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.

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.

Abgebrannte Brennelemente aus deutschen Kernkraftwerken wurden in den vergangenen Jahrzehnten in zwei Wiederaufarbeitungsanalgen 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.

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.

Mehr zu diesem Thema gibts im Modul "Radioaktive Abfälle – was machen wir damit?" im Kapitel Gesellschaft.