Wie wird Uran angereichert, um Bomben herzustellen?
Angereichertes Uran ist Uran mit einem hohen Anteil des Isotops U-235, das nur etwa 0,72% des natürlichen Urans ausmacht. Normales Uran wird als U-238 bezeichnet, wobei die Zahl die Anzahl der Nukleonen (Protonen und Neutronen) in seinem Atomkern angibt. U-235 hat eine ungleichmäßige Menge an Protonen und Neutronen, was es leicht instabil und anfällig für die Spaltung (Spaltung) von thermischen Neutronen macht. Den Spaltungsprozess als Kettenreaktion zum Laufen zu bringen, ist die Grundlage für Kernenergie und Atomwaffen.
Da U-235 die gleichen chemischen Eigenschaften wie normales Uran hat und nur 1,26% leichter ist, kann es eine ziemliche Herausforderung sein, die beiden zu trennen. Die Verfahren sind in der Regel sehr energieintensiv und kostenintensiv, weshalb es bisher nur wenigen Ländern gelungen ist, einen industriellen Maßstab zu erreichen. Für die Herstellung von Uran in Reaktorqualität sind U-235-Anteile von 3 bis 4% erforderlich, während Uran in Waffenqualität zu 90% aus U-235 oder mehr bestehen muss. Es gibt mindestens neun Techniken zur Urantrennung, obwohl einige definitiv besser funktionieren als andere.
Während des Zweiten Weltkriegs in den USA, als die Forscher zum ersten Mal die Isotopentrennung verfolgten, wurden eine Reihe von Techniken angewendet. Die erste Stufe bestand aus thermischer Diffusion. Durch das Einführen eines dünnen Temperaturgradienten könnten die Wissenschaftler leichtere U-235-Partikel zu einer Wärmeregion und schwerere U-238-Moleküle zu einer kälteren Region locken. Dies war nur die Vorbereitung des Ausgangsmaterials für die nächste Stufe, die elektromagnetische Isotopentrennung.
Bei der elektromagnetischen Isotopentrennung wird Uran verdampft und anschließend ionisiert, um Ionen mit positiver Ladung zu erzeugen. Das ionisierte Uran wurde dann durch ein starkes Magnetfeld beim Biegen beschleunigt. Leichtere U-235-Atome wurden etwas stärker abgelenkt, U-238-Atome etwas weniger. Durch mehrmaliges Wiederholen dieses Vorgangs könnte Uran angereichert werden. Mit dieser Technik wurde ein Teil des angereicherten Urans für die Little Boy-Bombe hergestellt, die Hiroshima zerstörte.
Während des Kalten Krieges wurde die elektromagnetische Isotopentrennung zugunsten der Gasdiffusionsanreicherungstechnik aufgegeben. Dieser Ansatz drückte Uranhexafluoridgas durch eine semipermeable Membran, die die beiden Isotope leicht voneinander trennte. Wie beim Stand der Technik hätte dieser Prozess viele Male durchgeführt werden müssen, um eine erhebliche Menge an U-235 zu isolieren.
Moderne Anreicherungstechniken verwenden Zentrifugen. Die leichteren U-235-Atome drängten leicht bevorzugt gegen die Außenwände der Zentrifugen und konzentrierten sie dort, wo sie extrahiert werden können. Wie alle anderen Techniken muss es viele Male durchgeführt werden, um zu arbeiten. Vollständige Systeme, die Uran auf diese Weise reinigen, verwenden viele Zentrifugen und werden als Zentrifugenkaskaden bezeichnet. Die Zippe-Zentrifuge ist eine weiterentwickelte Variante der herkömmlichen Zentrifuge, bei der Wärme und Zentrifugalkraft zur Trennung des Isotops genutzt werden.
Andere Techniken der Urantrennung umfassen aerodynamische Prozesse, verschiedene Methoden der Lasertrennung, Plasmatrennung und eine chemische Technik, die einen sehr geringen Unterschied in der Neigung der beiden Isotope ausnutzt, die Wertigkeit von Oxidations- / Reduktionsreaktionen zu ändern.