Abgereichertes Uranhexafluorid



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Abgereicherten Uranhexafluorid ( DUHF ; auch bezeichnet als abgereichertes Uran tails , abgereichertes Uran Tailings oder DUF 6 ) ist ein Nebenprodukt der Verarbeitung von Uranhexafluorid in angereichertes Uran . Es ist eine der chemischen Formen von abgereichertem Uran (bis zu 73-75%), zusammen mit abgereichertem Triuranoctoxid (bis zu 25%) und abgereichertem Uranmetall (bis zu 2%). DUHF ist 1,7-mal weniger radioaktiv als Uranhexafluorid und Natururan .

Geschichte

Das Konzept des abgereicherten und angereicherten Urans entstand fast 150 Jahre nach der Entdeckung des Urans durch Martin Klaproth im Jahr 1789. 1938 hatten die beiden deutschen Physiker Otto Hahn und Fritz Strassmann die Spaltung des Atomkerns des 235 U- Isotops entdeckt. die von Lise Meitner , Otto Robert Frisch und parallel dazu Gottfried von Droste und Siegfried Flügge theoretisch untermauert wurde . Diese Entdeckung markierte den Beginn der friedlichen und militärischen Nutzung der intraatomaren Energie des Urans. Ein Jahr später bewiesen Yulii Khariton und Yakov Zeldovich als erste theoretisch, dass es mit einer unbedeutenden Anreicherung des Natururans im 235 U-Isotop möglich ist, dem Prozess einen Kettencharakter zu verleihen und damit die notwendigen Voraussetzungen für die kontinuierliche Spaltung von Atom Kerne. Das Prinzip einer nuklearen Kettenreaktion besagt, dass mindestens ein Neutron beim Zerfall eines Atoms des Isotops 235 U von einem anderen Atom 235 U eingefangen wird und dementsprechend auch dessen Zerfall verursacht. Dabei spielt die Wahrscheinlichkeit einer solchen Erfassung eine wesentliche Rolle. Um diese Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, ist eine fraktionelle Erhöhung des 235 U-Isotops erforderlich, das in natürlichem Uran nur 0,72% ausmacht, zusammen mit dem primären 238 U , das 99,27 % bzw. 234 U 0,0055% ausmacht. Ein kleiner Bruchteil des Isotopengehalts von 235 U in Natururan erforderte bei der Verwendung als primäres Spaltmaterial in den meisten Bereichen der Nukleartechnologie eine Anreicherung von Natururan in diesem Isotop.

Im Laufe der Zeit wurden im Zuge der Verbesserung der Kerntechnologien optimale technologische und wirtschaftliche Lösungen identifiziert, die eine Erhöhung der 235- U-Fraktion, dh eine Urananreicherung und als Folge dieser Prozesse das Auftreten einer äquivalenten Menge an abgereichertem Uran mit einem 235 U-Isotopengehalt von weniger als 0,72 %. Der Gehalt an 235 U in dem bei der Anreicherung gebildeten abgereicherten Uran hängt vom Zweck der Anreicherung ab.

Wettbewerb

Mitte der 1960er Jahre hatten die Vereinigten Staaten ein Monopol auf die Lieferung von Uranbrennstoff für westliche Kernkraftwerke . 1968 erklärte sich die UdSSR bereit, Aufträge zur Urananreicherung anzunehmen. Infolgedessen begann sich auf der Welt ein neuer Wettbewerbsmarkt zu bilden und neue kommerzielle Anreicherungsunternehmen entstanden ( URENCO und Eurodif ). 1971 wurde der erste sowjetische Vertrag mit der französischen Kommission für alternative Energien und Atomenergie unterzeichnet , in der Atomkraftwerke aktiv gebaut wurden. 1973 wurden etwa 10 langfristige Verträge mit Energieversorgern aus Italien , Deutschland , Großbritannien , Spanien , Schweden , Finnland , Belgien und der Schweiz abgeschlossen . Bis 2017 waren in Frankreich , Deutschland, den Niederlanden , Großbritannien, den USA, Russland und China große kommerzielle Anreicherungsanlagen in Betrieb . Die Entwicklung des Anreicherungsmarktes hat in dieser Zeit weltweit zur Anhäufung von über 2 Millionen Tonnen DUHF geführt.

