Urananreicherung

In den letzten Wochen ist der Iran wieder in die Schlagzeilen gekommen, weil er an einer eigenen Atombombe arbeiten (soll?) und dafür Urananreicherung betreibt. Zeit mal was darüber zu schreiben. Zum einen mal, warum muss man Uran anreichern und was versteht man darunter?

Einige Atomkerne können durch Neutronen einer bestimmten Energie gespalten werden. Sie zerfallen in zwei Bruchstücke, 2-3 Neutronen und geben dabei sehr viel Energie (Im Bereich der Gammastrahlung ab). Das besondere ist dass mehr Neutronen freigesetzt werden als man zur Spaltung braucht. Treffen diese Neutronen auf weitere Atomkerne so können sie diese auch spalten. Die Zahl der gespaltenen Kerne erhöht sich schnell exponentiell. Treffen Neutronen auf andere Kerne die nicht gespalten werden können, so werden sie abgebremst oder regen andere Zerfallsarten an, die auch Energie freisetzen, jedoch lange nicht so viel wie die Kernspaltung.

Technisch kann man dies heute bei den Isotopen Uran-235 und Plutonium 239 einsetzen. Urans 235 ist dabei das einzige natürlich vorkommende Isotop. Dummer weise ist Uranerz ein Gemisch von 99.3 % Uran-238 und nur 0.7 % Uran 235. Diese geringe Menge reicht nicht für eine Kettenreaktion aus.

Bei einem Kernreaktor reichert man das Uran auf 3-5 % U-235 an, das reicht aus um bei einer sehr großen Uranmenge eine Kettenreaktion am Laufen zu erhalten, ohne das sie in einer Explosion endet (also eines der 2-3 Neutronen regt wieder einen Zerfall an). Bei Atombomben muss man das Uran viel stärker anreichern auf 80 5 U-235. Zum einen um möglichst viele Neutronen in die Reaktion zu bringen, zum anderen um die Masse des Urans zu verkleinern, dass man für eine solche Bombe braucht.

Den Prozess den Anteil von U-235 von 0.7 % auf einen höheren Wert zu bringen nennt man Anreicherung. Das ganze ist anders als es die Nachrichten darstellen keine Hochtechnologie. Dies wurde schon im Manhattan Programm im zweiten Weltkrieg gemacht. Der Entwurf und die alleinige Produktion eines Mikroprozessors, einer Lenkrate oder eines modernen Jagdflugzeuges sind wesentlich anspruchsvoller. Nur muss man diese Dinge nicht selbst entwickeln, sondern kann sie auf dem Weltmarkt kaufen.

Die Sache ist nur enorm aufwendig und damit kostenintensiv. Alle Methoden die man nutzt (es gibt mehrere, aber eingesetzt werden nur zwei) beruhen darauf, dass Uran-238 wie der Name sagt etwas schwerer als Uran-235 ist. Man nutzt also physikalische Effekte aus bei denen dieser Effekt zum Tragen kommt, wie die Beweglichkeit von Gasen oder die Dichte. Alle Verfahren verwenden das Uranhexafluorid, dass man leicht durch Erhitzen in ein Gas verwandeln kann. Es gibt kein verfahren mit dem man Uranerz oder Uranmetall trennen könnte.

Das erste ist die Diffusionsmethode. Uranhexfluoridgas durchströmt eine Membran. Da U-235 Atome etwas leichter als die U-238 Atome sind, sind sie beweglicher und das Gemisch jenseits der Membran ist reicher an U-235. Treibende Kraft kann ein Druckunterschied oder ein Erhitzen des Gases sein. Da der Dichteunterschied sehr gering ist, enthält die Fraktion hinter der Membran nur geringfügig mehr Uran-235 als das Ausgangsgas. Also nimmt man dieses als Ausgangsmaterial für eine weitere Stufe und das dort erhaltene Gas wiederum als Ausgangsmaterial für eine dritte Stufe… Um das Uran nur für den Betrieb eines Leichtwasserreaktors anzureichern muss man 1200 dieser Stufen hintereinander schalten – Für Kernwaffenfähiges Uran noch einige mehr. Pro Stufe erreicht man bei der Anlage „Eurodiff“ nur eine Anreicherung um den Faktor 1,00429. Das ganze ist sehr energieintensiv, etwa 4 % der Energie die man später aus dem Uran erhält braucht man nur für die Anreicherung.

