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Urankonversion

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Die Urankonversion beschreibt die Umwandlung von Yellowcake über die Zwischenprodukte Uranylnitrat, Urantrioxid und Urandioxid zu Uranhexafluorid (HEX) und stellt damit den zweiten Schritt im gängigen Uran-Brennstoffkreislauf dar. Obwohl dieser Prozess für die Urananreicherung essenziell ist – alle heute verwendeten Anreicherungverfahren arbeiten mit HEX – wird die Konversion räumlich getrennt in speziellen Anlagen durchgeführt. Die bei der Anreicherung anfallenden Tails aus abgereichtem Uranhexafluorid werden in Dekonversionsanlagen zu Uraninit reagiert, welches besser in Zwischenlagern lagerbar ist.

Konversionsverfahren

Yellowcake in Uranhexafluorid

Wenn das Yellowcake aus den Aufbereitungsanlagen der Uranförderung kommt, besteht es aus einer Konzentration von verschiedenen Uranerzen (engl. uranium ore concentrates, UOC). Für die Weiterverarbeitung ist erst eine Reinigung notwendig, um Urantrioxid (UO3) oder Urandioxid (UO2) zu produzieren. Dazu werden die UOC in Salpetersäure (HNO3) gelöst und erhitzt, wodurch sich Uranylnitrat in Wasser bildet (UO2(NO3)2 • 6 H2O). Grober Dreck wird nun mittels Schleudertrommeln entfernt, und die gereinigte Flüssigkeit in Becken gepumpt. In den Behältern findet eine Flüssig-Flüssig-Extraktion statt, wobei Tributylphosphat (TBP) zugegeben wird, welches in Dodecan oder Kerosin gelöst wurde. Das Uranylnitrat bindet sich hier an die organische Phase und wird in der oberen Schicht abgesaugt, der Bodensatz wird einer Nachbehandlung unterzogen. Die Uranylnitrat-Lösung wird nun mit verdünnter Salpetersäure gemischt, und im nächsten Behälter einer weiteren Flüssig-Flüssig-Extraktion unterzogen. Hier besteht die oberste Schicht aus TBP mit seinen Lösungsmitteln, welche abgesaugt und zurück in das erste Extraktionsbecken rezykliert wird. Die unterste Schicht enthält nun gereinigtes Uranylnitrat in Wasser, welches im Englischen als Uranyl Nitrate Liquor (UNL) bezeichnet wird.[1]

Phasendiagramm von Uranhexafluorid. Bei 0,1 bar im Transportbehälter wechselt HEX zwischen Fest- und Gasphase, je nach Außentemperatur.

Im nächsten Schritt wird das giftgrün leuchtende Uranylnitrat in Uranoxide umgewandelt. Dafür stehen drei verschiedene Prozesse zur Auswahl, um die Denitrierung durchzuführen:[1]

  • Thermal Denitration process (TDN): Die einfachste Variante, da UNL unter Zuführung von Luft und Hitze so stark erwärmt wird, dass das Wasser verdampft und Uranylnitrat zu Urantrioxid reagiert. Die Restgase werden über einen Schornstein abgegeben.
  • Ammonium Diuranate process (ADU): Hier wird UNL mit Ammoniak (NH3) vermischt, um Ammoniumdiuranat (ADU) auszufällen. Das Endprodukt wird gefiltert und bei 250-350°C kalziniert, um UO3 zu gewinnen.
  • Ammonium Uranyl Carbonate process (AUC): UNL wird mit Ammoniumhydrogencarbonat (NH4HCO3) behandelt um Ammoniumuranylcarbonate (AUC) als Feststoff auszufällen. Dieser wird von der Lösung getrennt, mit Methanol (CH4O) getrocknet und zu Urantrioxid kalziniert.

Nun beginnt die eigentliche Konversion. Zuerst muss das Urantrioxid zu Urandioxid reduziert werden. Dazu wird Ammoniak in einem Ammoniakspalter gecrackt um Wasserstoff zu produzieren, oder gleich Wasserstoffgas verwendet. Das Urantrioxid wird nun in einen Wirbelschicht- oder Wanderschichtreaktor, oder einen Drehrohrofen gegeben, um zusammen mit Wasserstoff, welches im Gegenstromverfahren eingeblasen wird, zu Urandioxid (UO2) und Wasser zu reagieren. Im nächsten Schritt wird in einem Ofen Flusssäure (HFaq, Naßprozess) bzw Fluorwasserstoff (HF, Trockenprozess) zugegeben, um Urandioxid zu Urantetrafluorid (UF4) reagieren zu lassen. Beim Naßprozess entsteht noch etwas Kalziumfluorid (CaF2), da die überschüssige Flusssäure mit dem Calciumhydroxid (Ca(OH)2) reagiert, welches sich aus dem Kalk der Ofenwand bildet. Im Trockenprozess bildet sich noch verdünnte Flusssäure (DHF), welche einen sehr geringen Uraninhalt hat und in der chemischen Industrie weiterverwendet wird.[1]

