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Brennstoffkreislauf

Im Zusammenhang mit der Kernkraft ist oft von einem „Brennstoffkreislauf” die Rede: Uran wird nicht wie Kohle gewonnen und anschließend „verbrannt”, sondern man kann Uran und Plutonium aus gebrauchten Brennstäben herauslösen und nochmal im Kraftwerk einsetzen. Doch in der Praxis ist die Sache verwickelter. Es gibt keinen echten Uran-Kreislauf, aber das Uran kann auf dem Weg zwischen Erzgrube und Endlager ein paar Schleifen drehen: Bei der Brennelemente-Herstellung kann ein Teil des „gebrauchten” Urans mit „frischem” Uran aus der Erzgrube gemischt werden.

Wie sehen die Wege aus, die das Uran geht? Woher kommt es, wie wird es aufbereitet? Und was passiert mit dem Rest, der nicht mehr im Kernkraftwerk eingesetzt werden kann? All das kann in diesem Dossier nachgelesen werden. Viel Spaß dabei!

Die Wege, die das Uran geht

Die Wege, die das Uran geht, sind nicht kompliziert: Das Uranerz wird in Minen gewonnen, angereichert und im Kernkraftwerk in Brennelementen eingesetzt. Anschließend beginnt die Entsorgung, die im Prinzip auf zwei unterschiedlichen Wegen möglich ist: Der eine führt direkt in die Endlagerung, der andere über die Wiederaufarbeitung zurück in die Brennelemente – doch dieser Weg ist in Deutschland seit Juli 2005 aus politischen Gründen untersagt.

Die Urangewinnung

In der Erde steckt jede Menge Uran: pro Tonne Gestein im Schnitt drei Gramm. Damit ist Uran etwa 100 Mal häufiger als Silber oder Gold. Es wird in Bergwerken gewonnen, im Übertagebau oder in Minen überwiegend in Kanada, Australien, Südafrika, Namibia, Niger, einigen Ländern in Mittelasien, USA und China.

Wie schon im Dossier über den Aufbau des Kernreaktors gelesen, kann man das natürliche Uran nicht zum Betrieb eines Kernreaktors verwenden – erst muss das Uran 235, das durch langsame Neutronen spaltbar ist und sich darin befindet, angereichert werden. Anschließend wird das Uran in der chemischen Form von UO2 in Tabletten gepresst und in Brennstäbe gefüllt.

Wo kommt das Uran her?

Hier sieht man Uranerz oder „Pechblende”, ein schwarz-gelbliches Mineral. Nach heutigen Schätzungen stehen die Uranvorkommen noch 200 Jahre zur Verfügung. Und durch ständige Weiterentwicklung bei den Techniken zur Suche und zur Förderung von Uran wird die Reichweite noch weiter steigen.

Backe, nacke Uran-Kuchen

Uranerz besteht nicht aus reinem Uran, sondern aus einer Menge „taubem“ Gestein. Um an das Uran zu gelangen, wird das Erz gebrochen, gemahlen und dann das Uran mit einer Säure oder Lauge aus dem übrigen Gestein herausgespült. Das Endprodukt der Uranerzbearbeitung wird Yellow Cake ("gelber Kuchen") genannt und besteht zu rund 80 % aus Uran, überwiegend U3O8  und Beimengungen von Ammoniumdiuranat. Aus zwei Tonnen abgebautem Uranerz wird ungefähr ein Kilogramm Yellow Cake gewonnen. Der Name rührt von der Farbe und der Struktur des Produkts aus den früheren Verarbeitungsprozessen her. Das heutige Fertigprodukt ist nicht mehr gelb sondern braun bis schwarz.

Um das Uran 235 anzureichern, wandelt man das Uran meist in Uranhexafluorid, eine leicht flüchtige Uranverbindung, um. Bei Normaldruck sublimiert das Uranhexafluorid bei rund 
56 °C (sublimieren = Übergang in die Gasphase). Das gasförmige UF6 wird zentrifugiert, um den Anteil des Uranisotops 235 im Produkt von anfänglich 0,7 % auf 5 bis 6 % zu vergrößern.

Anschließend reduziert man das Gas zu UO2 und presst es zu Tabletten (Pellets), die geschliffen in genau passende, gasdichte Röhren eingefüllt werden – die Brennstäbe.

Was passiert in der Zentrifuge?

Der aus drei Neutronen resultierende Massenunterschied zwischen Uran-238- und Uran-235-Isotopen beträgt etwa 5 x 10 hoch minus 27 kg. Aufgrund dessen wirkt auf das UF6-Molekül mit Uran 238 etwas mehr Zentrifugalkraft als auf das Molekül mit Uran 235. Wie groß ist dieser Kraftunterschied?

