Yellowcake

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Ein Behälter mit pulverförmigem Yellowcake

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Bröseliges Yellowcake im Reagenzglas

Yellowcake (englisch „Gelbkuchen“ oder „gelber Kuchen“ – früher auch Urania) ist ein pulverförmiges Gemisch von Uranverbindungen.<ref>Nuclear Fuel Cycle Overview - World Nuclear Association. Abgerufen am 17. September 2023. </ref><ref></ref> Der umgangssprachliche Name stammt von der ursprünglich gelben Farbe des Pulvers aus früheren Herstellungsverfahren. Aufgrund der heute verwendeten höheren Temperaturen bei der Aufbereitung von Uranerz ist „Yellowcake“ eher braun bis grün-schwarz.<ref>Yellowcake. U.S.NRC, 9. März 2021, abgerufen am 17. September 2023 (). </ref>

Yellowcake ist das Ausgangsmaterial bzw. Rohstoff im Kernbrennstoffkreislauf und wird von einzelnen Unternehmen der Uranwirtschaft, wie Cameco oder Rössing, gewonnen und vermarktet. Uran ist neben Plutonium einer der beiden bekanntesten Kernbrennstoffe.

Gewinnung

Nach dem Erzabbau folgt als erste Verarbeitungsstufe die Herstellung von Yellowcake, einer Art von Uranerz-Konzentrat. Der Gehalt dieses stabilen Uranoxids mit der Bezeichnung Triuranoctoxid U₃O₈ wird im Uranhandel oft als Vergleichsbasis angegeben.

Durchschnittlich ist in Uranerz nur 0,05 % bis 0,6 % Uran in Form von Uranoxiden enthalten. Monazit enthält z. B. 0,4 % des U₃O₈. Ein Erz mit einem höheren Urangehalt ist z. B. Coffinit USiO₄. Das Uranerz der kanadischen Mine Cigar Lake hat einen durchschnittlichen U₃O₈-Äquivalentanteil von über 15 %<ref>Reserves & Resources | Cameco. Abgerufen am 4. Mai 2025 (). </ref><ref>Jessica Bogossian: Cigar Lake Mine: the World’s Largest Uranium Producer | Geology for Investors. 25. November 2020, abgerufen am 4. Mai 2025 (). </ref> und ist damit eine Ausnahme. Die Zusammensetzung des Uranminerals besteht aus Uraninit UO₂, Coffinite USiO₄ und Anteilen von Galenit PbS.<ref>S. Sunder, J.J. Cramer, N.H. Miller: X-RAY Photoelectron Spectroscopic Study of Cigar Lake Uranium Ore: A Natural Analog for Used Fuel. In: MRS Proceedings. Band 257, 1991, ISSN 0272-9172, doi:10.1557/PROC-257-449 (springer.com [abgerufen am 4. Mai 2025]). </ref>

Uran befindet sich außerdem in der Gesteinsart Granit (ca. 9 g pro metrische Tonne) gegenüber Dunit (ca. 1,5 g pro t). Im kommerziellen Uranbergbau spielt Granit jedoch keine Rolle.

Heutige Uranprodukte enthalten 70–90 % U₃O₈ als Basis, und nur noch weniger der gelben namensgebenden Verbindungen Urantrioxid UO₃ oder Natriumdiuranat Na₂U₂O₇. Das in Yellowcake enthaltene Uran hat beispielsweise eine Isotopenzusammensetzung von 99,3 % ²³⁸U, 0,7 % ²³⁵U und Spuren von ²³⁴U.<ref></ref><ref></ref> Es ist damit ein Produkt hoher technischer Reinheit.

Name

Der Name Yellowcake ist jedoch nicht gleichbedeutend mit Triuranoctoxid U₃O₈. Letzteres Oxid wird auch als schwarzes Oxid bezeichnet. Es entsteht bei der Verbrennung eines beliebigen Uranoxids an der Luft bei etwa 700 °C.

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Triuranoctoxid U₃O₈ („Yellowcake“) ist grün-schwarz (zweites von rechts) und das Ausgangsmaterial. Die gelbliche Farbe des Yellowcake stammt von anderen Oxiden, z. B. UO₃ (nicht abgebildet). Die anderen Zwischenprodukte sind Teil der Verfahren, Uran zu gewinnen. Ganz links Uranyl und zweites von links ist Ammoniumdiuranat. Ganz rechts „grünes Salz“ oder Urantetrafluorid UF₄.

Das Mineral Pechblende wurde historisch auch mit U₃O₈ gleichgesetzt und das Mineral Uraninit enthält Urandioxid UO₂ sowie Urantrioxid UO₃ aufgrund von Oxidation, d. h. eine Mischung beider Oxide. Oft werden diese beiden Begriffe bzw. Zusammensetzung gleichgesetzt oder vertauscht. Beide zählen zu der Gruppe der einfachen Uranoxide. Ersterer (Pechblende) bezieht sich auf die massive Form des Uraninits.

Anwendung

Yellowcake ist der Ausgangsstoff für die Herstellung von Brennelementen für Kernreaktoren. Die weiteren Verarbeitungsschritte hängen davon ab, in welchem Reaktortyp das Uran eingesetzt werden soll. Liegt kein reines Yellowcake vor, richten sich die Prozess- und Bearbeitungsschritte nach dem Erztyp.