Das Urantetrafluorid wird nun mit Kalziumfluorid gemischt, und in Flame-Tower- oder Wirbelbettreaktoren gegeben. Hier wird Fluor (F2) und Stickstoff (N2) hinzugegeben, um Uranhexafluorid (UF6, HEX) zu produzieren. Das Abgas enthält nun UF6, F2, HF und Teilchen von CaF2. Es wird gefiltert um Kalziumfluorid zurückzuhalten, HEX wird schließlich mit Unterdruck in Transportbehälter gepumpt. Die Restgase werden mit Kaliumhydroxid (KOH) behandelt, um das Fluor herauszufiltern. Das Kaliumhydroxid wird durch Reaktion mit Kalzium (Ca) regeneriert, sodass am Ende nur Kalziumfluorid (CaF2) mit Uranresten als Abfall anfällt. Dieses Material wird zwischengelagert, um den Tochternukliden Th-234 (HWZ: 24,1 Tage) und Pa-234m (HWZ: 1,1 min) des U-238 den Zerfall zu ermöglichen. Das restliche Uran wird dann durch Salpetersäure und eine Flüssig-Flüssig-Extraktion als UNL gewonnen. Übrig bleibt Kalziumfluorid als nicht-radioaktiver Abfall.

Ein besagter Transportbehälter

Die Transportbehälter müssen den Normen ANSI N14.1 oder ISO 7195 entsprechen.[2] Gebräuchlich sind vor allem Stahltanks der Typen 48 F oder 48 Y. Sie haben einen Durchmesser von 48 Zoll (ca. 1,22 m)[3], eine Wandstärke von 16 mm und fassen bis zu 12,5 Tonnen HEX, welches mit Unterdruck (1/10 des normalen Luftdrucks) darin gelagert wird.[4][5]

Uranhexafluorid in Uraninit

Die oben beschriebenen Transportbehälter sind, wie der Name schon sagt, für den Transport und nicht zur Zwischenlagerung gebaut worden. Da die aktuellen Kernkraftwerke auf angereichertes Uran angewiesen sind, fallen große Mengen abgereichertes UF6 bei der Urananreicherung an, welche sicher zwischengelagert werden müssen, um später durch Brutreaktoren zum Kernbrennstoff 239Pu veredelt zu werden. Aus diesem Grund existieren Dekonversionsanlagen, welche Uranhexafluorid in Uraninit (U3O8) zurückverwandeln, um dieses in die Zwischenlagerung überführen zu können. Die Transportbehälter werden danach gewaschen, und zurück an die Anreicherungs- oder Konversionsanlagen geschickt.[6]

Das Verfahren ist recht simpel: HEX wird mit Hilfe von Wasserdampf in Autoklaven vaporisiert, wodurch Uranylfluorid (UO2F2) und Fluorwasserstoff (HF) entsteht. Im nächsten Schritt wird Wasserstoff bei 700°C hinzugegeben, um U3O8-Pulver und weiteren Fluorwasserstoff zu bekommen:[7]

UF6 + 2 H2O → UO2F2 + 4 HF
UO2F2 + 2 H2O + H2 → U3O8 + 6 HF

Das Pulver wird kompaktiert, in 10-Tonnen-Container gefüllt und in die Zwischenlagerung überführt. Der Fluorwasserstoff wird gereinigt und verkauft. Die amerikanische Firma International Isotopes (INIS) verwendet in Idaho Falls (Idaho) ein leicht geändertes Verfahren namens Fluorine Extraction Process (FEP), welches dort mit ca. 5 t/yr getestet wird. Dabei wird Wasserstoffgas bereits im ersten Prozessschritt hinzugefügt, um UO2 und UF4 zu erzeugen. Das Urantetrafluorid wird zum Großteil verkauft, eine geringe Menge wird aber mit Metalloxiden reagiert, um mit Siliziumtetrafluorid (SiF4), Germaniumtetrafluorid (GeF4) und Bortrifluorid (BF3) weitere Chemikalien verkaufen zu können.[7][8] Die Bau- und Betriebsgenehmigung für eine weitere, große Anlage in Lea County (New Mexico) wurde am 3. Oktober 2012 von der NRC erteilt.[9]

Konversionsanlagen

Lagerfläche für UF6-Transportbehälter mit abgereichertem Uran

Für Uranhexafluorid

Hinweis: Nicht jede der Anlagen fängt mit Yellowcake an. Pierrelatte verwendet beispielsweise Urantetrafluorid, welches in Malvesi aus Yellowcake produziert wurde.
Land Ort Firma Prozess Kapazität (tU/yr)
Kanada Port Hope Cameco Naßprozess 12.500
Großbritannien Springfields 6.000
Russland Angarsk JSC Enrichment & Conversion1 20.000
Ekaterinburg 4.000
Frankreich Pierrelatte Comurhex2 14.500
15.000 (ab 2012)
USA Metropolis Converdyn Trockenprozess 15.000
China Lanzhou CNNC Naßprozess 3.000
Brasilien São Paulo CMTSP 40 (ab 2013)
Argentinien Pilcaniyeu CNEA 62
Summe 76.090 (Stand 2009)

1 Atomenergoprom
2 Areva

Für Uraninit und FEP

Land Ort Firma Prozess Kapazität (t/yr)
Frankreich Tricastin Areva NC Uraninit 20.000
Russland Selenogorsk Electrochemical Plant (ECP)1 10.000
USA Portsmouth Uranium Disposition Services (UDS) 13.500
Paducah 18.000
Lea County International Isotopes (INIS) FEP 6.500 (im Bau)
Großbritannien Capenhurst Urenco ChemPlants Uraninit 7.000 (ab 2015)
Summe (Stand 2010) ca. 60.000

1 Atomenergoprom

Weblinks

Einzelnachweise