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Themen
Nukleare Sicherheit
Zwischenlagerung / Transport
Endlagersuche
Anlagen der Kernbrennstoffversorgung und -entsorgung
Modell Brennelement
Quelle: picture alliance / dpa | Maurizio Gambarini
Der wichtigste Grundstoff zur Nutzung der Atomenergie in Kernreaktoren ist Uran. Zur Kernbrennstoffversorgung zählen die verschiedenen Schritte vom Abbau des Urans bis hin zur Fertigung der Brennelemente.
Ein Brennelement eines Siede- oder Druckwasserreaktors ist aus mehreren Brennstäben zusammengesetzt. Ein Brennstab ist ein metallisches Rohr mit ungefähr ein bis anderthalb Zentimetern Durchmesser und bis zu fünf Metern Länge. In diesen Rohren befindet sich der Kernbrennstoff, der aus Uranoxid bzw. bei sog. MOX Brennelementen aus Uran- und Plutoniumoxid besteht. Dieser Stoff hat einen grauen Farbton und ist in zylindrische Pellets gepresst und gebrannt (=gesintert).
Nach dem Einsatz der Brennelemente im Reaktor sind diese verbraucht und müssen entsorgt werden. Die Verfahrensschritte zur Behandlung, Aufarbeitung und Beseitigung der abgebrannten Brennelemente werden zusammenfassend als Kernbrennstoffentsorgung bezeichnet.
Versorgung
Schritte der Kernbrennstoffversorgung
Modell eines Uran-Pellets
Quelle: picture-alliance/ dpa | Holger Hollemann
- Abbau uranhaltigen Erzes in Minen
Extraktion des Urans aus dem Gestein in Aufbereitungsanlagen
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 bis 75 % Uran enthält. Das im Yellow Cake enthaltene Uran weist die natürliche Isotopenzusammensetzung von 0,7 % U-235 und 99,3 % U-238 auf.
Anreicherung des für Kernspaltung in Leichtwasserreaktoren erforderlichen Uran-Isotops U-235
Atomkraftwerke mit Leichtwasserreaktoren benötigen Uran mit einem Anteil von 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 Uranhexafluorid (UF6) umgewandelt, die leicht in die Gasphase überführt werden kann, da nur in der Gasphase eine Anreicherung einfach möglich ist. Anreicherungsverfahren nutzen den geringen Massenunterschied der U-235- und U-238-Moleküle des Uranhexafluorids, um diese beiden Komponenten zu trennen. Das Produkt der Anreicherungsanlage ist Uranhexafluorid, dessen U-235-Anteil ca. 3 bis 5 % beträgt.
Fertigung der mit Kernbrennstofftabletten gefüllten Brennelemente
In einer Brennelementfabrik wird das Uranhexafluorid in Urandioxid (UO2) umgewandelt. Aus Urandioxid-Pulver werden Tabletten gepresst, die bei Temperaturen über 1.700 °C gesintert und dann in Hüllrohre aus einer Zirkonlegierung gefüllt und gasdicht verschlossen werden. Man erhält so einzelne Brennstäbe, die zu Brennelementen zusammengesetzt werden. Brennelemente eines Druckwasserreaktors enthalten rund 500 Kilogramm Uran, Brennelemente eines Siedewasserreaktors rund 200 Kilogramm Uran.
In Deutschland sind folgende Anlagen zur Kernbrennstoffversorgung in Betrieb:
- Urananreicherungsanlage in Gronau
Brennelementefabrik in Lingen
Entsorgung
Schritte der Kernbrennstoffentsorgung
Die Einsatzzeit der Brennelemente im Reaktor beträgt in der Regel drei bis vier Jahre. Aufgrund der Kernspaltungen nimmt der Anteil des spaltbaren U-235 ab, und es entstehen radioaktive Spaltprodukte sowie nennenswerte Mengen des neuen, zum Teil spaltbaren Kernbrennstoffs Plutonium. Alle Tätigkeiten zur Behandlung, Aufarbeitung und Beseitigung der abgebrannten Brennelemente werden zusammenfassend als Entsorgung bezeichnet.