Terminologie

Seit der Entdeckung des Urans und seiner Eigenschaften sind einige Begriffe wie Q-Metall, Depletalloy oder D-38 obsolet und wurden durch neue Begriffe ersetzt. DUHF kann als abgereichertes Uran (DU) bezeichnet werden und ebenso wird abgereichertes Uran manchmal als Uranhexafluorid ( U F 6 ) bezeichnet. Alle drei Begriffe unterscheiden sich jedoch nicht nur in ihrer Isotopenzusammensetzung (d. h. DUHF ist ein Produkt des verarbeiteten Uranhexafluorids), sondern auch im Verständnis des Ganzen und der Bestandteile. Abgereichertes Uran kann als Gesamtkonzept in mehreren chemischen Formen vorliegen; in Form von DUHF, der gebräuchlichsten Form, mit einer Dichte von 5,09 g/cm³, in Form von abgereichertem Triuranoctoxid mit einer Dichte von 8,38 g/cm³ und in Form von abgereichertem Uranmetall mit einer Dichte von 19,01 g /cm³.

Physikalische Eigenschaften

Der Hauptunterschied zwischen Uranhexafluorid und DUHF sind neben der Isotopenzusammensetzung die Unterschiede in ihrer Herkunft sowie ihrem weiteren Zweck und ihrer Anwendung. Uranhexafluorid ist ein Zwischenprodukt, das künstlich durch Fluorierung von Urantetrafluorid mit Fluor in den Mengen hergestellt wird, die zur Herstellung von angereichertem Uran erforderlich sind. Während DUHF ein Restprodukt der Umwandlung von Uranhexafluorid in angereichertes Uran ist. Am Ende des 235 U-Anreicherungsprozesses wird das ursprüngliche Uranhexafluorid mit seiner natürlichen Isotopenzusammensetzung (aufgrund des natürlichen Uranisotopenverhältnisses) in zwei weitere Produkte umgewandelt (mit neuen Isotopenverhältnissen von 235 U, 238 U und 234 U ) - angereichertes Uran und DUHF.

Aufgrund der gleichen chemischen Eigenschaften verschiedener Uranisotope sind die chemischen und physikalischen Eigenschaften von abgereichertem Uranhexafluorid und natürlich vorkommenden Uranhexafluorid-Stoffen sowie angereichertem Uran bis auf den Grad der Radioaktivität identisch. Abgereichertes Uranhexafluorid als primäre Form von abgereichertem Uran kann in andere Formen von DU mit einer anderen Dichte umgewandelt werden. Unter Standardbedingungen erscheint DU als transparente oder hellgraue Kristalle mit einer Dichte von 5,09 g/cm3. Bei Temperaturen unter 64,1 °C und einem Druck von 1,5 atm geht das feste DUHF in eine gasförmige Form über und umgeht die flüssige Phase. Die kritische Temperatur von DUHF beträgt 230,2 °C und der kritische Druck beträgt 4,61 MPa .

Radioaktivität

Die Radioaktivität von DUHF wird durch die Isotopenzusammensetzung des Urans und das Verhältnis seiner Isotope ( 234 U, 235 U und 238 U) bestimmt, da das Fluor in der Verbindung nur ein stabiles Isotop hat , 19 F . Die radioaktive Zerfallsrate von natürlichem Uranhexafluorid (mit 0,72% von 235 U) beträgt 1,7×104 Bq /g und wird von 238 U und 234 U Isotopen zu 97% bestimmt.

Eigenschaften und Beitrag zur Radioaktivität von natürlichem Uran seiner Isotope
Uranisotop Massenanteil in Natururan Halbwertszeit , Jahre Aktivität von 1 mg reinem Isotop Beitrag zur Aktivität von Natururan
238 U 99,27% 4,51×10 9 12,4 Bq 48,8%
235 U 0,72% 7,04×10 8 80 Bq 2,4%
234 U 0,0055% 2,45×10 5 231000 Bq 48,8%

Wenn Uran angereichert wird , erhöht sich der Gehalt an leichten Isotopen, 234 U und 235 U. Obwohl 234 U* trotz seines viel geringeren Massenanteils mehr zur Aktivität beiträgt, ist das Zielisotop für die Nutzung in der Nuklearindustrie 235 U. Daher wird der Grad der Urananreicherung oder -abreicherung durch den Gehalt von 235 U bestimmt 235 U-Gehalt unter dem natürlichen Wert von 0,72 % kann die Aktivität des DUHF deutlich niedriger sein als die von natürlichem Uranhexafluorid.

