Gaszentrifuge

Mehrere Gaszentrifugen einer ehemaligen Prototypenanlage, dem Gas Centrifuge Enrichment Plant (GCEP) bei Piketon, Ohio, 1984. Genauer befand sich der GCEP in der Nähe von Piketon auf dem Komplex des Portsmouth Gaseous Diffusion Plant (GDP)[1], eine der drei großen US-amerikanischen Urananreicherungsanlagen (alle basierend auf dem Gasdiffusionsverfahren), welche von c. 1945 bis 1996 in Betrieb waren. Die Entwicklungsarbeiten zum GCEP liefen von etwa 1977 bis 1985, dann wurde das Projekt eingestellt.

Eine Gaszentrifuge, oder auch Gas-Ultrazentrifuge genannt, ist eine Zentrifuge, die der physikalischen Trennung verschieden schwerer Gase mit Hilfe der Trägheit dient.

Gaszentrifugen sind heutzutage eine wesentliche Technologie im kommerziellen nuklearen Brennstoffkreislauf, um den Kernbrennstoff Uran in dem spaltbaren Isotope Uran-235 anzureichern und somit für die Verwendung in Kernreaktoren nutzbar zu machen. Ein Anreicherungsgrad von bis zu 5 % des Spaltstoffs ist speziell bei allen Leistungsreaktoren üblich.

Der folgende Artikel befasst sich mit der Separation schwerer Uranisotope und nicht mit der Trennung anderer Moleküle, Stoffe oder Teilchen durch Ultrazentrifugen.

Prinzip

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 Atomassen. Chemische Trennverfahren wie Reduktion oder Ausfällung sind nicht anwendbar, da die chemischen Eigenschaften der Isotope zu identisch sind.

Technik

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 sie in einer Gegenstromanordnung angeordnet sind. 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.

Geschichte

Im Zweiten Weltkrieg und danach spielte die Gasdiffusionsmethode eine primäre Rolle zur Urananreicherung, z. B. an den Standorten Paducah oder Oak Ridge (K-25) in den USA, oder Eurodif bzw. Tricastin in Frankreich. Die wissenschaftliche Beiträge zur Isotopentrennung durch Gasdiffusion lieferte Manson Benedict. Die Trennung durch Thermische Diffusion[5] wurde damals von Klaus Clusius, Kurt Starke und Gerhard Dickel entwickelt.

Die Entwicklung der Gaszentrifugen-Technik wird mit den Physikern Jesse W. Beams[6][7] und Gernot Zippe in Verbindung gebracht wird. Weitere Geräte (z. B. ZG5) wurden von Wilhelm Groth entwickelt. Noch vor dem Zweiten Weltkrieg wurden auch Trennverfahren für schweres Wasser und andere Stoffe entwickelt. Hinweise auf die Isotopentrennung gab es bereits 1919.[8]

In der Sowjetunion wurde ab 1945 maßgeblich in Sochumi am Institut der Physik und Technologie an Gaszentrifugen und anderen Kerntechnik-nahen Themen geforscht. Speziell der deutsche Wissenschaftler Max Steenbeck zusammen mit Zippe und anderen „Atom-Spezialisten“, erforschten die technischen Anwendbarkeit des Verfahrens zur Trennung von Uranisotopen. Zippe emigrierte Ende der 1950er Jahre in die USA und hat dort sein Design mit Beams weiterentwickelt.

Der deutsche Physiker Fritz Lange entwickelte ebenfalls ein Trennverfahren, genannt „ZD-Trennrohr“ bzw. Zirkulationsdiffusions-Rohr, welches aber keine Gaszentrifuge war, sondern auf Diffusion und Strömung beruhte. Er hatte sein Wissen auch im sowjetischen Atomprojekt in Bezug auf die Separation von Uranisotopen angewendet. Das Lange-Verfahren wurde jedoch für biologische Zwecke angepasst, insbesondere für die Fraktionierung von Makromolekülen und die Trennung von Biomolekülen.[9]

Nach dem Zweiten Weltkrieg hielten die Vereinigten Staaten die Technologie der Gaszentrifugen sogar vor Verbündeten geheim. Deshalb sah sich Kanada gezwungen, den Schwerwasserreaktor vom Typ CANDU so zu entwickeln, dass dieser mit Natururan (1 Teil Uran-235 und 137 Teile Uran-238) betrieben werden konnte. Bei schwerem Wasser ist dies naheliegend, da es als geeigneter Moderator dient. In diesem Zuge musste Kanada seine Kapazitäten bei der Produktion von schwerem Wasser aufbauen – und hat dies getan.

Anwendung

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.

Proliferation

Gaszentrifugen gelten als „kritische Technologie“ (Dual-Use), da hochkonzentriertes Uran-235 für Atomwaffen verwendet werden kann.[10] 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.[11] 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 2003 wurden Gaszentrifugen in Italien sichergestellt, die von dem Frachter BBC China auf dem Weg von Pakistan nach Libyen waren. Libyen erlaubt den USA die Geräte zu sichern. Sie wurden in die USA gebracht.

