet sein, mit einer Pumpstelle und drumherum liegenden Einfüllbohrungen. Alternativ ist auch ein Schachbrettmuster möglich.[30]

In Abhängigkeit von der Geologie wird das Lösungsmittel gewählt. Wenn der Erzkörper sehr viel Kalzium enthält, müssen basische Carbonate als Lösungsmittel gewählt werden. Ansonsten ist Schwefelsäure (H2SO4) das kostenwirksamste Laugungsmittel. Die Wasser-Lösungsmittel-Mischung wird dabei über die Einfüllschächte in den Boden gefüllt, und über die Pumpstationen wieder aus diesem gefördert. Dabei wird 1% mehr Flüssigkeit aus dem Boden gefördert als eingespritzt wurde, um eine Unterdruckzone zu schaffen, welche das umliegende Wasser im Gestein anzieht, sodass das Lösungsmittel nicht entweichen kann.[31]

Wird Schwefelsäure als Lösung gewählt, entspricht der Verarbeitungsprozess dem oben Beschriebenen. Nach dem Hochpumpen und Filtern wird die uranhaltige Flüssigkeit durch Ionentauscher oder Flüssig-Flüssig-Extraktion von den anderen Elementen getrennt, und zu Yellowcake verarbeitet.[30] Im Folgenden wird deshalb nur die In-Situ-Laugung mit Carbonaten beschrieben, welche in den Vereinigten Staaten ausschließlich eingesetzt wird.[31] Dabei wird dem Wasser Natriumhydrogencarbonat (NaHCO3), auch bekannt als „Club Soda“ oder „Kaiser Natron“, Natriumcarbonat (Na2CO3) oder ähnliche Carbonate zugesetzt. Die optimale Konzentration muss durch das Ausprobieren vor Ort gefunden werden.[29] Die wichtigsten chemischen Reaktionen im Untergrund sind dann:

UO3 + 3 NaCO3 + H2O → Na4[UO2(CO3)3] + 2 NaOH
2 Na4[UO2(CO3)3] + 6 NaOH → Na2U2O7 + 2 NaCO3 + 3 H2O
UO3 + Na2CO3 + 2 NaHCO3 → Na4[UO2(CO3)3] + H2O

Nach der Spülung des Erzkörpers mit Club Soda wird das Spülwasser gefiltert um Feststoffpartikel abzutrennen, und in Ionenaustauschanlagen weiterverarbeitet. Nur wenn das Grundwasser viele Ionen besitzt, welche mit dem Uranylkomplex um Ionentauschstellen kämpfen, also das Grundwasser sehr salzig ist, wird eine Flüssig-Flüssig-Extraktion gewählt. Dies ist beispielsweise in der Uranmine Honeymoon der Fall.[30] In den Ionentauschertanks wechselt das Uranion mit Chlorionen oder Hydrogencarbonaten seinen Platz. Zum Beispiel durch die Reaktionen:[32]

2 (R4N+)2CO3 + UO2(CO3)34- → (R4N+)4UO2(CO3)3 + 2 CO32-
4 (R4N+)Cl + 4 Na+ + UO2(CO3)3 4 → (R4N+)4UO2(CO3)3 + 4 NaCl

Das „R“ ist dabei das Grundgerüst des Polymers. Wie ersichtlich, ist das Uranylcarbonat auf der rechten Seite der Reaktionen am Polymer gebunden. Das uranarme Wasser das die Ionenaustauschanlagen verlässt wird mit Sauerstoff angereichert und zurück in den Boden gepumpt. Die Regeneration des Ionentauschers, und damit das Ausspühlen des Uranylcarbonats, findet mit einer starken Säure, einer Chlorlösung oder beidem statt. Das Yellowcake wird durch den Zusatz von Ammoniak (NH3), Wasserstoffperoxid (H2O2), Natriumhydroxid (NaOH) oder Magnesiumoxid (MgO) ausgefällt. Das Endprodukt enthält nach Trockung etwa 80% U3O8. Um den Wert auf 100% zu erhöhen, muss die Trockung bei hohen Temperaturen erfolgen.[30]

Der Lösungsbergbau ermöglicht es 60-80% des im Gestein enthaltenen Urans zu extrahieren, und somit etwas weniger als beim konventionellen Bergbau. Die einfachere Gewinnung macht diesen Nachteil wirtschaftlich wieder wett. Durch das als „Remote Ion Exchange (RIX)“ bezeichnete Verfahren kann auch das Ausbeuten kleinerer Uranvorkommen wirtschaftlich werden. Hier werden die Ionentauscher dezentraler Minen regeneriert, die uranhaltige Flüssigkeit getrocknet und per Lastwagen zu einer zentralen Stelle transportiert, an der das Ausfällen und Abpacken des Yellowcake stattfindet. Der Lösungsbergbau ist auch umweltfreundlicher, da kein Absetzbecken benötigt wird.[30]

