35° 55′ 34.85″ N, 84° 18′ 59.27″ W
Das Oak Ridge National Laboratory wurde 1943 gegründet. Gleichzeitig entstand auch Oak Ridge, wo Häuser für die Laboratoriumsmitarbeiter und ihre Familien gebaut wurden. Das Laboratorium war ursprünglich Teil des Manhattan-Projekts zum Bau der ersten Atombombe. Seine Aufgabe bestand in der Produktion von Uran und Plutonium, das für die Bombe benötigt wurde.
Um das Plutonium herzustellen (siehe Der Brüterreaktor), musste das Labor zuerst das spaltbare Uran-235-Isotop gewinnen und dann in einem Atomreaktor einbringen. Es musste also nicht nur eine Anlage zur Urangewinnung gebaut werden, sondern auch ein Atomreaktor, der dann der erste seiner Art war.
1943 gab es nur einen funktionierenden Atomreaktor, den kleinen von Enrico Fermi (siehe Kapitel 97) als Machbarkeitsnachweis gebauten Chicago Pile (der sich unter dem Stagg Field-Stadion in Chicago befand). Doch der Chicago-Reaktor war für reale Anwendungen viel zu klein. Deshalb wurde der X-10 Graphitreaktor in Oak Ridge gebaut. Er war von 1943 bis 1963 in Betrieb und ist heute für die Öffentlichkeit zugänglich.
Der Reaktor besteht aus einem Graphitwürfel mit über sieben Meter Kantenlänge, der von einer zwei Meter dicken Betonschicht umhüllt ist. Im Graphit gibt es 1248 diamantförmige Vertiefungen, in die Aluminiumzylinder mit einer Mischung aus Uran-235 und Uran-238 eingesetzt wurden. Der gesamte Reaktor konnte fast 50 Tonnen Brennmaterial aufnehmen. Die Zylinder mit dem Brennmaterial wurden an der östlichen Seite des Reaktors von Hand eingelassen (Abbildung 120.1). Wenn das Brennmaterial verbraucht war, wurden die Zylinder mit langen Stangen auf der westlichen Seite in ein tiefes Wasserbecken gestoßen. Dort blieben sie liegen, bis die Strahlung abgenommen hatte und man sie weiterverarbeiten konnte.
Da Uran-245 spaltbar ist, zerfällt es und gibt Neutronen ab, die andere Uran-235-Atome treffen und abspalten, was zu einer Kettenreaktion führt (siehe Der Brüterreaktor). Beim X-10-Reaktor wurden die schnellen Neutronen dieser Reaktion durch die Graphitblöcke zu »thermischen Neutronen« heruntergebremst. Diese haben genau das richtig Energieniveau, um vom Uran-235 absorbiert zu werden und die Reaktion in Gang zu halten.
Um die Geschwindigkeit der Reaktion kontrollieren zu können, besaß der Reaktor vertikal angebrachte Stäbe aus Bor und Stahl. Die Stäbe konnten in die Löcher eingelassen werden, um die Kettenreaktion zu verlangsamen (oder sogar zu stoppen). Eine andere Gruppe von Bor/Stahl-Stäben war so angebracht, dass die Stäbe horizontal durch den Reaktor verliefen, um die Reaktion zu steuern. Das Bor absorbierte die Neutronen und verhinderte (oder verlangsamte) die Kettenreaktion.
Der X-10-Reaktor war der Prüfstand für viele Nukleartechniken und bewies die Funktionsfähigkeit von Atomreaktoren. Neben der Produktion von Plutonium für die ersten Atombomben nutzte man ihn später zur Herstellung von Radioisotopen zu medizinischen Zwecken.
Besucher können sich bei einem geführten Rundgang durch das Laboratorium die Reaktor-Leitwarte und die östliche Seite (an der das Brennmaterial eingebracht wurde) ansehen. Führungen beginnen am American Museum of Science and Energy, das die Geschichte des Oak Ridge National Laboratory und des Manhattan-Projekts dokumentiert. Im Museum werden auch die Bedeutung der Atomkraft bei der Energieerzeugung und deren Zusammenhänge berücksichtigt.
