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164 KAPITEL 5. LASER FÜR DIE KERNENERGIE
5.4 ISOTOPENTRENNUNG
Die Erdkruste enthält ca. 1-5 ppm Uran und 3-20 ppm Thorium. Hauptsächlich kommt Uran
als U3O8 (Pechblende, niedrig-temperatur Phase), Uraninit(hoch-Temperatur Phase), Yellow
Cake(nach Bearbeitung)) oder KUO2VO4 (Carnotit) vor. Das abgebaute Gestein wird
6-12 h mit H2SO4 ausgelaugt und mittels Anionenaustauschersäule gereinigt. Nach Eluation
wird Fe(OH)3 ausgefällt und abgetrennt, danach (NH4)2U2O7 ausgefällt. Mittels HF erfolgt
die stufenweise Konversion (Hydrofluorierung) erst zu UF4, dann zu UF6. Dies ist das Ausgangsprodukt
der gängigen Anreicherungsverfahren. Das erste und wichtigste Verfahren ist
die Gasdiffusion. Hierbei wird das UF6 unter Druck durch eine poröse Membran gepreßt. Die
Gasmoleküle unterliegen der Brownschen Bewegung und bei gleicher Energie ist das leichtere
235 238 1
U-Molekül schneller als das U Gegenstück.(E = 2Mv2 = kT = const). Deshalb wandert
mehr 235U durch die Membran. Der Trennfaktor T F also das Verhältnis des 235U in der
angereicherten Fraktion gegenüber dem Ursprungsgemisch ist proportional der Wurzel des
Massenverhältnisses
�
238
T F ≈ = 1.0043 (5.26)
235
Für die Anreicherung von 0.7% auf 3% benötigt man etwa 1000 Trennschritte. Da nach jeder
Stufe das Gas neu verdichtet werden muß, ergibt dies einen Energieaufwand von ca.
2400 kWh/kg Uran (also den halben Jahres-Stromverbrauch eines 2-Personenhaushaltes oder
ca. 250 EUR ). Auch das 95% angereicherte Uran der Hiroshima Bombe wurde nach diesem
Verfahren gewonnen. Ein neueres Verfahren ist die Gaszentrifugation. Ein Molekül der
Masse M in einer Zentrifuge der Kreisfrequenz ω erfährt die Zentrifugalkraft FZ = Mω 2r. Schwerere Moleküle werden also stärker nach außen gedrängt als leichte, d.h. es baut sich ein
Druckgradient auf:
� � 2 Mω r
p(r) = p0 exp
(5.27)
nkt
Speist man das Ausgangsgemisch im Zentrum (r=0) ein und entnimmt die angereicherte
Fraktion bei etwas größerem Abstand r, die abgereicherte am äußeren Rand der Zentrifuge,
so erhält man für r = 6.5 cm und ω = 7000 s −1 einen Trennfaktor von T F = 1.16. Bei diesem
Verfahren muß die Trennung weniger häufig wiederholt werden und außerdem muß zwischen
zwei Schritten keine erneute Kompression erfolgen. Entsprechend sind für eine Anreicherung
von 0.7% auf 3% nur etwa 10 Trennschritte und 200 kWh/kg Uran nötig. Nahe verwandt
ist das im Forschungszentrum Karlsruhe entwickelte Trenndüsenverfahren. Hier erfahren Moleküle
verschiedener Masse eine unterschiedliche Ablenkung in einem gekrümmten Gasstrom
und können durch eine Abschälkante separiert werden. Man arbeitet mit einem Gasgemisch
aus 95 Mol% Helium und 5 Mol% UF6. Erreichbare Trennfaktoren liegen bei T F ∼ 1.01.
Einen grundsätzlich anderen Weg gehen Laserverfahren, bei denen in einer oder wenigen
Stufen mit sehr hohen Trennfaktoren Molekül für Molekül separiert werden. Zum einen ist