Gewinnung aus Phosphaten

Phosphatmine im Senegal

Phosphate enthalten zwischen 30 und 300 ppm U3O8, und stellen nach Meerwasser die zweitgrößte Uranressource dar. Heute konzentrieren sich die Forschungen im Uranbergbau verstärkt auf die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Gewinnung aus Phosphaten, da der Lösungsbergbau zum Stand der Technik geworden ist.[33][34] Mineraldünger aus Phosphorit werden unabhängig von der Uranförderung für den Weltmarkt produziert. Eine Urangewinnung aus Phosphaten kann deshalb nur als nachgeschaltete Anlage einer Düngemittelfabrik realisiert werden. Diese verwendet in der Regel den Nassphosphorsäureprozess (engl. wet process phosphoric acid, WPA), welcher im Folgenden beschrieben wird. Dabei wird Calciumphosphat (Ca3(PO4)2) mit Wasser (bereits durch das Mahlen enthalten) und einer Säure versetzt. Als Säure kommen Salzsäure (HCl), Salpetersäure (HNO3) oder Schwefelsäure (H2SO4) in Frage, oder Mischungen davon. Schwefelsäure hat sich dabei aus wirtschaftlichen Gründen durchgesetzt. Die Reaktion lautet dann:[35]

Ca3(PO4)2 + 3 H2SO4 + 6 H2O → 2 H3PO4 + 3 CaSO4· 2 H2O

Das meiste Uran ist in der Phosphorsäure (H3PO4) konzentriert, der Gips (CaSO4· 2 H2O) wird abgetrennt. Im nächsten Schritt wird die Phosphorsäure von Feststoffen und organischen Bestandteilen gereinigt, um den Dreck zu reduzieren. Die Soße kann nun auf drei verschiedene Arten weiterverarbeitet werden, wobei verschiedene Substanzen zur Abtrennung von Uran verwendet werden:[35]

  • Octyl-Pyrophosphorsäure (OPPA), welche durch Mischung von Phosphorpentoxid und Octanol vor Ort gewonnen wird. Die Abtrennung erfolgt als Uran (IV) und (VI), hauptsächlich (IV). Der Prozess wurde um 1950 entwickelt.[33]
  • Eine Kombination aus Di-2-ethylhexylphosphorsäure (D2EHPA) und Trioctylphosphinoxid (TOPO), welche Uran (VI) abtrennen. Wurde in den späten 60ern entwickelt.[33]
  • Eine Mischung aus Mono- und Diphenyl-phosphorsäure (OPAP), welche Uran (IV) abtrennen. Wurde Mitte der 70er entwickelt.[33]

Im nächsten Schritt kommt eine Strippung zum Einsatz (dh manche Stoffe entweichen als Gas und werden somit abgetrennt), welche bei D2EHPA-TOPO und OPAP mit konzentrierter Phosphorsäure durchgeführt wird. Danach folgt eine Verdünnung und – wenn nötig – Oxidation der uranhaltigen Phosphorsäure, und eine weitere Flüssig-Flüssig-Extraktion mit einer schwach konzentrierten D2EHPA-TOPO-Mischung. Danach folgt die Strippung mit Carbonaten, entweder als Ausfällung mit Ammoniumcarbonat ((NH4)2CO3) oder als Lösung mit Natriumcarbonat (Na2CO3) zum Endprodukt Ammoniumuranylcarbonat (AUC) bzw Ammoniumdiuranat (ADU).[35]

Beim OPPA-Prozess muss vor der Flüssig-Flüssig-Extraktion Flusssäure (HF) hinzugegeben werden, um green salt (UF4 · 2 H2O) auszufällen, welches extrahiert wird. Das green salt wird in Salpetersäure aufgelöst, und nach Hinzugabe von Tributylphosphat (TBP) einer weiteren Flüssig-Flüssig-Extraktion unterzogen. Am Ende wird die Lösung mit Dihydrogenmonoxid (H2O) gestripped. Durch Gabe von Ammoniak (NH3) wird Ammoniumdiuranat (ADU) ausgefällt.[35]