Das American Museum of Science and Energy ist öffentlich zugänglich. Die Website finden Sie unter http://www.amse.org/. Führungen durch das Oak Ridge National Laboratory finden täglich statt und beginnen am Museum. Aufgrund der heiklen Arbeit des Laboratoriums sind diese Führungen aber ausschließlich amerikanischen Staatsbürgern vorbehalten, die im Voraus buchen und sich ausweisen müssen. Details finden Sie unter http://www.ornl.gov/ornlhome/visiting.shtml.
Urananreicherung
Uran-235 ist spaltbar und für eine Kettenreaktion geeignet, kommt in der Natur aber nur selten vor. Natürliches Uran besteht aus 99,284% Uran-238, 0,711% Uran-235 und 0,005% Uran-234. Um genug Uran -235 für eine Kettenreaktion zu gewinnen, muss man es separieren. Typische Atomreaktoren verwenden eine Mischung aus Uran-238 und Uran-235 (Details finden Sie in Der Brüterreaktor). Das Verfahren, mit dem der Anteil an Uran-235 in einem Stück natürlichen Urans erhöht wird, bezeichnet man als Anreicherung.
Das grundlegende Verfahren funktioniert wie folgt (und Sie sollten es nicht zu Hause ausprobieren!).
Uranerz (das auf der ganzen Welt abgebaut wird) enthält einen hohen Anteil Uranoxid (U3O8). Das Uranoxid wird in Salpetersäure (HNO3) aufgelöst. Dadurch entsteht Uranylnitrat (UO2(NO3)2) und Wasser. Das Uranylnitrat wird erhitzt, um UO3 zu erzeugen Das UO3 reagiert dann in einem Brennofen mit Wasserstoffgas. Bei der Reduktionsreaktion entsteht dann UO2 und Wasser.
Im Anschluss wird das UO2 mit Flurwasserstoff (HF) gemischt. Dabei entsteht noch mehr Wasser sowie Urantetrafluorid (UF4). Schließlich wird das UF4 einer Reaktion mit Fluorgas (F2) unterzogen und es entsteht Uranhexafluorid (UF6), das bei über 56°C gasförmig wird.
Das Uranhexafluorid ist die Substanz, die für den Anreicherungsprozess verwendet wird. Eine gängige Methode das Uranhexafluorid (das das Uran-235 enthält) vom Uran-238 zu trennen besteht darin, die unterschiedlichen Gewichte der beiden Isotope in einer Zentrifuge auszunutzen.
Zu diesem Zweck wird das Uranhexafluoridgas in eine Zentrifuge (Abbildung 120.2) eingeleitet. Die Zentrifuge dreht sich mit hoher Geschwindigkeit und das Uran-238 bewegt sich in Richtung des Zylinders. Das leichtere Uran-235 verbleibt in der Mitte der Zentrifuge und kann abgesaugt werden. Durch die Kaskadierung der Zentrifugen kann der Prozentsatz an Uran-235 auf ein nützliches Niveau angehoben werden.
Abbildung 120.2 Nuklearzentrifugen in Piketon, Ohio; zur Verfügung gestellt von The U.S. Department of Energy
Das Uranoxid wird üblicherweise als Brennmaterial in Atomreaktoren verwendet und muss nun noch aus dem Uranhexafluorid abgespalten werden. Das kann auf unterschiedliche Art und Weise geschehen. Das Uranhexafluorid (UF6) reagiert mit Wasserstoffgas und es entstehen Urantetrafluorid (UF4) und Fluorwasserstoff. Das UF4 kann dann einer Reaktion mit Dampf unterzogen werden. Dabei entsteht dann Uranoxid (UO2) und noch mehr Fluorwasserstoff.