Uranabbau

Als Uranabbau wird die Gewinnung von Uran aus Uranlagerstätten bezeichnet. Er findet im großen Stil in Kanada, Australien^[1] (z. B. Ranger-Uran-Mine), Kasachstan, Russland, Niger, Namibia, Usbekistan und den USA statt. Rund 70 % der bekannten weltweiten Uranvorräte finden sich auf indigenem Land.^[2] Uran kann auch aus der Asche von Kohlekraftwerken gewonnen werden.

10 Staaten fördern 94 % des weltweit abgebauten Urans

Testbohrungen und Uranabbau bilden den Beginn der Uranwirtschaft. Über mehrere Verarbeitungsstufen (Aufbereitung zu Yellow Cake, dann chemische Umwandlung zu Uranhexafluorid und Uran-Anreicherung) entstehen Brennelemente für Kernkraftwerke.

Erkundung

erstes Bohrloch auf der Kupfer-Uranlagerstätte Olympic Dam aus dem Jahr 1975

Am Beginn der Erkundung steht die Wahl des Erkundungskonzeptes. Je nach Geologie zeigen verschiedene Gebiete das Potential für unterschiedliche Uranlagerstättentypen. Danach richtet sich auch die zu verwendende Erkundungsmethode. Dies kann von klassischer geologischer Feldarbeit (Kartierung von Gesteinseinheiten und tektonischen Strukturen), über Wasser- und Bodenluftmessungen bis hin zu geophysikalischen Methoden reichen, wie z.B. magnetische, gravimetrische oder radiometrische Messungen. Aufgrund der hohen Kosten kommen Bohrungen meist erst in einer späten Phase der Erkundung zum Einsatz, wenn vorangegangene Methoden ein signifikantes Potential für eine Uranmineralisation nachweisen. Wird eine Vererzung aufgefunden, die ein weiteres Interesse rechtfertigt, folgt ein engmaschigeres Netz von Bohrungen um die Größe des Vorkommens zu ermitteln und seine Wirtschaftlichkeit zu prüfen. Derzeit in Betrieb befindliche Lagerstätten beinhalten zwischen einigen hunderttausend und einigen hundertmillionen Tonnen Erz mit Urangehalten zwischen 0,01 Gew.% und 15 Gew.%. Die größte Uranressource stellt derzeit die Lagerstätte Olympic Dam in Südaustralien dar mit mindestens 8,4 Mrd. Tonnen Erz und durchschnittlich 0,028 Gew.% Uran (Hauptressource ist allerdings Kupfer, weiterhin Gold und Silber).

Gewinnung

Uran wird im Tagebau, unter Tage sowie durch Lösungsbergbau gewonnen. Die gewählte Gewinnungsmethode richtet sich nach den Eigenschaften des Erzkörpers, wie Tiefe, Form, Erzgehalt, Tektonik, Art des Nebengesteins und anderen Größen. Uran kann als Nebenprodukt bei der Gewinnung anderer Rohstoffe anfallen, so wie der Uranbergbau selbst auch weitere Metalle produzieren kann.

Tiefbau

Zurzeit wird ein Großteil des Urans im Tiefbau gewonnen. Typische Abbautiefen sind wenige 100 m bis über 2.000 m. Die Lagerstätten werden über Schächte, Stollen, Rampen oder Wendeln (vergleichbar mit einer Tiefgarage) erschlossen. Probleme im Tiefbau stellen das eindringende Grubenwasser sowie die Bewetterung dar. Das Grubenwasser muss energieaufwendig gehoben und gegebenenfalls von Schwermetallen gereinigt werden. Bei der Bewetterung muss sichergestellt werden, dass das sich beim radioaktiven Zerfall von Uran bildende Radon und seine Folgeprodukte nicht in der Grube anreichern können. Vor allem im frühen Uranbergbau war die unzureichende Bewetterung Ursache für die Erkrankung vieler Bergleute an Lungenkrebs.

