Gaszentrifuge

Die Gaszentrifugen-Technologie gilt als Nachfolger der Gasdiffusionsmethode^[2] bzw. ist der Stand der Technik in diesem Bereich. Gaszentrifugen nutzen ein physikalisches Prinzip zur Isotopentrennung.^[3] Dieses trennt die Isotope des Urans anhand ihrer Atommassen. Chemische Trennverfahren wie Reduktion oder Ausfällung sind nicht anwendbar, da die chemischen Eigenschaften der Isotope zu ähnlich sind.

Uran-Gaszentrifugen werden industriell bei der Uran-Anreicherung eingesetzt. Dabei wird gasförmiges Uranhexafluorid in Fraktionen mit höherem Anteil an ²³⁸U auf der einen sowie einem höheren Anteil am etwas leichteren ²³⁵U auf der anderen Seite separiert.

Für eine signifikante Anreicherung ist es erforderlich, eine große Anzahl von Gaszentrifugen in einer Kaskade hintereinandergeschaltet zu betreiben, wobei moderne Gegenstrom-Zentrifugen zur Anwendung kommen. Das in Spuren vorhandene ²³⁴U, welches aus ²³⁸U entsteht (Alphazerfall des ²³⁸U gefolgt von zwei Betazerfällen), wird dabei sogar verhältnismäßig noch stärker angereichert als ²³⁵U, was zum „Fingerprinting“ (Rückverfolgbarkeit) von Uran aus Wiederaufarbeitung genutzt werden kann.

Aufgrund der sehr geringen Masseunterschiede der verschiedenen Isotope muss eine Gaszentrifuge mit sehr hohen Drehzahlen arbeiten und aus hochfesten Werkstoffen bestehen. Laut dem „Lexikon für Physik“^[4] hat eine Zentrifuge mit einer Drehzahl von 76.000/min und einem Radius von 6,5 cm einen Anreicherungsgrad von 1,16.

Im Vergleich zu anderen Urananreicherungsverfahren benötigen Gaszentrifugen jedoch einen geringeren Energieeinsatz, sind dafür komplexer, beispielsweise was die Steuerung der Anlagen und die Anforderungen an die verwendeten Materialien betrifft. Man schätzt, dass etwa 200 kWh/kg Urangemisch benötigt werden.^[4] Des Weiteren ist die Beherrschung von Fluorchemie notwendig.

Das durch Gasdiffusion angereicherte Spaltmaterial (Uran-235) wurde in großen Mengen produziert und sowohl zivil als auch militärisch genutzt, beispielsweise in Forschungsreaktoren, Kernreaktoren in Atom-U-Booten oder für Kernsprengköpfe in Atomwaffen. Der Anreicherungsgrad in einem Brennelement hat Einfluss auf die Reaktivität eines Kernreaktors.

Gaszentrifugen bzw. die von den Anlagen bereitgestellten Anreicherungskapazitäten sind seit einigen Jahrzehnten Teil des nuklearen Brennstoffkreislaufs. Sie ermöglichen die Anreicherung von Uran für verschiedene Reaktortypen, die nicht mit gewöhnlichem Uran betrieben werden können. Dies betrifft nahezu alle Leistungsreaktoren, die auf leichtem Wasser als Neutronenmoderator basieren.

Weltweit gibt es nur wenige Institute und Unternehmen, die diese Technologie beherrschen und kommerziell betreiben, beispielsweise die Enrichment Technology Company oder die paneuropäische Urenco.

Gaszentrifugen gelten als „kritische Technologie“ (Dual-Use), da hochkonzentriertes Uran-235 für Atomwaffen verwendet werden kann.^[5] Als kritisch gilt ein Anreicherungsgrad an Uran-235 von über 20 % – in welchem Fall die restlichen 80 % Uran-238 sind. Die Anlagen werden daher im Rahmen der nuklearen Nichtverbreitung durch die Internationale Atomenergie-Organisation (IAEO) inspiziert.^[6] Der Nichtverbreitungsvertrag hat zum Ziel, die Verbreitung von Atomwaffen oder deren Technologie zu verhindern. Einige der unten genannten Länder betreiben seit Jahrzehnten ein Atomprogramm, das Auffälligkeiten und Abweichungen im Hinblick auf den friedlichen Nutzen der Kernenergie aufweist. Dazu zählen auch Gaszentrifugen zur Urananreicherung.

Im Jahr 2023 wurde eine kommerzielle (zivile) Urananreicherungsanlage, die erste in Jahrzehnten, in den USA eingeweiht. Die Anlage befindet sich in Piketon, Ohio. Sie wird von Centrus Energy und dem Teilunternehmen American Centrifuge Operating betrieben.^[13] Die USA haben über Jahrzehnte ihre Urananreicherung mittels Gasdiffusion betrieben. Die Anlagen (z. B. K-25 aus dem Jahr 1945) sind jedoch bereits vollständig abgebaut.