Iran

Der vorderasiatische Staat Iran hat im Zuge der Genfer Atomkonferenz und der Atoms-for-Peace-Rede sein ziviles Atomprogramm 1957 gestartet.[12] Es wurde ein Forschungszentrum und Forschungsreaktor errichtet und kommissioniert. Im Jahr 1974 unterschrieb Iran, als einer der Staaten, die den Atomsperrvertrag (NVV) unterschrieben haben, das NPT-Safeguards Agreement,[13] das der Internationale Atomenergie-Organisation (IAEO) die Inspektion von Nuklearanlagen ermöglicht. Zu nennen ist hier das Kernkraftwerk Bushehr, an dessen Bau auch die deutsche Kraftwerk Union (KWU) beteiligt war.

Im Jahr 2002 wurden Details zu einem bisher unbekannten Atomprogramm bzw. unbekannten Nuklearanlagen bekannt. Die neuen Anlagen sind in Natanz und eine Produktionsanlage für schweres Wasser in Arak. Letztere liegt auf dem Gelände des Reaktors IR-40. Der damalige iranische Präsident Mohammad Chatami bestätigte die Informationen und lud die IAEO zu Kontrollen ein. Seitdem gibt es kontroverse Informationen über das iranische Nuklearprogramm hinsichtlich einer zivilen oder möglicherweise militärischen Nutzung von Kernenergie. Eine besondere Rolle spielen dabei eine oder mehrere unterirdische Urananreicherungsanlagen.

Im Jahr 2010 wurden iranische Anlagen mit Gaszentrifugen durch den Computerwurm Stuxnet angegriffen. Durch die von außen veränderte Drehzahl wurden zahlreiche Zentrifugen destabilisiert und zerstört.[14]

Die IAEO und die „P5+1-Staaten“ versuchten zuletzt, mit der Islamischen Republik Iran ein Abkommen zur zivilen Nutzung der Kernenergie auszuarbeiten. Seit 2015 wurde an dem Joint Comprehensive Plan of Action (JCPOA) gearbeitet, der auf dem Vorgänger, dem Iran nuclear deal framework, aufbaut. Die diplomatischen Bemühungen blieben jedoch bis 2025 ohne signifikanten Erfolg. Ein Teil der Anlagen, in denen Gaszentrifugen vermutet wurden, wurde im Jahr 2025 in mehreren Präventivschlägen der USA und Israels angegriffen und vermutlich beschädigt.[15]

Pakistan

Es ist bekannt, dass der pakistanische Ingenieur Abdul Kadir Khan die Technologie der Gaszentrifugen in den 1970er Jahren bei dem Unternehmen Urenco kennengelernt (oder mitentwickelt) hat und sie später für das Atomprogramm Pakistans entwendete.[16][17] Eine bekannte Anlage oder Komplex in dem Land sind die Khan Research Laboratories (KRL), nördlich in Kahuta.

Nordkorea

Am 13. September 2024 veröffentlichte die staatliche nordkoreanische Nachrichtenagentur Korean Central News Agency (KCNA) bisher unbekannte Einblicke in eine Anlage (Gaskaskaden) zur vermuteten Urananreicherung mittels Gaszentrifugentechnologie. Nordkorea hatte in den 1990er Jahren Kontakte zu Pakistan. Es ist nicht klar, ob es zu einem Technologietransfer kam oder ob das Land die Technologie selbst entwickelt hat. Das geplante zivile Atomprogramm Nordkoreas (siehe Agreed Framework und Korean Peninsula Energy Development Organization) spielte möglicherweise auch eine Rolle, da für die geplanten Leichtwasser-basierten Leistungsreaktoren schwach angereichertes Uran notwendig gewesen wäre als Teil des nuklearen Brennstoffkreislaufs.

Entwicklungen

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 der Firma Centrus Energy und dem Teilunternehmen American Centrifuge Operating betrieben.[18] 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 worden.

Literatur

  • W. Walcher: Isotopentrennung (= Ergebnisse der Exakten Naturwissenschaften. Band 18). Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 1939, ISBN 978-3-540-77197-5, S. 155–228, doi:10.1007/BFb0112026.
  • Karl P. Cohen, George M. Murphy: The Theory of Isotope Separation as Applied to the Large-Scale Production of U235 (= National Nuclear Energy Series. Division III-Volume 1 B). McGraw-Hill Book Company (Atomic Energy Commission), New York 1951 (englisch, hathitrust.org).
  • Stelio Villani (Hrsg.): Uranium Enrichment (= S. Amelinckx u. a. [Hrsg.]: Topics in Applied Physics. Band 35). Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 1979, ISBN 978-3-540-09385-5, doi:10.1007/3-540-09385-0 (englisch).
  • Manson Benedict, Thomas H. Pigford, Hans Wolfgang Levi: Nuclear Chemical Engineering (= McGraw-Hill Series in Nuclear Engineering). 2. Auflage. McGraw-Hill, New York 1981, ISBN 978-0-07-004531-6 (englisch, archive.org).
  • Allan S. Krass, Peter Boskma, Boelie Elzen, Wim A. Smit: Uranium Enrichment and Nuclear Weapon Proliferation (= Stockholm International Peace Research Institute (SIPRI)). Taylor & Francis, New York 1983, ISBN 978-0-85066-219-1 (englisch, archive.org).