Die spezielle Abbaumethode wird wiederum nach den Eigenheiten der Lagerstätte gewählt. Vor allem die Form der Erzkörper sowie die Verteilung des Urans darin sind ausschlaggebend. Im Tiefbau lässt sich ein Erzkörper gezielter abbauen und somit fällt weniger Abraum an als im Tagebau. Die Förderung erfolgt in modernen Bergwerken hauptsächlich über dieselgetriebene gleislose Fahrzeugtechnik. Die größte Tiefbaugrube ist derzeit McArthur River im kanadischen Saskatchewan mit einer Produktion von etwa 7.200 t Uran pro Jahr.^[3]

Tagebau

Oberflächennahe oder sehr große Erzkörper werden bevorzugt im Tagebau gewonnen. Dies ermöglicht den Einsatz kostengünstiger Großtechnik. Moderne Tagebaue können wenige Meter bis über 1000 m tief sein sowie einige Kilometer Durchmesser erreichen. Beim Tagebau fallen oftmals große Mengen an Abraum an. Wie im Tiefbau müssen auch für einen Tagebau gegebenenfalls große Mengen Wasser gehoben werden, allerdings stellt die Bewetterung ein weniger großes Problem dar. Der Tagebau Ranger III im australischen Northern Territory ist derzeit der produktivste Urantagebau mit etwa 4.600 t Uran pro Jahr.^[3]

Lösungsbergbau

Versuchsfeld für in-situ-Laugung, Honeymoon-Uran-Mine, South Australia

Sandsteingebundene Uranlagerstätten können durch Lösungsbergbau (auch ISL für engl. in-situ leaching oder ISR für engl. in-situ-recovery) nutzbar gemacht werden. Der Erzkörper wird durch Bohrungen erschlossen und ein oxidierendes Fluid eingeleitet, welches das Uran mobilisiert. Meist handelt es sich dabei um verdünnte Schwefelsäure. Die Lösung wird über Injektionsbohrungen in den Erzkörper eingeleitet, die sich im äußeren Bereich des Erzkörpers befinden. Im Zentrum des Erzkörpers werden die Produktionsbohrungen niedergebracht, welche die uranhaltige Lösung fördern. Damit wird eine Strömung des Fluids zum Zentrum der Lagerstätte sichergestellt und eine unkontrollierte Verbreitung im Gestein verhindert. Im größeren Umfeld der Lagerstätte befinden sich Monitoring-Bohrungen, mit denen überwacht wird, dass es zu keiner Kontamination im Umfeld der Lagerstätte kommt. Um diese Methode anwenden zu können, muss das uranhaltige Gestein eine gewisse Durchlässigkeit besitzen, um das Fließen der Lösung zu ermöglichen. Außerdem sollte sie nach oben und unten durch undurchlässige (tonige) Gesteine begrenzt sein. Lösungsbergbau ermöglicht die kostengünstige Gewinnung kleiner Erzkörper. Vorteil ist, dass es zu keiner tatsächlichen Bewegung von Gestein kommt und auch kein Abraum anfällt. Der Lösungsbergbau soll in Zukunft eine größere Rolle einnehmen, bedeutende Betriebe gibt es in Kasachstan, Usbekistan, den USA und South Australia. Der bedeutendste Betrieb im Jahr 2009 war Tortkuduk (Eigentümer: Areva und KazAtomProm) in Kasachstan mit einer Urangewinnung von 2.272 t pro Jahr.^[3] Eine Abwandlung der Methode kam in der Lagerstätte Königstein (Sächsische Schweiz) zum Einsatz. Das Bergwerk wurde von konventionellem Tiefbau auf Untertagelaugung umgerüstet. Der Sandstein war allerdings nur unzureichend durchlässig, so dass das Gestein vor der Laugung gesprengt werden musste, um eine entsprechende Permeabilität zu erreichen.

