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Kernbrennstoff-Kreislauf

Eine Reihe von Verfahrensstufen bei der Versorgung und Entsorgung von Kernreaktoren mit Kernbrennstoff.
 

  • Versorgung: Ausgangspunkt der Kernenergienutzung ist die Versorgung der Kernreaktoren mit Uran. Der Urangehalt der abgebauten Erze beträgt typischerweise 0,2%. In einem Aufbereitungsverfahren wird das Uran aufkonzentriert. Es entsteht das Handelsprodukt 'Yellow Cake', das etwa 70-75% Uran enthält. Das im Yellow Cake enthaltene Uranweist die natürliche Isotopenzusammensetzung von 0,7% U-235 und 99,3% U-238 auf.

    Kernkraftwerke benötigen Uran mit einem Anteil von rund 3 bis 5% des spaltbaren Isotops U-235. Daher muß das Uran an U-235 angereichert werden. Dazu wird das Uran in die chemische Verbindung UF6 umgewandelt, die leicht in die Gasphase überführt werden kann, da nur in der Gasphase eine Anreicherung einfach möglich ist. Anreicherungsverfahren - Gaszentrifuge oder Diffusionstrennverfahren - nutzen den geringen Massenunterschied der U-235- und U-238-Moleküle des UF6, um diese beiden Komponenten zu trennen. Das Produkt der Anreicherungsanlage ist UF6, dessen U-235-Anteil ca. 3 bis 5 % beträgt.

    In der Brennelementfabrik wird das UF6 in UO2 umgewandelt. Aus UO2-Pulver werden Tabletten gepreßt, die bei Temperaturen über 1.700 °C gesintert und dann in nahtlos gezogene Hüllrohre aus einer Zirkonlegierung gefüllt und gasdicht verschlossen werden. Man erhält so einzelne Brennstäbe, die zu Brennelementen zusammengesetzt werden.

    Brennelemente eines Druckwasserreaktors enthalten rund 340 kg Uran, eines Siedewasserreaktors rund 190 kg Uran.
     

  • Entsorgung: Die Einsatzzeit der Brennelemente im Reaktorbeträgt drei bis vier Jahre.

    Durch Kernspaltung wird Kernenergie in elektrischen Strom umgewandelt. Dabei nimmt der Anteil des spaltbaren U-235 ab, und es entstehen die zum Teil radioaktiven Spaltprodukte sowie nennenswerte Mengen des neuen, z.T. spaltbaren Kernbrennstoffs Plutonium.

    Alle Tätigkeiten zur Behandlung, Aufarbeitung und Beseitigung der ausgedienten Brennelemente werden zusammenfassend als Entsorgung bezeichnet. Zwei Arten der Entsorgung sind möglich: Wiederaufarbeitung mit Rückgewinnung und Wiederverwendung der nutzbaren Anteile Plutonium und Uran oder direkte Endlagerung, bei der die ausgedienten Brennelemente insgesamt als Abfälle deponiert werden.

    Die ausgedienten Brennelemente kommen zunächst in ein Zwischenlager, in dem ihre Aktivität abklingt. Bei der dann folgenden Wiederaufarbeitung werden wiederverwertbares Uran und Plutonium von den radioaktiven Spaltprodukten getrennt. Für die Wiederverwendung im Kernkraftwerk müssen Plutonium und Uran - dieses u. U. nach erneuter Anreicherung - wieder zu Brennelementen verarbeitet werden. Mit ihrem Einsatz im Kernkraftwerk schließt sich der Brennstoffkreislauf.

    Bei der direkten Endlagerung wird das gesamte Brennelement einschließlich der Wertstoffe Uran und Plutonium nach einer Zwischenlagerung zum Zerfall der kurzlebigen Radionuklide und damit verbundener Reduzierung der zerfallsbedingten Wärmeentwicklung als radioaktiver Abfall entsorgt. Dazu werden in einer Konditionierungsanlage die Brennelemente zerlegt, in endlagerfähige Gebinde verpackt und dann als radioaktiver Abfall endgelagert.

    Beide Wege - Wiederaufarbeitung und direkte Endlagerung- sind in Deutschland eingehend untersucht und die dafür erforderlichen Verfahren und Komponenten entwickelt worden. Nach der Vereinbarung zwischen der Bundesregierung und den Kernkraftwerksbetreibern wird die Entsorgung ausgedienter Brennelemente aus dem Betrieb von Kernkraftwerken seit dem 01.07.2005 auf die direkte Endlagerung beschränkt.

Radioaktive Abfälle müssen auf Dauer sicher gelagert und aus der Biosphäre ferngehalten werden. Schwach- und mittelaktive flüssige radioaktive Abfälle werden u. U. nach vorheriger Volumenreduktion durch Verdampfen mit Zement fixiert. Feste radioaktive Abfälle werden zur Volumenreduzierung verbrannt oder kompaktiert. Zur Endlagerung werden diese Produkte in speziellen Fässern oder Containern verpackt. Die hochradioaktiven, wärmeentwickelnden Spaltproduktlösungen aus der Wiederaufarbeitung werden in einem seit Jahren erprobten Verfahren unter Zusatz von glasbildenden Stoffen in Glas eingeschmolzen und in Edelstahlbehälter gefüllt.

Für die Endlagerung werden stabile geologische Formationen benutzt. In der Schweiz und in Schweden ist Granitgestein vorgesehen, in Deutschland wurden insbesondere Salzstöcke für eine Endlagerung untersucht. Für die Endlagerungwärmeentwickelnder radioaktiver Abfälle weist Steinsalz sehr gute Eigenschaften auf, da es die Wärme gut abführt und sich plastisch verhält, d. h., Hohlräume schließen sich allmählich wieder und die Abfälle werden sicher eingehüllt.

 

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