Siehe auch

Commons: Gaszentrifuge – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Gaszentrifuge – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

  1. ↑ Portsmouth. DOE, abgerufen am 16. September 2025 (englisch).
  2. ↑ E. Von Halle, J. Shacter: Diffusion Separation Methods. In: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. Wiley, 2001, ISBN 978-0-471-48494-3, doi:10.1002/0471238961.0409060608011212.a01 (englisch, wiley.com [abgerufen am 23. August 2025]).
  3. ↑ Max Wolfsberg, W. Alexander Van Hook, Piotr Paneth: Isotope Separation. In: Isotope Effects. Springer Netherlands, Dordrecht 2009, ISBN 978-90-481-2264-6, S. 245–287, doi:10.1007/978-90-481-2265-3_8 (englisch, springer.com [abgerufen am 23. August 2025]).
  4. ↑ a b Gaszentrifuge. Abgerufen am 16. September 2024.
  5. ↑ G. Müller, G. Vasaru: The Clusius-Dickel Thermal Diffusion Column – 50 Years after its Invention. In: Isotopenpraxis Isotopes in Environmental and Health Studies. Band 24, Nr. 11-12, Januar 1988, ISSN 0021-1915, S. 455–464, doi:10.1080/10256018808624027 (englisch, tandfonline.com [abgerufen am 23. August 2025]).
  6. ↑ J. W. Beams, F. B. Haynes: The Separation of Isotopes by Centrifuging. In: Physical Review. Band 50, Nr. 5, 1. September 1936, ISSN 0031-899X, S. 491–492, doi:10.1103/PhysRev.50.491 (englisch, aps.org [abgerufen am 23. August 2025]).
  7. ↑ J. W. Beams: High Speed Centrifuging. In: Reviews of Modern Physics. Band 10, Nr. 4, 1. Oktober 1938, ISSN 0034-6861, S. 245–263, doi:10.1103/RevModPhys.10.245 (englisch, aps.org [abgerufen am 23. August 2025]).
  8. ↑ F.A. Lindemann, F.W. Aston: XLVIII. The possibility of separating isotopes. In: The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. Band 37, Nr. 221, Mai 1919, ISSN 1941-5982, S. 523–534, doi:10.1080/14786440508635912 (englisch, tandfonline.com [abgerufen am 23. August 2025]).
  9. ↑ Dieter Hoffmann: Fritz Lange, Klaus Fuchs, and the Remigration of Scientists to East Germany. In: Physics in Perspective. Band 11, Nr. 4, Dezember 2009, ISSN 1422-6944, S. 405–425, doi:10.1007/s00016-009-0427-5 (englisch, springer.com [abgerufen am 17. September 2024]).
  10. ↑ William Burr: Early Atomic Energy Commission Studies Show Concern over Gas Centrifuge Proliferation risk. National Security Archive, 2012, abgerufen am 23. August 2025 (englisch).
  11. ↑ New Video: Safeguards Inspection of a Uranium Enrichment Plant. IAEA, 1. Dezember 2015, abgerufen am 23. August 2025 (englisch).
  12. ↑ Timeline of Iran’s Nuclear Activities | The Iran Primer. 17. August 2021, abgerufen am 18. September 2024 (englisch).
  13. ↑ Safeguards agreements. IAEA, 8. Juni 2016, abgerufen am 18. September 2024 (englisch).
  14. ↑ Stuxnet - Software gegen Atome. Heinz Nixdorf MuseumsForum, 16. Juni 2020, abgerufen am 30. Juli 2021: „Das Schadprogramm ließ die Zentrifugen abwechselnd schneller und langsamer rotieren, ohne dass es die iranischen Ingenieure bemerkten. Nach einiger Zeit fielen die Geräte irreparabel aus.“
  15. ↑ Iran announces a new nuclear enrichment site after UN watchdog censure. AP, 12. Juni 2025, abgerufen am 23. August 2025 (englisch).
  16. ↑ Tahir Mahmood Azad, Karl Dewey: Assessing the security of Pakistan’s nuclear weapon programme. In: Defense & Security Analysis. Band 39, Nr. 2, 3. April 2023, ISSN 1475-1798, S. 123–145, doi:10.1080/14751798.2023.2178069 (englisch, tandfonline.com [abgerufen am 23. August 2025]).
  17. ↑ David Albright, Corey Hinderstein: Unraveling the A. Q. Khan and future proliferation networks. In: The Washington Quarterly. Band 28, Nr. 2, März 2005, ISSN 0163-660X, S. 109–128, doi:10.1162/0163660053295176 (englisch, tandfonline.com [abgerufen am 23. August 2025]).
  18. ↑ Centrus Produces Nation's First Amounts of HALEU. DOE, abgerufen am 16. September 2024 (englisch).
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