Uran als Nebenprodukt sowie Nebenprodukte des Uranbergbaus

In verschiedenen Betrieben wird Uran als Nebenprodukt gefördert. Am bedeutendsten ist hierbei die Lagerstätte Olympic Dam, in welcher zusammen mit Gold und Silber pro Jahr etwa 3.400 t Uran als Nebenprodukt des Kupferabbaus (200.000 t pro Jahr) gewonnen wird. Zurzeit läuft eine Machbarkeitsstudie durch den Betreiber BHP Billiton zur Erschließung des Südteils der Lagerstätte, wobei die Produktion schrittweise auf 700.000 t Kupfer und etwa 15.000 t Uranoxid pro Jahr gesteigert werden soll. Eine bedeutende Uranproduktion fand auch auf den Goldgruben des Witwatersrand Goldfeldes in Südafrika statt. Diese soll wieder aufgenommen werden, wobei die wirtschaftliche Bedeutung des Urans die des Goldes übersteigen könnte. Uran wurde auch aus Wässern der Erdölproduktion in der ehemaligen Sowjetunion gewonnen. In Zukunft dürfte auch Uran aus Braunkohlenfilterasche Bedeutung gewinnen. Entsprechende Projekte gibt es in Ungarn und China. In einigen Phosphatlagerstätten ist Uran ebenfalls in gewinnbaren Konzentrationen enthalten. Die Gewinnung aus solchen Vorkommen spielte in der Vergangenheit vor allem in den USA eine Rolle und ist nun in verschiedenen Ländern wieder im Gespräch.

Die Uranlagerstätten des Colorado-Plateaus in den USA waren in der Vergangenheit auch ein sehr bedeutender Lieferant für den Stahlveredler Vanadium. Die große Uranlagerstätte Jabiluka im australischen Northern Territory enthält einen großen Goldanteil. Allerdings wurden weitere Arbeiten auf dieser Lagerstätte durch den Eigner ERA (Energy Resources Australia) vorerst eingestellt, da es großen Widerstand gegen den Abbau durch die Lage im Kakadu-Nationalpark gab. Ähnliche Lagerstätten wie Jabiluka enthalten in Kanada auch teilweise hohe Gehalte an Nickel, allerdings wurde dieses Metall aufgrund der schwierigen Aufbereitung nicht gewonnen. Auf Uranlagerstätten im Erzgebirge wurde in geringem Umfang durch die SAG/SDAG Wismut auch Kupfer, Kobalt, Nickel, Wismut, Blei, Zink, Silber, Selen sowie Baustoffe gewonnen.

Unkonventionelle Gewinnung

Verfahren, die zurzeit nicht in industriellem Maßstab zum Einsatz kommen, werden als unkonventionelle Verfahren bezeichnet. Darunter fällt zum Beispiel die Urangewinnung aus Schwarzschiefer, Phosphatgestein oder Braunkohle.

Prinzipiell ist auch die Uran-Extraktion aus Meerwasser möglich, das mit einem Urangehalt von etwa 4 Milliarden Tonnen^[4] das größte bekannte Uran-Vorkommen darstellt. Dazu könnten spezielle Absorber an Küsten mit hohem Tidenhub oder innerhalb natürlicher Meeresströmungen platziert werden. Auf Basis von Versuchen in den USA und in Japan wurden die Kosten für Uran aus Meerwasser auf ca. 300$/kg geschätzt.^[5][6] Dies liegt weit über den heutigen Marktpreisen, die Gestehungskosten von elektrischer Energie würden sich bei Einsatz dieses teuren Urans um weniger als 0,01 €/kWh erhöhen (Einsatz in heutigen Leichtwasserreaktoren, ohne Wiederaufarbeitung). Da diese Mehrkosten überschaubar sind, muss man Uran aus Meerwasser als wirtschaftlich zugängliche Langzeitreserve (einige Zehntausend Jahre bei heutigem Verbrauch) betrachten, sofern sich die Extraktionsverfahren auch großtechnisch umsetzen lassen.

Kohle enthält fast immer auch Spuren der radioaktiven Elemente Uran, Thorium und Radium. Der Gehalt liegt je nach Lagerstätte zwischen wenigen ppm und 80 ppm.^[7] Da weltweit etwa 7800 Millionen Tonnen Kohle pro Jahr in Kohlekraftwerken verbrannt wird, schätzt man den Gesamtausstoß auf 10.000 Tonnen Uran und 25.000 Tonnen Thorium, der zum großen Teil in der Asche enthalten ist. Die Asche von europäischer Kohle enthält etwa 80–135 ppm Uran.