Dazu braucht man erst mal die Formel für die Zentrifugalkraft:

FZ = m ω2 r

m: Masse des Teilchens
r: Radius der Teilchenbahn
ω: Winkelgeschwindigkeit

wobei für die Winkelgeschwindigkeit ω gilt:

Den Unterschied in der Zentrifugalkraft berechnet man, indem man die Kraft, die auf ein235UF6-Molekül wirkt, von der Kraft, die auf ein 238UF6-Molekül wirkt, abzieht:

Angenommen, die beiden Vergleichsatome würden auf einer Kreisbahn mit 10 Zentimetern Radius herumgeschleudert werden – wie groß ist dann der Kraftunterschied?


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Nach der Verwendung

Brennelemente können üblicherweise für ein paar Jahre im Kernreaktor verwendet werden, bevor sie „abgebrannt” sind und ausgetauscht werden. In dieser Zeit werden sie nach einem genau festgelegten Plan immer wieder umplatziert.

Und dann?

„Abgebrannte“ Brennelemente können in einer Wiederaufarbeitungsanlage – zum Beispiel im französischen La Hague oder in Sellafield in Großbritannien – zerlegt werden, um das verbliebene Uran 235 und das entstandene Plutonium 239 heraus zu lösen und bei der Brennelemente-Herstellung wiederzuverwenden. In Deutschland ist die Wiederaufarbeitung seit Juli 2005 gesetzlich nicht mehr zugelassen.

Stattdessen werden alle Brennelemente zur Endlagerung vorbereitet. Zu dieser Vorbereitung gehört eine mehrjährige Zwischenlagerung an den Kernkraftwerken.

Wo kommt das Uran hin?


Blick in das Reaktorgebäude während der Revision, KKW Gundremmingen (SWR) - Bildquelle: Kernkraftwerk Gundremmingen GmbH (aus der Fachzeitschrift atw 6/2003)

Die Brennstäbe haben nach dem Einsatz im Kernkraftwerk eine andere Zusammensetzung als zuvor – schließlich ist ein Teil des Urans durch die Kernspaltung in andere Elemente umgewandelt worden, außerdem kann Uran 238 Neutronen einfangen und sich dabei zu Plutonium umwandeln. Sie bestehen daher nach Gebrauch zu rund 96 Prozent aus Uran (der Gehalt an spaltfähigem Uran 235 ist etwa so hoch wie in Natururan), drei Prozent Spaltprodukten und einem Prozent Plutonium.

Wenn die Elemente ausgetauscht werden, kann man sie nicht einfach aus dem Kraftwerk abtransportieren – sie müssen zunächst in einem Wasserbecken neben dem Reaktor (dem sogenannten „Abklingbecken”) für mindestens ein Jahr zwischengelagert werden. Warum ist das so?

Abgebrannte Brennelemente haben eine hohe spezifische Aktivität und damit auch eine hohe Wärmeproduktion. Man lagert die Brennelemente zunächst in einem mit Wasser gefüllten Becken innerhalb des Kernkraftwerks. Das Wasser schirmt die Strahlung fast vollständig ab und nimmt gleichzeitig die erzeugte Nachzerfallswärme auf. Bei einer Lagerzeit von 12 Monaten gehen die Aktivität und damit auch die Wärmeproduktion auf etwa 0,1 % der Anfangswerte zurück.

Wiederaufarbeitung

Abgebrannte Brennelemente aus deutschen Kernkraftwerken wurden in den vergangenen Jahrzehnten in zwei Wiederaufarbeitungsanlagen gebracht, ins französische La Hague und nach Sellafield in Großbritannien. Das Ziel: Verbliebenes Uran 235 und das entstandene Plutonium 239 aus den Brennelementen sollen herausgelöst und wieder verwendet werden können. So weist der Inhalt eines abgebrannten Brennelementes – wenn man vom umgebenden Strukturmaterial einmal absieht – eine Zusammensetzung von etwa 96 % Uran, 3 % Spaltprodukte (Abfall) und 1 % Plutonium auf.

Dazu werden die Brennelemente erst in etwa fünf Zentimeter lange Stücke geschnitten und ihr Inhalt in siedender Salpetersäure (HNO3) herausgelöst. Dabei entsteht ein Gemisch aus Nitraten. Durch physikalisch-chemische Verfahren wird dann eine Trennung der drei Komponenten Uran, Plutonium und Spaltprodukte/Actinoide durchgeführt. Dies geschieht mit Hilfe eines besonderen Extraktionsmittels, dem Tri-n-Butyl-Phosphat, das mit 70 % Kerosin verdünnt ist und in dieser Form als TBP 30 bezeichnet wird. Das TBP 30 löst bei Anwesenheit von Salpetersäure die Nitrate des Urans und des Plutoniums, während die Spaltprodukte und die anderen Actinoide im wässrigen Teil der Lösung zurückbleiben. Da sich die wässrige Lösung wieder von dem Extraktionsmittel absetzt, können die Spaltprodukte nun leicht abgetrennt werden.