Die Endprodukte wie AUC und ADU werden dann zu Yellowcake (U3O8) weiterverarbeitet. Durch diese Prozesse können etwa 80-96% des Urans aus dem Phosphatgestein gelöst werden. Die Kosten liegen bei etwa 140-160 $/lbs für OPAP, 60-70 $/lbs für OPPA und 40-50 $/lbs für D2EHPA-TOPO. Momentan wird versucht auch hier einen Ionenaustauschprozess zu implementieren, um die Betriebskosten auf 20-30 $/lbs zu drücken.[33][34]

Filterung von Meerwasser

Uran kommt im Meerwasser mit 3 ppb vor, unabhängig von Ort und Tiefe. Damit stellen die Weltmeere das mit Abstand größte Uranvorkommen dar. Die Entwicklung des Uranbergbaus aus Meerwasser läßt sich bis in die 60er Jahre zurückverfolgen, wird aber mangels Notwendigkeit nur aus akademischem Interesse vorangetrieben. Im Gegensatz zur Urangewinnung aus Phosphaten sind hier keine Unternehmen in die Forschung involviert. Bereits 1964 wurde festgestellt, das wasserhaltiges Titanoxid (HTO) das Uran im Wasser anzieht, welches als Uranylcarbonat (UO2(CO3)34-) vorliegt. Die ersten Experimente wurden in Japan von 1981 bis 1988 durchgeführt. Die Absorbtionsfähigkeit lag bei 0,1 Gramm Uran pro Kilogramm Absorbermaterial (0,1 gU/kg-ad). In diesem System war noch aktives Pumpen notwendig, um die Bewegung des Filtermediums zu verzögern und einen effektiven Kontakt zwischen Absorber und Meerwasser herzustellen. Um das Verfahren zu verbessern wurde ein neues Filtermedium auf Polymerbasis entwickelt. Die Herausforderung war hier die Fasern stark genug zu konstruieren, damit diese der Strömung standhalten können. Damit konnte auch der Energieaufwand für den Pumpvorgang entfallen. Die Lösung war schließlich folgender Prozess:[36]

  1. Faseriges Polyenthylen (PE) wird in einer Stickstoffatmosphäre mit 200 kGy mit einem Gamma- oder Elektronenstrahl bestrahlt. Dabei werden an manchen Stellen Wasserstoffatome aus dem Polymer gelöst.
  2. Die Fasern werden in eine Monomerlösung aus 50% Dimethylsulfoxid (C2H6OS), 35% Acrylnitril (C3H3N) und 15% Methacrylsäure (C4H6O2) getaucht, nachdem das Sauerstoffgas in der Lösung durch Stickstoff ersetzt wurde. Die Fäden bleiben für 4 Stunden bei 40°C in der Suppe. Dadurch bilden sich Ketten an den Leerstellen.
  3. Im nächsten Schritt reagieren die Fasern für 1-5 Stunden bei 80°C in einer 3%igen Hydroxylaminlösung (H3NO). Dadurch reagieren 95% der Cyanidgruppen der Polyacrylnitrile zu Amidoximen. Zusätzlich reagiert Methacrylsäure mit Acrylnitril.

Das Endprodukt fängt Metallionen der Alkalimetalle (Na, K) nur schlecht ein, Übergangsmetalle und Uran (Pb, Fe, Co, Ni, U, V) werden aber gut absorbiert. Von 1999 bis 2001 wurde damit ein Freilandversuch durchgeführt. Die gewobenen PE-Fasern wurden wie oben beschrieben behandelt und in perforierten Boxen übereinandergestapelt eingebaut. Die Boxen wurden in einer Meerestiefe von 20 m an Seilen aufgehängt, welche an einem Gestell befestigt waren, das auf dem Meeresgrund vor Mustu-Sekine in der Aomori-Präfektur verankert wurde. Die Boxen wurden anschließend mit Salzsäure (0,5 mol/l) ausgespühlt, um das Uran zu gewinnen. Damit konnten im Schnitt in 30 Tagen 0,5 gU/kg-ad gesammelt werden.[36]