Zwischen 1960 und 1970 wurde in den USA etwa 1100 Tonnen Uran aus Kohleasche gewonnen. 2007 beauftragte die chinesische National Nuclear Corp die kanadische Firma Sparton Resources, in Zusammenarbeit mit dem Beijing No. 5 Testing Institute Versuche durchzuführen, Uran aus der Asche des Kohlekraftwerks Xiaolongtang in der Provinz Yunnan zu gewinnen. Der Urangehalt der Asche aus diesem Kraftwerk liegt mit durchschnittlich 210 ppm Uran (0,021 % U) über dem Urangehalt mancher Uranerze.^[8]

Aufbereitung des Uranerzes

Lagerbecken der ehemaligen Uranerzaufbereitungsanlage Mydlovary in Tschechien

Das im Erz vorhandene Uran wird durch physikalische und chemische Verfahren vom übrigen Gestein getrennt (aufgeschlossen). Dazu wird das Erz zerkleinert (gebrochen, fein gemahlen) und das Uran herausgelöst (ausgelaugt). Dies geschieht mit Säure oder Lauge unter Hinzufügung eines Oxidationsmittels, um das Uran vom sehr schlecht löslichen chemisch 4-wertigen Zustand in die gut lösliche 6-wertige Form zu überführen. Auf diese Weise lassen sich über 90 Prozent des im Erz befindlichen Urans gewinnen.

Unerwünschte Begleitstoffe werden in mehreren Reinigungsschritten durch Dekantieren, Filtern, Extrahieren usw. entfernt. Aus der Flüssigkeit wird Uran ausgefällt, z. B. durch Zugabe von Ammoniak. Das ausgefällte Produkt (chemisch: Ammoniumdiuranat) wird wegen seiner gelben Farbe als "Yellowcake" bezeichnet. In getrockneter Form enthält es 70 bis 80 Gewichtsprozent Uran. Dieses Material wird teilweise noch am Abbauort durch Kalzinierung in Uranoxid umgewandelt. Die Rückstände der Uranaufbereitung (Tailings) müssen in speziellen Becken langfristig sicher gelagert werden. Sie enthalten noch den größten Teil des Aktivitätsinventars des ursprünglichen Uranerzes (in Form der Zerfallsprodukte des Urans wie z. B. Radium) sowie Schwermetalle.

Uranabbau in Deutschland

Der Schacht 371 in Hartenstein, ehemaliger Hauptschacht auf der Lagerstätte Niederschlema-Alberoda

Nach dem Zweiten Weltkrieg fand in der DDR ein extensiver Uranabbau durch die SAG/SDAG Wismut statt. Dabei befanden sich größere Lagerstätten hauptsächlich im Erzgebirge, in Ostthüringen und der Sächsischen Schweiz. Der Vorgänger des Bundesnachrichtendiensts notierte intern am 25. Oktober 1951: „Die Zone beschäftigt 150.000 bis 180.000 Menschen im Uranbergbau, also muß dieser bedeutend sein.“^[9]

Kleinere Uranvorkommen in Westdeutschland, besonders im Schwarzwald bei Menzenschwand, im Bayerischen Wald, und im Fichtelgebirge waren Ziel von Erkundung und experimentellen Abbaus, eine größere Produktion fand aber nicht statt. Heute findet in Deutschland keine Urangewinnung mehr statt. Bis zum Jahr 2007 wurde aber im Rahmen der Stilllegung in der Niederlassung Königstein (Sächsische Schweiz) der Wismut GmbH Uran bei der Grubenwassersäuberung gewonnen. Im bundeseigenen Unternehmen wurden in den Jahren von 2001 bis 2006 insgesamt 700 Tonnen Uran produziert, davon 60 Tonnen im Jahre 2006. Das Bergwerk wurde seit 1972 schrittweise vom konventionellen Abbau auf Laugung umgestellt. Seit 1991 wird die Grube saniert. In diesem Rahmen wird das im Gestein noch vorhandene kontaminierte Laugungsfluid mit Wasser ausgespült und das abgetrennte Uran an ein US-Unternehmen verkauft. Es wird zur Herstellung von Kernbrennstoff nach Frankreich exportiert. Der aus dem Verkauf des Urans im Jahre 2006 erzielte Gewinn dürfte eine Höhe von 2,4 Millionen Dollar erreicht haben und wird mit den zur Sanierung in Königstein investierten Bundesmitteln verrechnet.^[10] An weiteren Standorten wie Schlema, Ronneburg (Thüringen), und Pöhla werden in Wasserbehandlungsanlagen (WBA) Schadstoffe wie Uran, Radium, Arsen, Eisen und Mangan aus den Grubenwässern entfernt, mit Zement verfestigt und deponiert. Die behandelten Wässer werden über Fließgewässer dem natürlichen Kreislauf zugeführt.