Radioaktive Zerfallsraten von natürlichem und abgereichertem Uranhexafluorid in Abhängigkeit von der Anreicherung
Art von Uranhexafluorid Grad von 235 U Inhalt Radioaktive Zerfallsrate, Bq/g Aktivität in Bezug auf natürliches Uranhexafluorid
Natürlich

(mit natürlicher Zusammensetzung von Uranisotopen)

0,72% 1,7×10 4 100%
Erschöpft 0,45% 1,2×10 4 70%
0,2% 5,3×10 3 32%
0,1% 2,7×10 3 16%

*Die Werte der radioaktiven Zerfallsrate beinhalten die Aktivität von 234 U, die im Anreicherungsprozess konzentriert wird, und beinhalten nicht den Beitrag von Tochterprodukten.

Produktion

Schwach angereichertes Uran (LEU) mit Anreicherung von 2 bis 5% 235 U (mit einigen Ausnahmen , wenn 0,72% in natürlicher Zusammensetzung, beispielsweise in der kanadischen CANDU Reaktoren ) für verwendet wird Kernenergie im Gegensatz zum Waffe-Graden hoch angereicherten Uran mit 235 U-Gehalt von über 20 % und teilweise über 90 %, was bei höchster Anreicherung erreicht wird. Zur Herstellung von angereichertem Uran werden verschiedene Verfahren der Isotopentrennung eingesetzt, hauptsächlich Zentrifugation und in der Vergangenheit das Gasdiffusionsverfahren . Die meisten arbeiten mit gasförmigem Uranhexafluorid (UF 6 ), das wiederum durch Fluorierung von elementarem Fluortetrafluorid (UF 4 + F 2 UF 6 ) oder Uranoxiden (UO 2 F 2 + 2 F 2 UF 6 + .) entsteht O 2 ), mit großer Wärmeausscheidung in beiden Fällen. Da Uranhexafluorid die einzige bei relativ niedriger Temperatur gasförmige Uranverbindung ist, spielt es als geeigneter Stoff zur Trennung der Isotope 235 U und 238 U im Kernbrennstoffkreislauf eine Schlüsselrolle . Nach Gewinnung von angereichertem Uranhexafluorid mit natürlicher Isotopenzusammensetzung , der Rest (ca. 95 % der Gesamtmasse) wird in abgereichertes Uranhexafluorid (als Form von abgereichertem Uran) umgewandelt, das hauptsächlich aus 238 U besteht, da sein 235 U-Gehalt deutlich unter 0,72 % liegt (je nach Anreicherung) Grad) und es gibt praktisch keine 234 U. Im Jahr 2020 wurden weltweit fast zwei Millionen Tonnen abgereichertes Uran angesammelt. Das meiste davon wird in Form von DUHF in speziellen Stahltanks gelagert.

Die Methoden zum Umgang mit abgereichertem Uran in verschiedenen Ländern hängen von ihrer Strategie für den nuklearen Brennstoffkreislauf ab. Die IAEA erkennt an, dass die Festlegung der Politik das Vorrecht der Regierung ist (Absatz VII des Gemeinsamen Übereinkommens über die Sicherheit der Entsorgung abgebrannter Brennelemente und über die Sicherheit der Entsorgung radioaktiver Abfälle ). Angesichts der technologischen Fähigkeiten und Konzepte des nuklearen Brennstoffkreislaufs in jedem Land mit Zugang zu Trennanlagen kann DUHF einerseits als wertvoller Rohstoff oder andererseits als schwach radioaktiver Abfall angesehen werden . Daher gibt es für DUHF weltweit keinen einheitlichen rechtlichen und regulatorischen Status. Der IAEA-Expertenbericht ISBN  92-64-195254 , 2001 und der gemeinsame Bericht von OECD , NEA und IAEA Management of Depleted Uranium, 2001 erkennen DUHF als wertvollen Rohstoff an.