Im nächsten Schritt wurde festgestellt, das ein Weglassen des Gestells und der Boxen die Kapitalkosten um 40% reduzieren würde. Dazu wurden die Absorberfasern, welche im Schnitt 10 cm lang waren, auf eine poröse Polyethylenwurst mit 2 cm Durchmesser befestigt, welche an einem Ende mit einem Anker versehen war. Die 60 Meter lange Plastikwurst steht dadurch senkrecht in Wasser wie Seegras, und bewegt sich geschmeidig mit der Strömung. Als Experimentierfeld wurden die Gewässer vor Okinawa gewählt, da das Wasser hier wärmer ist, was die Uranausbeute erhöht. Bei dem vor 2009 durchgeführten Experiment wurde die Plastikwurst ins Meer geworfen, und stellte sich auf dem Meeresgrund auf. Zum Ernten wurde der Anker drahtlos gekappt; die Plastikwurst trieb an die Oberfläche und konnte per Fischerboot geborgen werden. Damit konnten innerhalb von 30 Tagen 1,5 gU/kg-ad gesammelt werden, in 60 Tagen sind im Schnitt 2 gU/kg-ad möglich. An einem Spitzenmonat konnten sogar 4 gU/kg-ad geerntet werden.[36]

Die Kosten der Uranfilterung aus Meerwasser hängen hauptsächlich davon ab, wie oft die Plastikwurst wiederverwendet werden kann. Im Experiment konnten 8 Wiederholungen durchgeführt werden, was bei Massenanwendung zu geschätzten Kosten von 407 US-$/kgU führt. Bei 18 Zyklen sinken die Betriebskosten auf 318 US-$/kg U3O8.[36]

Wirtschaftlichkeit

Spotpreis für Uran, zum Vergrößern klicken

So wie uns die Sonne keine Rechnung schickt, ist auch das Uran der Supernovae kostenlos vorhanden. Leider ist die Nutzbarmachung mit einem gewissen Aufwand verbunden, sodass Uran nicht verschenkt werden kann. Die Förderkosten hängen von der Art des Abbaus und der Mine ab. Dabei wird zwischen CAPEX (CAPital EXpenditure), also den Investitionsausgaben eines Unternehmens für längerfristige Anlagegüter wie Maschinen oder Immobilien, und OPEX (OPerational EXpenditure), den Betriebskosten unterschieden. Für die verschiedenen Fördermethoden können folgende Kosten pro Kilogramm Yellowcake geschätzt werden:

  • Konventioneller Bergbau (USA): CAPEX 70-80 US-$/kgU pro Jahr, OPEX 20-80 US-$/kgU pro Jahr.[34]
  • Lösungsbergbau (Kasachstan): CAPEX gering, OPEX 10-40 US-$/kgU pro Jahr.[33]
  • Phosphatbergbau (USA): CAPEX 150-200 US-$/kgU pro Jahr, OPEX 50-70 US-$/KgU pro Jahr.[34]

Der Energieverbrauch ist im Preis enthalten, kann aber für den konventionellen Bergbau nicht genau abgegeben werden, da jede Mine anders fördert. Der Lösungsbergbau erfordert 19 kWh/kgU (16 kWh/kg U3O8) in Australien und etwa 33 kWh/kgU in Kasachstan.[30]

Da etwa von 1947 bis 1988 mehr Uran gefördert als verbraucht wurde, und nach dem Ende des Kalten Krieges durch die Verschrottung von Kernwaffen weiteres Spaltmaterial auf den Markt gebracht wurde, fiel der Uranpreis seit den 80er Jahren beständig auf knapp 40 US-$/kgU im Jahr 2003. Durch diesen Preissturz rutschten auch bekannte Uranminen wie Rössing in die Verlustzone, der Uranbergbau aus Phosphaten wurden weltweit vollständig eingestellt. Inzwischen hat sich der Uranpreis wieder erholt und bewegt sich nach einem Peak im Jahr 2007 seit 2008 bei etwa 110 US-$/kgU.

Der Uranpreis hat praktisch keinen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit der Kernenergienutzung: So hat der EPR bei einem Preis von € 37,34 pro Pfund Yellowcake (€ 82,42 pro kg) und einem Preis von € 104,12 für eine Urantrennarbeit Brennstoffkosten von € 0,31 ct/kWh. Selbst bei einem Anstieg des Uranpreises auf 400 US-$/kgU erhöhen sich die Brennstoffkosten nur auf € 0,76 ct/kWh.[37] Bei Endverbraucherpreisen von etwa € 20 ct/kWh ist dies nicht spürbar. Wenn noch Mischoxidbrennelemente (MOX) verwendet werden, fällt der Einfluss des Uranpreises noch geringer aus.