Gefahren

Uran ist ein schwach radioaktiv strahlendes Element, welches in seinen natürlichen Lagerstätten keine Gefahr für die Umwelt darstellt. Der Urangehalt derzeit genutzter Lagerstätten schwankt mit 0,03 und 18 Prozent Urangehalt erheblich.^[11] Die radiotoxische Gefährlichkeit des Abraums liegt etwa in der gleichen Größenordnung wie die der natürlichen Strahlungsintensität, wobei aber die besondere Exposition an der Oberfläche oft negative Auswirkungen zeigt.^[12] Außerdem besitzt das taube Gestein, aus dem der Abraum besteht, teilweise hohe Konzentrationen von anderen Metallen, welche eine Gefährdung für die Umwelt darstellen können. Je nach Lagerstättenart, Gewinnungsmethode und Lagerung können die auf den Abraumhalden noch vorhandenen Uran- und Schwermetallverbindungen das Trinkwasser belasten oder durch Staubverbreitung entfernte Gebiete kontaminieren.

Nachdem der Uranabbau in fünf westeuropäischen Ländern komplett eingestellt wurde, findet etwa die Hälfte der Uranförderung derzeit in dünn besiedelten Gebieten Kasachstans, Kanadas und Australiens statt.^[3] In Kanada und Australien sind hauptsächlich Ureinwohner betroffen, die sich mittlerweile politisch und rechtlich gegen die auftretenden Schäden wehren. Ein weiteres Viertel des Urans wird in Usbekistan, Niger, Namibia^[13] und Russland abgebaut.^[3] Etwa 70 % der Lagerstätten befinden sich unter dem Land von indigenen Völkern, die dadurch besonders von den Folgen des Uranabbaus betroffen sind.

Hinterlassenschaften des Uranabbaus in Form von Abraumhalden, Absetzseen, Abfalldeponien usw. führen auch in Ländern, die heute kein Uranerz mehr fördern, z. B. Tadschikistan zu einer langfristigen Gefährdung der dort ansässigen Bevölkerung und der Umwelt durch die im Uranerz natürlich vorkommenden Radionuklide.^[14]

Ein gefährliches Zerfallsprodukt des Urans ist das Edelgas Radon, das farb- und geruchlos von den Aufbereitungsanlagen und den Halden und Mülldeponien entweicht. In ungenügend ventilierten Räumen oberhalb dieser Anlagen/Orte kann es sich ansammeln und bei einer langandauernden Belastung zu einem deutlich erhöhten Lungenkrebsrisiko führen (Schneeberger Krankheit).

Unfälle

Ganz im Schatten des Reaktorunfalles von TMI ereignete sich im selben Jahr 1979 ein Unfall mit Uranabbau-Abraum, der radiologisch als der schwerwiegendere gilt. Um die Strahlung des Abraumes zu reduzieren, werden oftmals Dämme errichtet und der Abfall dahinter wird mit Wasser überflutet. Der Bruch eines solchen Dammes am Rio Puerco in New Mexiko (USA) verursachte das Abströmen von rund 400.000 Tonnen radioaktiven Wassers in den Rio Puerco, der als Wasserreservoir vor allem der Diné-, Hopi- und Pueblo-Indianer dient. Eine unmittelbar vorgenommene Messung ergab einen gegenüber dem Grenzwert um das 7000-fache erhöhten Messwert für Trinkwasser. Die Information und Aufklärung der Leute gestaltete sich aufgrund des Mangels an elektronischen Kommunikationsmitteln sowie von Bildungsdefiziten äußerst schwierig, man geht von nicht wenigen Krebs-Todesfällen aus.^[15]