Da die abgebrannten Brennelemente hochaktiv sind, muss man die Wiederaufarbeitung in Zellen vornehmen, die durch dicke Betonwände abgeschirmt sind. Man nennt diese auch "Heiße Zellen". Die Arbeiten werden mit fernbedienten Werkzeugen durchgeführt und können durch Strahlenschutzfenster aus dickem Bleiglas beobachtet werden.

Das abgetrennte Plutonium wird zusammen mit abgereichertem oder Natur-Uran zu Mischoxid-Brennlementen verarbeitet und kann wieder im Reaktor eingesetzt werden. Das abgetrennte Uran wird für eine spätere Nutzung entweder wieder angereichert oder mit bereits vorhandenem angereichertem Material vermischt und zu neuen Brennelementen verarbeitet.

Die separierten wärmeerzeugenden Abfälle werden in Glasblöcken (genauer gesagt, mit glasbildenen Materialien zu einer unlöslichen Glasmatrix) verschmolzen und in Stahlzylinder (Kokillen) gefüllt, die dann dicht verschweißt werden. Die Brennstabhülsen und Brennelementstrukturteile werden mit einer Hochdruckpresse verkleinert und endlagergerecht verpackt.

Direkte Endlagerung


Bildquelle: BLG Gorleben GmbH

Ein anderer Weg der Entsorgung ausgedienter Brennelemente und seit Mitte 2005 der einzige zulässige Entsorgungsweg in Deutschland ist die direkte Endlagerung. In diesem Fall werden die abgebrannten Brennelemente als Abfall und nicht als Wertstoffe behandelt.

Die Brennelemente verbleiben nach ihrer Verwendung etwa fünf Jahre im kraftwerkseigenen, wassergefüllten Abklingbecken. Die Wärmeentwicklung ist dann soweit gesunken, dass sie anschließend in die sogenannten CASTOR®-Behälter (dichte, hochstabile Behälter, die zum Transport und zur Lagerung radioaktiver Abfälle geeignet sind) umgeladen und in ein Zwischenlager gebracht werden können. Neben den zwei zentralen Lagern Ahaus und Gorleben sind kleinere Zwischenlager direkt an den Kernkraftwerksstandorten vorhanden.

Während der Zwischenlagerung kühlen die Brennelemente nach etwa 40 Jahren soweit ab, dass sie endgelagert werden können. Vorher werden die abgebrannten Brennelemente jedoch wieder aus den Transport- und Lagerbehältern ausgeladen und für die Endlagerung vorbereitet (konditioniert). Danach werden sie in für die Endlagerung geeignete Behälter, zum Beispiel Behälter des Typs POLLUX ®, verpackt.

Und der Abfall?

Wie wir gesehen haben, fallen im gesamten Brennstoffkreislauf, insbesondere im Kernkraftwerk und bei der Wiederaufarbeitung, Abfälle an. Man unterteilt diese in schwach-, mittel- und hochaktive Abfälle. Da die wegen des radioaktiven Zerfalls entstehende Wärmeentwicklung für die spätere Endlagerung von Bedeutung ist, unterscheidet man die Abfälle zusätzlich in wärmeentwickelnde (hochaktive) Abfälle und Abfälle ohne oder vernachlässigbarer Wärmeentwicklung (schwach- und mittelaktive).

Die Abfälle können in gasförmiger, fester oder flüssiger Form vorhanden sein.

Mengen radioaktiver Abfälle

In einem Jahr fallen für ein Kernkraftwerk mit einer elektrischen Leistung von 1.300 MW  rund 50 m³ konditionierte – d. h. durch entsprechende Behandlung in eine endlagerungsfähige Form gebrachte – radioaktive Betriebsabfälle mit vernachlässigbarer Wärmeentwicklung an.

Hinzu kommt die Menge der Abfälle aus der Entsorgung der abgebrannten Brennelemente, die vom jeweiligen Entsorgungsweg abhängt: Bei einer Wiederaufarbeitung entstehen 10 m³ radioaktive Abfälle mit vernachlässigbarer Wärmeentwicklung und 3 m³ wärmeentwickelnde Abfälle, bei denen es sich – wie wir ja bereits wissen – um die verglasten hochaktiven Spaltprodukte handelt. Bei der direkten Endlagerung der abgebrannten Brennelemente fallen 45 m³ wärmeentwickelnde Abfälle an.