Zwei Arten der Entsorgung abgebrannter Brennelemente werden international verfolgt:
- Wiederaufarbeitung mit Rückgewinnung und Wiederverwendung der nutzbaren Anteile Plutonium und Uran:
Die Brennelemente kommen zunächst in ein Zwischenlager, in dem ihre Aktivität abklingt. Bei einer dann folgenden Wiederaufarbeitung werden wiederverwertbares Uran und Plutonium von den radioaktiven Spaltprodukten getrennt. Für die Wiederverwendung im Atomkraftwerk müssen Plutonium und Uran wieder zu Brennelementen verarbeitet werden. Die radioaktiven Spaltprodukte werden verfestigt und dann als radioaktiver Abfall gelagert.
oder
- direkte Endlagerung:
Hier wird das gesamte Brennelement einschließlich des darin noch enthaltenen Urans und Plutoniums 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.
Aufgrund gesetzlicher Vorgaben ist in Deutschland seit 2005 nur noch die direkte Endlagerung abgebrannter Brennelemente zulässig.
In Deutschland sind
- zentrale und dezentrale Brennelementzwischenlager sowie
- eine (Pilot-) Konditionierungsanlage in Gorleben
als Anlagen zur Kernbrennstoffentsorgung in Betrieb.
Um den bestmöglichen Standort in Deutschland für ein Endlager hochradioaktiver Abfälle zu finden, findet unter Aufsicht des BASE ein mehrstufiges Suchverfahren statt. In diesem Endlager sollen auch die abgebrannten Brennelemente aus deutschen Reaktoren in tiefen Gesteinsschichten sicher eingeschlossen werden.
Schritte der Kernbrennstoffentsorgung
Die Einsatzzeit der Brennelemente im Reaktor beträgt in der Regel drei bis vier Jahre. Aufgrund der Kernspaltungen nimmt der Anteil des spaltbaren U-235 ab, und es entstehen radioaktive Spaltprodukte sowie nennenswerte Mengen des neuen, zum Teil spaltbaren Kernbrennstoffs Plutonium. Alle Tätigkeiten zur Behandlung, Aufarbeitung und Beseitigung der abgebrannten Brennelemente werden zusammenfassend als Entsorgung bezeichnet.
Zwei Arten der Entsorgung abgebrannter Brennelemente werden international verfolgt:
- Wiederaufarbeitung mit Rückgewinnung und Wiederverwendung der nutzbaren Anteile Plutonium und Uran:
Die Brennelemente kommen zunächst in ein Zwischenlager, in dem ihre Aktivität abklingt. Bei einer dann folgenden Wiederaufarbeitung werden wiederverwertbares Uran und Plutonium von den radioaktiven Spaltprodukten getrennt. Für die Wiederverwendung im Atomkraftwerk müssen Plutonium und Uran wieder zu Brennelementen verarbeitet werden. Die radioaktiven Spaltprodukte werden verfestigt und dann als radioaktiver Abfall gelagert.
oder
- direkte Endlagerung:
Hier wird das gesamte Brennelement einschließlich des darin noch enthaltenen Urans und Plutoniums 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.
Aufgrund gesetzlicher Vorgaben ist in Deutschland seit 2005 nur noch die direkte Endlagerung abgebrannter Brennelemente zulässig.
In Deutschland sind
- zentrale und dezentrale Brennelementzwischenlager sowie
- eine (Pilot-) Konditionierungsanlage in Gorleben
als Anlagen zur Kernbrennstoffentsorgung in Betrieb.
Um den bestmöglichen Standort in Deutschland für ein Endlager hochradioaktiver Abfälle zu finden, findet unter Aufsicht des BASE ein mehrstufiges Suchverfahren statt. In diesem Endlager sollen auch die abgebrannten Brennelemente aus deutschen Reaktoren in tiefen Gesteinsschichten sicher eingeschlossen werden.
Stand: 15.12.2023