Siehe auch

• Uran/Tabellen und Grafiken
• Lagerstättenkunde

Literatur

• Nando Stöcklin: Uranwirtschaft in Nordamerika - Die Folgen für die Indigenen. Incomindios Schweiz (Hg.), Zürich 2001.
• Diehl, Peter: Uranium Mining and Milling Wastes: An Introduction, 2003, http://www.antenna.nl/wise/uranium/uwai.html
• F.-K. Pickert: Brennstoffkreislauf. Deutsches Atomforum, Bonn 1981, ISBN 3-922798-03-4 (formal falsche ISBN)
• C. Keller und H. Möllinger (Hrsg.): Kernbrennstoffkreislauf. Dr. Alfred Hüthig Verlag, Heidelberg 1978, ISBN 3-7785-0507-6 (Band I).
• Landtag Sachsen, Parlamentsdokumente, Drs. 4/51 25-2
• H. Nobukawa, M. Kitamura, S. A. M. Swilem, K. Ishibashi: Development of a Floating Type System for Uranium Extraction from Sea Water Using Sea Current and Wave Power. In: Proceedings of the 4th International Offshore and Polar Engineering Conference. Osaka, Japan, 10–15 April 1994, S. 294–300.

Weblinks

• (Literaturliste Deutsch)
• (Literaturliste Englisch)
• Informationen zu den Folgen des Uranabbaus.
• Wismut GmbH
• Wisutec, Tochterunternehmen der G.E.O.S. Freiberg mbH^[16]
• - terra incognita - DIE WISMUT - Die Geschichte der Wismut, bis 1990 drittgrößter Uranproduzent der Welt - und das einmalige Sanierungsprojekt Wismut in einer 240minütigen Filmdokumentation
• Cordula Meyer: Uranförderung in Niger – Der gelbe Fluch. Spiegel Online, abgerufen am 4. Juni 2010. 
• dradio.de, Deutschlandfunk, Das Feature, 26. Oktober 2010, Bettina Rühl: Die "saubere" Lösung - Vom Niger und deutschen Atomkraftwerken (1. November 2010)

Einzelnachweise

1. ↑ Australia’s uranium, Research Note no. 17 2006–07, Parliamentary Library, Australia.
2. ↑ Nando Stöcklin: Uranwirtschaft in Nordamerika – Die Folgen für die Indigenen 2001: Incomindios Schweiz (Hg.), Zürich, S. 9.
3. ↑ ^{a b c d e} World Uranium Mining. World Nuclear Association, Juli 2008
4. ↑ atomenergie.ch: Uran im Meerwasser
5. ↑ [1]
6. ↑ [2]
7. ↑ Naturally-Occurring Radioactive Materials
8. ↑ Radioactivity in Coal Ash
9. ↑ Bundesarchiv Koblenz, Signatur B206/855
10. ↑ Gabi Thieme: Wismut produziert noch immer Uran. In: Mitteldeutsche Zeitung. Mitteldeutsches Druck- und Verlagshaus GmbH und Co. KG, Halle 9. Februar 2007.
11. ↑ Peter Diehl: Reichweite der Uran-Vorräte der Welt. Greenpeace Deutschland, Berlin Januar 2006 (http://www.greenpeace.de/fileadmin/gpd/user_upload/themen/atomkraft/uranreport2006_lf.pdf).
12. ↑ Ralph Graeub: Der Petkau-Effekt und unsere strahlende Zukunft. Verlag Zytglogge, Gümligen 1985, ISBN 3-7296-0222-5.
13. ↑ Film von ZDF-Umwelt: Strahlendes Namibia
14. ↑ Heuel-Fabianek, B., Schläger, M. (2010): Das Erbe der Urangewinnung in Tadschikistan, in: StrahlenschutzPRAXIS 4/2010, S. 53-59.
15. ↑ N. Stöcklin: Uranwirtschaft in Nordamerika - Die Folgen für die Indigenen, 2001
16. ↑ WISUTEC Umwelttechnik GmbH privatisiert. Abgerufen am 4. Juni 2010.