Behandlung gasförmiger Abfälle

Die gas- und aerosolförmigen Abfälle schickt man entweder durch Verzögerungsstrecken, in denen die radioaktiven Bestandteile zerfallen, oder filtriert die Stoffe aus.

Stellen wir uns eine lange Rohrleitung vor, durch die Gas strömt – aber nicht ungehindert: Stückweise wird das Gas zum Beispiel von Aktivkohlefiltern absorbiert, die die (radioaktiven) Gasatome eine Zeitlang festhalten. So bewegt sich das Gas im Laufe der Zeit langsam zum Abluftkamin.

So eine „Verzögerungsstrecke” wird zum Beispiel zum Filtern der radioaktiven Edelgas-Isotope Xenon 133 und Xenon 135 angewendet. Xenon 133 hat eine Halbwertszeit von 5,25 Tagen und Xenon 135 von 9,1 Stunden. Die Filter halten das Gas etwa 60 Tage zurück – genug Zeit, dass ein Großteil der radioaktiven Isotope zerfällt.

Das Zerfallsgesetz lautet:


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Behandlung fester Abfälle


Bildquelle: DAtF (aus der Fachzeitschrift atw 11/1999)

Feste radioaktive Rohabfälle aus Kernkraftwerken entstehen insbesondere durch Reinigungsmaßnahmen. Dabei handelt es sich meist um brennbare und pressbare Abfälle in Form von Filtern, Ionenaustauschern, Putzlappen, kontaminierter Kleidung oder Papier. Falls es erforderlich ist, werden diese Abfälle verbrannt oder verdichtet, um ihr Volumen zu verkleinern. Anschließend schließt man sie in Behälter sicher ein.

Behandlung flüssiger Abfälle

Wasser aus Laboratorien, Dekontaminationsanlagen, Waschräumen oder aus Undichtigkeiten austretendes Wasser bilden die flüssigen Abfälle aus einem Kernkraftwerk. Um die Abgabe von radioaktiven Flüssigkeiten an die Umgebung zu vermeiden, entzieht man der Flüssigkeit die radioaktiven Stoffe.

Flüssige Abfälle werden also in feste Abfallprodukte umgewandelt, zum Beispiel, indem man die Flüssigkeit filtriert, eindampft oder radioaktive Ionen durch nicht-radioaktive Ionen austauscht.

Transporte


Bildquelle: BLG

Weil radioaktive Abfälle natürlich als Gefahrgüter gelten, müssen sie unter besonderen Sicherheitsauflagen transportiert werden. Die Art der Transportbehälter muss dabei Art und Menge des radioaktiven Abfalls angepasst sein.

Besondere Maßnahmen sind dabei für die Transporte von hochaktiven Abfällen – zum Beispiel den bestrahlten Brennelementen und den verglasten hochaktiven Abfällen aus der Wiederaufarbeitung – zu treffen. Die GNS Gesellschaft für Nuklear-Service mbH hat dafür spezielle Behältertypen entwickelt, Castor genannt. Castor ist eine Abkürzung für „Cask for Storage and Transport of radioactive Materials” (siehe Bild).

Endlager


Schacht Konrad - Bildquelle: Jahresbericht Kernenergie in Deutschland 2006 / DAtF

Die festen radioaktiven Abfälle müssen für einen langen Zeitraum gelagert werden. Dabei wird die Lagerung in tiefen geologischen Formationen als die beste Lösung angesehen.

Bisher steht in Deutschland ein Endlager zur Verfügung, in das Atommüll eingelagert werden darf: das ehemalige Eisenerzbergwerk Schacht Konrad bei Salzgitter für schwach- und mittelradioaktive Abfälle.

Brennstoffkreislauf - Zusammenfassung

Nun wissen wir, wo das Uran herkommt, das in Kernkraftwerken eingesetzt wird, und was man unter den Kreisläufen versteht, die der Brennstoff gehen kann – auch wenn derzeit nur der Weg zwischen Uran-Mine und Zwischenlager beschritten wird. Schließlich ist die Wiederaufarbeitung von Brennelementen in Deutschland untersagt, um die Transporte von radioaktivem Müll zu verringern.

Brennstoff - ein heißes Thema

Derzeit wird der radioaktive Müll in Deutschland an dezentralen Standorten in der Nähe von kerntechnischen Anlagen gelagert oder er wird an die zentralen Zwischenlager Ahaus in Nordrhein-Westfalen, Gorleben in Niedersachsen oder das Zwischenlager Nord in Lubmin, Mecklenburg-Vorpommern, gebracht.

Für die radioaktiven Abfälle aus Medizin, Industrie und Forschung wurden die Landessammelstellen eingerichtet.

Karte Zwischenlager in Deutschland 2010

rot = in Betrieb 
orange = Rückbau

Link:

Bundesamt für Strahlenschutz (BfS)

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