Gesundheitsrisiken

Old Rifle mit Absetzbecken 1952...
...und renaturiert im Jahr 2008

Aufbereitungsabgänge

Die Gesundheitsrisiken der Uranförderung liegen auf zwei Arten vor: Zum Einen durch die Absetzbecken der Uranerzaufbereitungsanlage, und zum Anderen durch Radongas und Staub beim Abbau untertage. Die Absetzbecken sind vor allem bei älteren Mühlen ein Problem, da hier das Wasser mit dem gemahlenen Abraum meinst nur in Gruben geschüttet wurde, welche vorher nicht abgedichtet wurden. Die Stoffe sickern dann in tiefere Erdschichten ab, wo sie das Grundwasser kontaminieren können. In der Aufbereitungsanlage Old Rifle, welche von Union Carbide von 1924 bis 1932 und von 1942 bis 1958 betrieben wurde, war dies zum Beispiel der Fall. Dort wurden Arsen, Molybden, Nitrate, Selen, Uran und Vanadium im Grundwasser gefunden, sodass die komplette Anlage zur grünen Wiese zurückgebaut werden musste. Dabei wurde eine „Disposal Cell“ geschaffen, um den Abraum fachgerecht zu entsorgen. Die Aufbereitungsabgänge wurden dort mit einer Drainage versehen und abgedeckt. Die Abdeckung kommt in der Regel bei stillgelegten Absetzbecken aller Art zum Einsatz und soll Erosion verhindern, nachdem das Wasser abgepumpt oder verdunstet ist.[38] Manche Betreiber verwenden die Tailings auch, um Gruben und Gänge wieder zuzuschütten.

Staub und Strahlung

In den Anfangstagen des Uranbergbaus war auch das Strahlenrisiko durch die Arbeiten in radonhaltiger Luft ein Problem, zusätzlich zur Staublunge. Die Quellen des Radons sind im Gestein in Spuren vorhandenes Uran und Thorium, die langsam zerfallen. In deren Zerfallsreihen wird das Radon gebildet. Dieses diffundiert dann aus den obersten Bodenschichten in die Atmosphäre, ins Grundwasser, in Keller, Rohrleitungen, Höhlen und Bergwerke. Radon aus tiefergelegenen Erdschichten erreicht nicht die Oberfläche, da es durch seine Halbwertszeit von 3,8 Tagen bereits auf dem Weg dorthin zerfällt. Das Zerfallsprodukt Polonium-218 (Halbwertszeit 3 min) ist ein immobiler Feststoff, der zu Blei oder Astat zerfällt.

Uranbergbau in der Nucla-Mine 1972

Als der Zusammenhang zwischen radioaktiver Strahlung, Staubbildung und Krebs erkannt wurde, wurden im Uranbergbau eine Reihe von Maßnahmen eingeführt, um die Gesundheitsrisiken zu senken. Dazu gehört das Versprühen von Wasser um die Staubbildung zu unterdrücken, eine forcierte Bewetterung um Radon und Staub abzusaugen, sowie eine zunehmene Automatisierung des Abbaus. Der Wissenschaftliche Ausschuss der Vereinten Nationen zur Untersuchung der Auswirkungen von Atomstrahlung (UNSCEAR) sammelt seit seiner Gründung Daten zur Strahlenbelastung von Minenarbeitern, welche auszugsweise in folgender Tabelle dargestellt sind. Die Kriterien wer als „messbar verstrahlt“ gilt sind dabei von der nationalen Gesetzgebung abhängig. Manche Länder wie die VR China senden auch gar keine Daten ein, die USA seit 1989 nicht mehr.

Strahlenbelastung von Hauern der SAG Wismut in WLM. Zum Vergleich die Tabelle in Millisievert pro Jahr.

Des Weiteren wurden auch Untersuchungen über die Wirkung von Radon durchgeführt und von der UNSCEAR dokumentiert, der neuste Bericht stammt von 2006. Neben der Bestimmung des Dosisfaktors von Radon wird auch geforscht, inwieweit der höhere Radongehalt des Untertagebergbaus das Lungenkrebsrisiko beeinflusst. Da Radon in jedes Bergwerk diffundiert, erstecken sich die Forschungen auf alle Arten des Untertagebergbaus. Dabei wurde auch die fiktive Einheit Working Level Month (WLM) eingeführt, was 6,4 × 105 Bq h m-3 entspricht. Die Ergebnisse sind allerdings diffus: Zwar konnten alle Untersuchungen ein höheres Krebsrisiko für Bergarbeiter feststellen, dies allerdings nicht durchgehend auf Radon zurückführen. Hauptgründe sind verschiedene Ergebnisse bei verschiedenen Studien, eine ungenaue (oder gar keine) Messung der Strahlenbelastung meist vor 1970 und ein rapides Fallen der Belastung in den letzten Jahrzehnten. So konnte eine Studie von 1995 bei den Uranbergarbeitern Ontario's ein erhöhtes Lungenkrebsrisiko nur bei Kumpeln mit Silikose feststellen, die anderen besaßen ein geringeres Risiko als die Durchschnittsbevölkerung. Eine andere kanadische Studie, welche Uranminen von 1969-1999 abdeckte, konnte zwar ein erhöhtes Lungenkrebsrisiko feststellen, dafür war die Wahrscheinlichkeit an einer anderen tödlichen Krankheit zu sterben aber unterdurchschnittlich. Alle in UNSCEAR 2006 aufgeführten Studien konnten nur bei älteren Daten eine deutliche Koinzidenz feststellen. Bei fast allen Studien konnte Rauchen als signifikanter Confounder ermittelt werden, welcher das Lungenkrebsrisiko etwa verdoppelte.[39]