• Ist eine Uran-Anreicherung des spaltbaren Isotops 235 erforderlich, was bei Leichtwasserreaktoren (LWR) der Fall ist, so wird Yellowcake in einem chemischen Prozess (Auflösung in Salpetersäure zur Gewinnung von Uranyl) in Urantetrafluorid UF₄ und dann in das unter Normalbedingungen kristalline, ab 56 °C gasförmige Uranhexafluorid UF₆ für zur Anreicherung umgewandelt.
• Soll Uranmetall gewonnen werden, erfolgt eine Umsetzung des Urandioxid UO₂ zu UF₄ und mittels Calcium oder Magnesium dann zu metallischem Uran (U).

Beispiele

• In den meisten kommerziellen Leistungsreaktoren (Leichtwasserreaktoren) wird das keramische Urandioxid UO₂ nach geringer (< 5 %) Anreicherung eingesetzt.
• Für kanadische CANDU-Reaktoren wird U₃O₈ zu UO₃ und dann direkt zu UO₂ mittels chemischen Verfahren der Lösungsmittelextraktion umgewandelt. Letzteres wird dann zu keramischen Uranpellets gesintert. Es gibt keinen Anreicherungsschritt, da in CANDU-Schwerwasserreaktoren ein geeigneter, wenn auch in der Herstellung teurerer Neutronenmoderator (schweres Wasser) zur Verfügung steht. Insgesamt sind die Anlagen jedoch weniger Effizient bzw. liefern weniger Energie (vgl. die Eckdaten der Kerntechnik) als Leichtwasserreaktoren (LWR).
• Für die damaligen Britischen Magnox-Reaktoren kam primär natürliches Uran in metallischer Form (U) und natürlichem Isotopenverhältnis (mit etwa 0,7 % spaltbarem Uran) als Brennstoff zum Einsatz. Der Advanced Gas-Cooled Reaktor (AGR), eine Weiterentwicklung (Prototyp) der Magnox-Baureihe, verwendete bereits UO₂, ein keramischer Kernbrennstoff, welcher metallurgisch und kerntechnisch umfangreich erforscht und erprobt wurde und bis heute noch verwendet wird.

Hinweis: Uran-Anreicherung erhöht die Reaktivität, welche für den Betrieb eines Kernreaktors eine entscheidende Größe ist. Forschungsreaktoren verwenden häufig Brennelemente im mittleren Anreicherungsbereich von bis zu 20 % Uran-235. Kernreaktoren in Atom-U-Booten verwenden über 80 % konzentriertes Uran-235. Man spricht auch von hochangereichertem Uran (HEU).

Sicherheit

Gesundheit

Yellowcake ist nicht sonderlich gefährlich, jedoch radioaktiv.<ref>Ensuring Safe and Secure Passage for the Nuclear Industry's Vital Natural Resource. In: IAEA. 27. Juli 2018, abgerufen am 27. Juli 2026 (): „From a safety perspective, only basic radiation protection measures are necessary.“ </ref> Es gelten die üblichen Sicherheitsbestimmungen für den Umgang mit Uran sowie in diesem Fall mit pulverförmigen Stoffen. Eine Inkorporation muss vermieden werden.

Kernmaterialüberwachung

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Yellowcake in Transportfässern, keines wiegt über 350 kg

Kernbrennstoffe sind kontrollierte Einsatzstoffe in der Kernenergiewirtschaft, wobei Yellowcake das Ausgangsmaterial dafür ist. Hintergrund ist die Vermeidung der Abzweigung zu nicht zivilen Zwecken (Bau von Kernwaffen), auch als Proliferation bekannt. In diesem Umfeld spielt die Internationale Atomenergie-Organisation (IAEO) eine führende Rolle bei der Überwachung kerntechnischer Anlagen und setzt eine Vielzahl technischer (analytischer) Methoden zur Kontrolle bzw. Kernmaterialüberwachung ein. In den letzten Jahrzehnten hat sich die nukleare Forensik als eigenes Fachgebiet entwickelt, das auch bei der Urangewinnung zum Einsatz kommt. Die forensische Ermittlung des Ursprungs nuklearer Arbeitsstoffe ist bei diesen Uranerzkonzentraten am einfachsten, da die dazu nötigen Fremdstoffspuren in den folgenden Reinigungsschritten immer weiter reduziert werden.<ref></ref>

Abfälle und Rückstände

Die Rückstände aus der Gewinnung von Yellowcake – sogenannte Tailings – enthalten neben anderen begleitenden Schwermetallen vor allem deren stark radioaktive Zerfallsprodukte, bspw. Radium.<ref></ref> Aufgrund ihrer großen Menge und ihrer Mobilität stellen sie über längere Zeit betrachtet ein großes Umweltproblem dar. Problematisch ist insbesondere die langanhaltende Kontamination der Grundwasservorkommen.

Weblinks

Commons: Yellowcake – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Yellowcake – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• How It's Made - Uranium Part 1 auf YouTube, abgerufen am 3. Mai 2025 (; Cameco).
• How It's Made - Uranium Part 2 auf YouTube, abgerufen am 3. Mai 2025 (; Cameco).
• Yellow Cake – Die Lüge von der sauberen Energie (Dokumentarfilm)

Einzelnachweise

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