Heute angewendet wird das Zentrifugenverfahren. In Gaszentriftugen wird das Uranhexfluoridgas mit 90000 U/min rotiert und durch die Zentrifugalkraft wandert das schwere U-238 reiche Gemisch nach außen und das leichte U-235 reiche bleibt in der Mitte. Durch Erhitzen und Kühlen erreicht man eine Umlaufströmung die diesen Prozess noch verstärkt. Dann kann man das leichte angereicherte Uran in der Mitte unten abziehen und das abgereicherte Uran findet man außen und oben. Jede Zentrifuge hat nur einen kleinen Umsatz und reichert nur leicht an. so verbindet man viele Zentrifugen zu größeren Einheiten. Die Anreicherung erfolgt durch Serienschaltung und der erhöhte Durchsatz durch Parallelschaltung. Das Verfahren ist wirtschaftlicher als das Gasdiffusionsverfahren und heute das am häufigsten eingesetzte. Man braucht nur 1/100 der Energie des Diffusionsverfahren. Jedoch braucht man dafür enorm viele Zentrifugen. Iran soll über 1000 verfügen, das würde nicht mal für das Uran für einen Kernreaktor reichen will aber die Zahl auf 50000 erhöhen.

Das Problem ist prinzipiell ein finanzielles: Der Aufwand für atomwaffenfähiges Uran ist enorm. Man versucht zu verhindern, dass Staaten wie der Iran nicht an die Zentrifugen herankommen (die man natürlich auch für andere Zwecke benutzen kann, nur braucht man da selten mehrere Tausend davon…). Viel einfacher ist es aus einem Atomreaktor Plutonium-239, das zweite wichtige Isotop abzuziehen. Man kann es leicht chemisch vom Uran trennen. Das Problem ist hier: Ein Kernreaktor der viel Pu-239 erzeugt unterscheidet sich von einem normalen in einigen Details. Das Pu-239 entsteht in einem Reaktor, allerdings gibt es ein Maximum nach etwa 6-12 Monaten, danach wird es selbst gespalten und liefert Energie, so dass die Menge dann laufend abnimmt. Normalerweise wird ein Reaktor 3 Jahre betrieben. Reaktoren für die Energiererzeugung produzieren sehr geringe Mengen davon Brutreaktoren dagegen recht hohe Mengen. Weiterhin kann man es aus dem Neptunium 237 gewinnen, dass man einer intensiven Neutronenstrahlung in einem Kernreaktor aussetzt. Dazu arbeitet man das Neptunium aus Brennstäben auf und setzt es als reines Neptunium erneut in den Reaktor.

Da ein Brutreaktor sich von einem normalen Reaktor unterscheidet fällt er leicht auf und kann leicht bei Kontrollen identifiziert werden. Jedoch ist sein Betrieb immer noch einfacher und preiswerter als die Urananreicherung und so bestehen bei den meisten Atommächten das Groß der Atomwaffen aus Plutonium. Warum machen dann viele Länder lieber die Urananreicherung? Nun sie ist technisch einfacher als ein Reaktorbau. Viel wichtiger aber: Man kann sie überall durchführen. Mann kann auch Anlagen verteilen auf mehrere Standorte, so das sie nicht auffallen oder unterirdisch (wie im Iran), so ist man auch sicherer vor einem Luftangriff. ein Reaktor ist dies nicht. Er muss an einem Fluss stehen um genügen Kühlwasser zu haben. Er ist ein leicht auszumachendes Ziel und seine Grundkonstruktion verrät schon seinen Zweck.