Insgesamt ist die Zahl der Krebstoten im Uranbergbau, verglichen mit der Gesamtzahl der Beteiligten recht gering. Selbst unter den katastrophalen Bedingungen der SAG Wismut verkrebsten aus einer Kohorte von 59.001 Kumpeln 2.388 an einem Lungenkarzinom (4%, inklusive Confounder). Diese waren im Mittel 164 WLM ausgesetzt, wie eine Gruppe aus 11 Kohortenstudien mit 60.606 Teilnehmern, wovon 2.674 an Lungenkrebs erkrankten (4,4% inkl. Confounder). Raucherbereinigt ergab sich so ein zusätzliches relatives Risiko (engl. excess relative risk, ERR) von 0,1 pro 100 WLM.[39] Unter modernen Abbaubedingungen mit weniger als 10 WLM ist dieses Risiko nicht mehr messbar, falls es überhaupt existiert (s.o.).

Strahlenbelastung von Arbeitern in Uranminen (UNSCEAR 2008)[40]
Land Beobachtungszeitraum geförderte
Menge [kt U]
beobachtete
Personen [103]
davon messbar
verstrahlt [103]
Totale effektive
Dosis [manSv/a]
mittlere effektive Dosis,
beob. Pers. [mSv/a]
mittlere effektive Dosis,
verstrahlte [mSv/a]
Australien 2001 7,72 0,68 - 0,48 0,71 -
Kanada 2000-2002 11,92 1,71 0,96 1,41 0,83 1,48
Tschechien 2000-2002 0,49 0,5 0,497 3,84 7,72 7,72
Gabun 1991-1994 0,6 0,19 - 2,58 13,4 -
DDR 1975-1979 6,26 14,7 14,7 160 10,9 10,9
1980-1984 4,73 15,1 15,1 147 9,69 9,69
1984-1989 4,07 16,1 1,61 133 8,24 8,24
Russland 1990-1994 (2,84) 2,89 2,89 6,39 2,21 2,21
Südafrika 1985-1989 3,53 82,2 - 278 3,38 -
USA 1985-1989 2,27 0,77 0,62 2,68 3,46 4,33
Welt 2000-2002 34 12 10 22 1,9 2,3

Tabellen

Uranförderung nach Ländern

Das Endprodukt Yellowcake
Die 10 größten Uranförderländer, welche über 90% des Urans fördern

Die folgende Tabelle listet die Uranförderung in Tonnen nach Ländern auf. 2015 wurden 48% des Urans durch Lösungsbergbau gefördert, 46% untertage oder als Tagebau und 6% als Nebenprodukt.[41] Die Urangewinnung in Deutschland kommt durch die Sanierung der SAG Wismut zustande, hauptsächlich im Rahmen der Grubenwasserreinigung.

 Land 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015
 Kasachstan 6637 8521 14020 17803 19451 21317 22451 23127 23800
 Canada 9476 9000 10173 9783 9145 8999 9331 9134 13325
Australien 8611 8430 7982 5900 5983 6991 6350 5001 5654
 Niger 3153 3032 3243 4198 4351 4667 4518 4057 4116
 Russland 3413 3521 3564 3562 2993 2872 3135 2990 3055
 Namibia 2879 4366 4626 4496 3258 4495 4323 3255 2993
 Usbekistan (gesch.) 2320 2338 2429 2400 2500 2400 2400 2400 2385
 China (gesch.) 712 769 750 827 885 1500 1500 1500 1616
 USA 1654 1430 1453 1660 1537 1596 1792 1919 1256
Ukraine (gesch.) 846 800 840 850 890 960 922 926 1200
 Südafrika 539 655 563 583 582 465 531 573 393
 Indien (gesch.) 270 271 290 400 400 385 385 385 385
 Tschechien 306 263 258 254 229 228 215 193 155
 Rumänien (gesch.) 77 77 75 77 77 90 77 77 77
 Pakistan (gesch.) 45 45 50 45 45 45 45 45 45
 Brasilien (gesch.) 299 330 345 148 265 326 192 55 40
 Frankreich 4 5 8 7 6 3 5 3 2
 Deutschland 41 0 0 8 51 50 27 33 0
 Malawi     104 670 846 1101 1132 369 0
Welt gesamt 41,282 43,764 50,772 53,671 53,493 58,489 59,331 56,041 60,496
 Tonnen U3O8 48,683 51,611 59,875 63,295 63,084 68,976 69,969 66,089 71,343
 Prozent des Weltbedarfs 64% 68% 78% 78% 85% 86% 92% 85% 90%