Kumulierte DUHF im Jahr 2014 nach Ländern
Trennanlagen, Land Akkumulierte DUHF

(tausend Tonnen)

Jährlicher Anstieg in

DUHF-Reserven (in Tausend Tonnen)

Aufbewahrungsform

von abgereichertem Uran (DUHF, Oxid, Metall)

USEC / DOE (USA) 700 30 UF 6
ROSATOM (Russland) 640 fünfzehn UF 6
EURODIF (Frankreich) 200 18 UF 6 , U 3 O 8
BNFL (England) 44 0 UF 6
URENCO (Deutschland, Niederlande, England) 43 6 UF 6
JNFL , PNC (Japan) 38 0,7 UF 6
CNNC (China) 30 1,5 UF 6
SA NEC (Südafrika) 3 0 UF 6
Andere (Südamerika) <1,5 0 -
Gesamt 1700 70 UF 6 , (U 3 O 8 )

Anwendungen

Als Ergebnis der chemischen Umwandlung von DUHF wird wasserfreier Fluorwasserstoff und/oder seine wässrige Lösung (dh Flusssäure ) gewonnen, die einen gewissen Bedarf in nichtnuklearen Energiemärkten haben, wie der Aluminiumindustrie, bei der Herstellung von Kältemitteln, Herbiziden , Pharmazeutika, Benzin mit hoher Oktanzahl, Kunststoffe usw. Es wird auch bei der Wiederverwendung von Fluorwasserstoff bei der Herstellung von Uranhexafluorid (UF 6 ) über die Umwandlung von Triuranoctoxid (U 3 O 8 ) in Urantetrafluorid (UF 4 .) verwendet ), vor der weiteren Fluorierung zu Uranhexafluorid (UF 6 ).

wird bearbeitet

In der weltweiten Praxis der DUHF-Wiederaufbereitung gibt es mehrere Richtungen. Einige von ihnen wurden in einem halbindustriellen Umfeld getestet, andere wurden und werden im industriellen Maßstab betrieben, um die Reserven von Uran-Tailings zu reduzieren und die chemische Industrie mit Flusssäure und industriellen Organofluorprodukten zu versorgen.

Verarbeitungsmethoden von abgereichertem Uranhexafluorid
Methode Reaktion Endprodukt
Pyrohydrolyse UF 6 + H 2 O UO 2 F 2 + 4 HF

3 UO 2 F 2 + 3 H 2 O U 3 O 8 + 6 HF + ½ O 2

Triuranoctoxid und Flusssäure (20 -f 50 % HF)
Pyrohydrolyse im Wirbelbett (auf UO 2 -Pellets ) Urandioxid (körnig) Dichte bis 6 g/cm3 und Flusssäure (bis 90% HF)
Wasserstoffrückgewinnung UF 6 + H 2 UF 4 + 2 HF Urantetrafluorid und Fluorwasserstoff
Rückgewinnung über organische Verbindungen (CHCI) UF 6 + CHCI = CCI 2 UF 4 + CHCIF - CCI 2 F Urantetrafluorid, Kältemittel , auch ozonsicher (X-122)
Rückgewinnung über organische Verbindungen (I 4 ) UF 6 + CCI 4 UF 4 + CF 2 CI 2 + CI 2 Kältemittel vom Typ Urantetrafluorid und Methan
Plasmachemische Umwandlung UF 6 + 3 H - OH 1/3 U 3 O 8 + 6 HF + 1/6 O 2 Triuran-Octoxid (Dichte 4,5-4,7 g/cm3) und Fluorwasserstoff
Strahlungschemische Rückgewinnung UF 6 UF 6 + 2 e UF 4 + 2 F Urantetrafluorid und Fluor.

Abhängig von der Strategie des nuklearen Brennstoffkreislaufs, den technologischen Fähigkeiten, internationalen Konventionen und Programmen wie den Sustainable Development Goals (SDG) und dem UN Global Compact geht jedes Land die Frage der Nutzung von angesammeltem abgereichertem Uran individuell an. Die Vereinigten Staaten haben eine Reihe von langfristigen Programmen zur sicheren Lagerung und Wiederaufbereitung von DUHF-Beständen vor ihrer endgültigen Entsorgung verabschiedet.

Nachhaltige Entwicklungsziele

Im Rahmen des UN SDG spielt die Kernenergie nicht nur eine wichtige Rolle bei der Bereitstellung des Zugangs zu bezahlbarer, zuverlässiger, nachhaltiger und moderner Energie ( Ziel 7 ), sondern trägt auch zu anderen Zielen bei, darunter die Unterstützung von Armut, Hunger und Wasserknappheit, Wirtschaftswachstum und Brancheninnovationen. Eine Reihe von Ländern wie die Vereinigten Staaten, Frankreich, Russland und China haben sich über ihre führenden Kernkraftwerksbetreiber dazu verpflichtet, die Ziele für nachhaltige Entwicklung zu erreichen. Um diese Ziele zu erreichen, werden sowohl bei der Wiederaufbereitung abgebrannter Brennelemente als auch bei der Wiederaufbereitung von anfallendem DUHF verschiedene Technologien eingesetzt.

