Anlagen der Kernbrennstoffversorgung und -entsorgung
Vom Uran zum Brennelement – diese sogenannte Kernbrennstoffversorgung findet in entsprechenden Anlagen statt. Zwei solcher Anlagen sind in Deutschland in Betrieb. Bei der Kernbrennstoffentsorgung werden zwei Arten international verfolgt: die Wiederaufarbeitung und die direkte Endlagerung.
Der wichtigste Grundstoff zur Nutzung der Atomenergie in Kernreaktoren ist . Zur Kernbrennstoffversorgung zählen die verschiedenen Schritte vom des Urans bis hin zur Fertigung der .
Ein Brennelement eines Siede- oder Druckwasserreaktors ist aus mehreren Brennstäben zusammengesetzt. Ein 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 sogenannten 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.
Die Schritte der Kernbrennstoffversorgung und -entsorgung
Versorgung
- 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 aufkonzentriert. Es entsteht das Handelsprodukt „Yellow Cake", das etwa 70 bis 75 % enthält. Das im Yellow Cake enthaltene weist die natürliche Isotopenzusammensetzung von 0,7 % U-235 und 99,3 % U-238 auf.
- Anreicherung des für in Leichtwasserreaktoren erforderlichen -Isotops U-235
mit Leichtwasserreaktoren benötigen mit einem Anteil von 3 bis 5 % des spaltbaren Isotops U-235. Daher muss das an U-235 angereichert werden. Dazu wird das 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
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 zusammengesetzt werden. eines Druckwasserreaktors enthalten rund 500 Kilogramm , eines Siedewasserreaktors rund 200 Kilogramm .
In Deutschland sind folgende Anlagen zur Kernbrennstoffversorgung in Betrieb:
- Urananreicherungsanlage in Gronau
Brennelementefabrik in Lingen
Entsorgung
Die Einsatzzeit der 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 sowie nennenswerte Mengen des neuen, zum Teil spaltbaren Kernbrennstoffs . Alle Tätigkeiten zur Behandlung, Aufarbeitung und Beseitigung der abgebrannten werden zusammenfassend als Entsorgung bezeichnet.
Zwei Arten der Entsorgung abgebrannter werden international verfolgt:
- mit Rückgewinnung und Wiederverwendung der nutzbaren Anteile und :
Die kommen zunächst in ein Zwischenlager, in dem ihre abklingt. Bei einer dann folgenden werden wiederverwertbares und von den radioaktiven Spaltprodukten getrennt. Für die Wiederverwendung im müssen und wieder zu verarbeitet werden. Die radioaktiven werden verfestigt und dann als gelagert.
oder
- direkte :
Hier wird das gesamte einschließlich des darin noch enthaltenen Urans und Plutoniums nach einer zum Zerfall der kurzlebigen und damit verbundener Reduzierung der zerfallsbedingten Wärmeentwicklung als entsorgt. Dazu werden in einer Konditionierungsanlage die zerlegt, in endlagerfähige Gebinde verpackt und dann als endgelagert.
Aufgrund gesetzlicher Vorgaben ist in Deutschland seit 2005 nur noch die direkte abgebrannter 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 hochradioaktiver Abfälle zu finden, findet unter Aufsicht des BASE ein mehrstufiges Suchverfahren statt. In diesem sollen auch die abgebrannten aus deutschen Reaktoren in tiefen Gesteinsschichten sicher eingeschlossen werden.
Stand: 15.12.2023