Die größten Uranminen der Welt

Uranmine SOMAIR bei Arlit im Niger, der größte Urantagebau der Welt

Die folgende Tabelle listet die Uranförderung nach Minen auf. McArthur River ist dabei die mit Abstand größte Uranmine der Welt, und für ca. 12% der weltweiten Produktion verantwortlich. Das Uran wird hier untertage gewonnen. Olympic Dam in Australien ist die größte Mine, welche Uran als Nebenprodukt gewinnt. Arlit im Niger (SOMAIR) ist der größte Urantagebau der Welt, und Tortkuduk in Kasachstan die größte Mine, welche im Lösungsbergbau fördert. Zusammen fördern alle vier über 30% der Urans. Die ersten zehn Minen zusammen sind für über 50% der weltweiten Uranförderung verantwortlich.[41]

Nr. Mine Land Gesellschaft Förderung Produktion (tU) Anteil
 1 McArthur River Kanada Cameco Untertagebau 7354 12%
2 Cigar Lake Kanada Cameco Untertagebau 4345 7%
3 Tortkuduk Kasachstan Katco JV/Areva Lösungsbergbau 4109 7% 
4 Olympic Dam Australien BHP Billiton Untertagebau 3161 5%
5 SOMAIR Niger Areva Tagebau 2509 4%
6 Inkai Kasachstan Inkai JV/Cameco Lösungsbergbau 2234 4%
7 Budenovskoye 2 Kasachstan Karatau JV/Kazatomprom Uranium One Lösungsbergbau 2061 4%
8 South Inkai Kasachstan Betpak Dala JV/Uranium One Lösungsbergbau 2055 3%
9 Priargunsky Russland ARMZ Untertagebau 1977 3%
10 Langer Heinrich Namibia Paladin Tagebau 1937 3%
11 Central Mynkuduk Kasachstan Ken Dala JSC/ Kazatomprom Lösungsbergbau 1847 3%
12 Ranger Australien Rio Tinto Tagebau 1700 3%
13 Budenovskoye 1, 3 & 4 Kasachstan Akbastau JV/Kazatomprom Uranium One Lösungsbergbau 1642 3%
14 Rabbit Lake Kanada Cameco Untertagebau 1621 3%
15 COMINAK Niger Areva Untertagebau 1607 2%

