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Von Uran zum Brennelement Ein Vortrag im Rahmen des AC V Hauptseminars Von Helen Grüninger 15.01.2013 Universität Bayreuth WS 2012/2013 Vom Element zum.

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Präsentation zum Thema: "Von Uran zum Brennelement Ein Vortrag im Rahmen des AC V Hauptseminars Von Helen Grüninger 15.01.2013 Universität Bayreuth WS 2012/2013 Vom Element zum."—  Präsentation transkript:

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

2 1.Uran in der Natur 2.Uranlagerstättenbildung 3.Uranaufarbeitung zu Urandioxid 4.Anreicherung des spaltbaren Isotops 235 U 5.Die Kernspaltung im Brennelement 6.Das Brennelement im Kernkraftwerk 7.Wiederaufarbeitung Gliederung

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: 235 U ca. 0,72 % ; 238 U 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 UO 2 2+ löslich im Wässrigen => Lösungsvorgänge unter oxidierenden Bedingungen => Anreicherung in der Lösung => Mobilität U 4+ schwerlöslich im Wässrigen => Ausfällen von Uranmineralen unter reduzierenden Bedingungen => lokal red. Bed. => Uranlagerstätte Oxidation: (ox. Bed.: O-reich) U 4+ + 6 H 2 OUO 2 2+ + 2 e - + 4 H 3 O + Reduktion (red. Bed.: O-arm) UO 2 2+ + 2 e - + 4 H 3 O + U 4+ + 6 H 2 O U 4+ fällt bspw. als UO 2 aus! Quelle: Hollemann-Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, 2007, Walter de Gruyter & Co, Berlin, S. 1946-1963

5 Wichtige Uranminerale Uraninit UO 2, das Sauerstoff etwa bis zu einem Verhältnis U 3 O 8 aufnehmen kann Außerdem noch Mischoxide und Silicate, vorwiegend mit U 4+ z. B. das Silicat Coffinit U(SiO 4 ) 1–x (OH) 4x 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 CaF 2 -Typ (Uraninit)

6 Uranaufarbeitung: Gewinnung von Urandioxid Abgebaute Uranerze mahlen und rösten Abtrennung des Urans als UO 2 von anderen Erzbestandteilen: 1. Saurer oder basischer Aufschluss: UO 3 + 3 H 2 SO 4 + 3 H 2 O 4 H 3 O + + [UO 2 (SO 4 ) 3 ] 4- UO 3 + 3 Na 2 CO 3 + 3 NaHCO 3 4 Na + + [UO 2 (CO 3 ) 3 ] 4- + H 2 O 2. Elution der Komplexe aus den uranhaltigen Lösungen 3. Ausfällen des Urans aus den Eluaten zu einem Polyuranatgemisch mit hauptsächlich (NH 4 ) 2 U 2 O 7 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 [UO 2 (SO 4 ) 3 ] 4- + 6 NH 3 + 3 H 2 O(NH 4 ) 2 U 2 O 7 + 2 (NH 4 ) 2 SO 4 + 4 SO 4 2- 2 [UO 2 (CO 3 ) 3 ] 4- + 6 NaOHNa 2 U 2 O 7 + 2 Na 2 CO 3 + 4 CO 3 2- + 3 H 2 O 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 UO 2 (NO 3 ) 2 5. Zugabe von Tri-n-butyl-phosphat in Kerosin => Komplexbildung [UO 2 (NO 3 ) 2 (TBP) 2 ] => Anreicherung in der organischen Phase 6. Extraktion und Eindampfen der organischen Phase => reines UO 2 (NO 3 ) 2 7. Erhitzen auf 300 °C => Abtrennung von Stickoxiden => UO 3 8. Reduktion mit H 2 (T= 700°C) => UO 2 - 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 UO 2 zu UF 6 UO 2 UF 4 UF 6 2. Physikalische Verfahren zur Anreicherung des 235 U-Isotops: - Gasdiffusionsverfahren - Gaszentrifugenverfahren + 4 HF - 2 H 2 O + F 2 Quelle: http://www.kernfragen.de/kernfragen/lexikon/g/gaszentrifugenverfahren.php, Stand 30.11.2012

10 Gaszentrifugenverfahren -Nutzung der Zentrifugalkraft: Anreicherung des schweren 238 U 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 % 235 Urangehalt Abbildung: http://www.kernfragen.de/kernfragen/lexikon/g/gaszentrifugenverfahren.php, Stand 30.11.2012

11 Urananreicherung 1. Konversion des reinen UO 2 zu UF 6 UO 2 UF 4 UF 6 2. Physikalische Verfahren zur Anreicherung des 235 U-Isotops: - Gasdiffusionsverfahren - Gaszentrifugenverfahren 3. Konversion des angereicherten UF 6 mit wässrigem Ammoniak UF 6 + 2 NH 3 + 7 H 2 O U 2 O 7 (NH 4 ) 2 + 12 HF 4. Aufarbeitung zu UO 2 -Pellets + 4 HF - 2 H 2 O + F 2 Quelle: http://www.kernfragen.de/kernfragen/lexikon/g/gaszentrifugenverfahren.php, Stand 30.11.2012

12 Kernspaltung im Brennelement Spaltung von 235 U 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 Warum 235 Uran anreichern? Thermische Neutronen Ca. 0.025 eV Bevorzugt Spaltung von 235 U 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 238 U 238 U + n 239 U Absorption der bei der Spaltung gebildeten Neutronen Abbruch der Kernkettenreaktion Aber Brutprozess: 239 U 239 Np 239 Pu Quelle: Hollemann-Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, 2007, Walter de Gruyter & Co, Berlin, S. 1922-1926 β-β- β-β-

14 Das Brennelement im Kernkraftwerk Siedewasserreaktoren: UO 2 -Pellets aus angereichertem Uran (2-4% 235 U) in Brennstäben aus Edelstahl Bündelung einiger dünner Brennstäbe zu einem Brennelement Moderator: Wasser Zündung der Kernspaltung durch Neutronenquellen, z. B. 252 Cf Hochtemperaturreaktoren: Graphitkugeln mit Brenn- und Brutstoffkügelchen, die mit Kohlenstoff überzogen werden (coated particles) Moderator: Graphit Anreicherung: ca. 1% 235 U, 99% 238 U 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: [UO 2 (NO 3 ) 2 (TBP) 2 ] und [Pu(NO 3 ) 4 (TBP) 2 ] =>lösen sich in der organischen Phase Aufarbeitungsprozess =>Herstellung neuer Brennelemente aus Plutonium- und Uranoxiden MO x – 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 (U 4+ /U 6+ ) Uranaufbereitungsverfahren Anreicherung des Isotops 235 U mittels Gaszentrifugenverfahren Brennelemente im KKW Kernspaltungsprozesse Wiederaufarbeitung: Purex-Prozess Abbildung: http://www.zw- jena.de/kkimages/brennstoffkreislauf.png, Stand: 09.12.2012


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