Transport

Internationale Richtlinien für den Transport radioaktiver Stoffe werden seit 1961 von der Internationalen Atomenergiebehörde (IAEA) geregelt. Diese Vorschriften werden in den Richtlinien der Internationalen Zivilluftfahrtorganisation (ICAO), der Internationalen Seeschifffahrtsorganisation (IMO) und der regionalen Transportorganisationen umgesetzt.

Abgereichertes Uranhexafluorid wird unter Standardbedingungen in fester Form und in verschlossenen Metallbehältern mit einer Wandstärke von ca. 1 cm (0,39 in) transportiert und gelagert , die für extreme mechanische und korrosive Einwirkungen ausgelegt sind. Beispielsweise enthalten die gängigsten Y48-Container für Transport und Lagerung bis zu 12,5 Tonnen DUHF in fester Form. DUHF wird aus diesen Containern unter Fabrikbedingungen erhitzt, in flüssiger Form und über spezielle Autoklaven be- und entladen .

Gefahren

Aufgrund der geringen Radioaktivität hängen die wichtigsten Gesundheitsrisiken von DUHF mit seinen chemischen Wirkungen auf die Körperfunktionen zusammen . Chemische Exposition ist eine große Gefahr in Einrichtungen, die mit der Verarbeitung von DUHF verbunden sind. Uran und Fluoridverbindungen wie Fluorwasserstoff (HF) sind bei geringer chemischer Belastung toxisch. Wenn DUHF mit Luftfeuchtigkeit in Kontakt kommt, reagiert es zu HF und gasförmigem Uranylfluorid. HF ist eine ätzende Säure, die beim Einatmen äußerst gefährlich sein kann; es ist eine der größten Arbeitsgefahren in solchen Industrien.

In vielen Ländern beziehen sich die aktuellen Arbeitsplatzgrenzwerte für lösliche Uranverbindungen auf eine Höchstkonzentration von 3 µg Uran pro Gramm Nierengewebe. Alle Auswirkungen, die durch die Exposition gegenüber diesen Konzentrationen auf die Nieren verursacht werden, werden als geringfügig und vorübergehend angesehen. Gegenwärtige Praktiken, die auf diesen Grenzwerten basieren, bieten den Arbeitnehmern in der Uranindustrie einen angemessenen Schutz. Um sicherzustellen, dass diese Nierenkonzentrationen nicht überschritten werden, begrenzt der Gesetzgeber die Langzeitkonzentrationen von löslichem Uran in der Luft am Arbeitsplatz (8 Stunden) auf 0,2 mg pro Kubikmeter und kurzfristig (15 Minuten) auf 0,6 mg pro Kubikmeter

Zwischenfälle während des Transports

Im August 1984 sank der Frachter MS Mont Louis mit 30 vollen und 22 leeren DUHF-Containern an Bord im Ärmelkanal . Die 30 Container (Typ 48-Y) Uranhexafluorid wurden geborgen sowie 16 der 22 leeren Container (Typ 30-B). Die Untersuchung der 30 Behälter ergab in einem Fall ein kleines Leck im Absperrventil. Es wurden 217 Proben entnommen, 752 verschiedenen Analysen und 146 Dosismessungen an den Behältern unterzogen. Es gab keine Hinweise auf ein Austreten von radioaktiven (natürliches oder recyceltem Uran) oder physikalisch-chemischen Substanzen (Fluor oder Flusssäure). Laut The Washington Post war dieser Vorfall nicht gefährlich, da sich die Uranfracht in ihrem natürlichen Zustand mit einem Isotopengehalt von 235U von 0,72 % oder weniger befand und nur ein Teil davon auf 0,9 % angereichert war.

Siehe auch

  • CANDU-Reaktor , kommerzielle Leistungsreaktoren, die nicht angereicherten Uranbrennstoff verwenden können
  • Wanderwellenreaktor - ein Reaktor, der abgereichertes Uran als Brennstoff verwendet

Verweise

Opiniones de nuestros usuarios

Agnes Nagel

Guter Artikel über Abgereichertes Uranhexafluorid

Angelika Ernst

Ich brauchte etwas anderes über Abgereichertes Uranhexafluorid, nicht das typische Zeug, das man immer im Internet liest, und dieser Artikel über Abgereichertes Uranhexafluorid hat mir gefallen., Toller Beitrag über Abgereichertes Uranhexafluorid

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Reiner Lemke

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