Weblinks

Einzelnachweise

  1. „WAS IST WAS“ Band 24: Elektrizität, S. 33. ISBN 3-7886-0264-3, Copyright 1981.
  2. Spacedaily: Earliest Stage Of Planet Formation Dated
  3. WNA: The Cosmic Origins of Uranium
  4. Greenpeace: Reichweite der Uran-Vorräte der Welt, 2006
  5. a b Nuklearforum Schweiz: Gedanken zur Versorgungssicherheit beim Kernbrennstoff, Zusammenfassung des Referats von Prof. Horst-Michael Prasser, Leiter Labor für Kernenergiesysteme, ETH Zürich
  6. Deffeyes, K., MacGregor, I.: World Uranium resources Scientific American, Vol 242, No 1, January 1980, s. 66–76
  7. Herring, J.: Uranium and thorium resource assessment, Encyclopedia of Energy, Boston University, 2004, ISBN 0-12-176480-X
  8. Bernard L. Cohen: Breeder reactors: A renewable energy source, Department of Physics, University of Pittsburgh; Am. J. Phys. 51(1), Jan.1983
  9. FAZ: Uran ist ein begehrter Rohstoff geworden, 06.01.2006, abgerufen am 6. Juli 2013
  10. Colin MacDonald: Uranium: Sustainable Resource or Limit to Growth?, World Nuclear Association Annual Symposium 3-5. September 2003
  11. IAEA: UDEPO, abgerufen am 7. Juli 2013
  12. Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe: Energierohstoffe 2009, Uran
  13. Red Book – Uranium: Resources, Production and Demand
  14. IAEA: Nuclear Power Reactors in the World, 2011
  15. (2629950 GWh/24h)/(65 GWd * 0,35 * 0,1)
  16. (2629950 GWh/24h)/(950 GWd * 0,41)
  17. a b c d e f g h i j WNA: Geology of Uranium Deposits
  18. a b c d e f g h Nikolaus Arnold: Risiken der Fissions-Kernenergienutzung unter Berücksichtigung der verfügbaren Nuklearbrennstoffressourcen, Diplomarbeit Universität Wien
  19. a b c M. Hagen, R. Scheid, W. Runge, WISMUT GmbH, Chemnitz (Hrsg.): Chronik der Wismut. 1999 (CD-Rom)
  20. V. Ruzicka: Vein uranium deposits. In: Ore Geology Reviews 8, 1993, S. 247–276
  21. M. Cuney: The extreme diversity of uranium deposits. In: Miner Deposita 44, 2009, S. 3–9
  22. WNA: Uranium from Phosphates
  23. WNA: Naturally-Occurring Radioactive Materials (NORM)
  24. a b Mineralienatlas: Faulschlammlagerstätten - Schwarzschiefer und Erdölmuttergesteine, abgerufen am 15. August 2013
  25. Douglas H. Underhill: Analysis of uranium supply to 2050. In: International Atomic Energy Agency. Wien 2001
  26. Rio Tinto / Rössing: Mining uranium & the nuclear fuel cycle
  27. McARTHUR RIVER: Mining & Milling
  28. a b c IAEA BULLETIN, VOL. 23, No.2: Extracting uranium from its ores
  29. a b c d e IAEA-TECDOC-1239: Manual of acid in situ leach uranium mining technology
  30. a b c d e f g WNA: In Situ Leach (ISL) Mining of Uranium
  31. a b Uranium Producers of America: URANIUM IN SITU RECOVERY TECHNOLOGY
  32. WATER AND CARBONATE BALANCES IN AN ALKALINE URANIUM EXTRACTION CIRCUIT
  33. a b c d e f IAEA -Uranium from Unconventional Resources
  34. a b c d Uranium Equities: AUSTMINE AUG 2011
  35. a b c d IAEA-TECDOC-533: THE RECOVERY OF URANIUM FROM PHOSPHORIC ACID
  36. a b c d Japan Atomic Energy Agency: Current status of technology for collection of uranium from seawater, 2009 Abgerufen am 13. Oktober 2012
  37. Die World Nuclear Association (WNA) gibt die Kosten für Konversion mit $ 13 pro Kilogramm (€ 9,42) an, bezogen auf die Uranmasse. Die Kosten für die BE-Fertigung wird mit $ 240/kg (174 Euro/kg) angegeben. Für die Anreicherung vom Natururan mit 0,711% 235U-Anteil auf 4,9% sind 7 UTA notwendig, und somit 728,84 Euro. Die Uranmasse zur Konversion kann wie folgt bestimmt werden: Mit dem Uranium Enrichment Calculator kann für einen Feed Assay von 0,711%, einen Tail Assay von 0,3% und eine Anreicherung von 4,9% der Uranbedarf auf 11,12 t (Feed) bei 1 t Produkt errechnet werden. Da der Brennstoff als UO2 vorliegt muss über die Molmassen der Bedarf an U3O8 errechnet werden:
    Bei einem Preis von $ 400 pro kg Yellowcake (€ 323/kg) ergeben sich damit 3747 Euro pro Kilogramm Brennstoff. Der Urananteil von 11,6 kg U3O8 kann zu
    errechnet werden. Nun können endlich auch die Konversionskosten zu 92,50 Euro pro Kilogramm bestimmt werden. Am Ende werden alle Kosten addiert, und man erhält somit 92,50 Euro Konversion plus 956 Euro U3O8 plus 728,84 Euro für die Anreicherung und 174 Euro für die BE-Fertigung. Zusammen 4742 Euro pro Kilogramm Brennstoff. Bei einem Abbrand von 70 GWd/t ergeben sich bei € 4742 pro kg Brennstoff und 37% Prozesswirkungsgrad
    Brennstoffkosten.
  38. www.lm.doe.gov/Rifle/Fact_Sheet-rifle.pdf DOE: Rifle, Colorado, Processing Sites and Disposal Site
  39. a b UNSCEAR Report Annex E 2006
  40. www.unscear.org/docs/reports/2008/Workers.xls
  41. a b WNA: World Uranium Mining, Stand Juli 2016