DER BRENNSTOFFKREISLAUF

Begriff:

Von einem Brennstoffkreislauf kann gesprochen werden, da die aus abgebrannten Brennelementen zurückgewonnen Brennstoffe erneut zur Brennelementherstellung verwendet werden. Ein vollständiger Kreislauf liegt jedoch nicht vor, da andauernd Uranerz zugeführt und radioaktive Abfälle aus dem Kreislauf entfernt werden müssen.

A.Versorgung der Kernkraftwerke mit Brennelementen

Uranvorkommen

Durchschnittlich ist  pro 1t Gestein, 3g Uran ( 100x häufiger als Silber oder Gold ) zu finden. Diese Uranerze sind wirtschaftlich nutzbar, wenn sie zwischen 0,1 und 0,5% (100kg-500kg) Uran enthalten. Huptsächlich zu finden in Kanada, USA, Brasilien, Süd- und Mittelafrika, Australien, Frankreich, Schweden, der ehemaligen UdSSR. In Deutschland sind nur kleinere Vorkommen vorhanden. Diese befinden sich im Schwarzwald, Bayrischen Wald, Fichtel- und Erzgebirge. Wenn Uran mit Gold oder Vanadium vermengt ist läßt sich auch ärmeres Uranerz verwerten. In der Erdkruste befinden sich ca. 41*10¹² t Uran. ¾ auf Kontinenten und der Rest im Meer.

Der Anteil an nutzbarem Uran liegt bei  6*10⁶ t.

Der Verbrauch der westlichen Länder pro Jahr beläuft sich auf: 4.5*10⁴t ( davon BRD 3.3*10³ t ). Nach heutigem Verbrauch reicht der Spaltstoff noch für 130 Jahre aus, selbst hergestellter nicht mitgerechnet (Brutvorgang U238 à Pu239).

Urangewinnung

Durch physikalische oder chemische Verfahren wird das Uran aus dem Erz gewonnen. So z.B. durch Ausbrechen und feines zermalmen (physikalisch), oder durch Säuren (chemisch). Mit Säure kann man 90% des Urans trennen, das jedoch nicht rein ist, sondern durch Filtern, Flüssigextraktion usw. herausgefiltert wird.

Durch MnO (Manganoxyd), NaOH (Natriumhydroxid) und NH₃ (Stickstoff) kann man Uran aus der Flüssigkeit filtern. Bei Einsatz von NH₃ entsteht nach der Trocknung ein gelbes Urankonzentrat mit Namen "Yellow Cake" der 70-80% Uran enthält.

Anreicherung von Uran-235

99,3% U-238 und 0,7% U-235 (natürliche Isotopenzusammensetzung des Urans) sind im "Yellow Cake" enthalten. Für den Einsatz im Kraftwerk wird etwa 3-4% U-235 benötigt. Man wandelt den "Yellow Cake" in die gasförmige Verbindung UranHexaFluorid um. Dabei wird der Stoff durch die verschiedenen chemischen Reaktionen noch mehr gereinigt. Das entstandene Gas ist immer noch nicht ganz rein, deshalb wird es durch Filtern und Ausfrieren gereinigt. Bei einer Reinheit von 99,5% (UranHexaFluorid) wird es in Stahlbehälter geladen und zur Anreicherungsanlage transportiert. Für Anreicherung stehen das Diffusions-, Zentrifugen und Trenndüsenverfahren zur Verfügung.

Herstellung von Brennelementen

Durch ein naßchemisches Verfahren wird aus UranHexaFluorid Uranoxyd erzeugt. UranHexaFluorid wird mit Wasser und Amoniak und Kohlenstoffdioxid in einen Behälter gefügt, es entsteht Amonium-Uranyl-Carbonat (AUC=gelber Niederschlag), das sich herausfiltern lässt. Dieses wird erhitzt, wobei Ammoniak, Kohlenstoffdioxyd, Fluorwasserstoff und Urantrioxyd (UO₃) entstehen. In einer Wasserstoffatmosphäre (Gasbehälter gefüllt mit Wasserstoff) wird es bei hohen Temperaturen zu Urandioxyd (UO₂) umgewandelt. UO₂ ist ein graues Pulver, das zu Tabletten gepreßt wird. Diese werden bei 1700 °C in einer Wasserstofatmosphäre gesintert. (Sintern nennt man das Verschmelzen feinkörniger Substanzen durch Erhitzen bis auf eine Temperatur, bei der die Substanz weich wird). Diese Tabletten werden nun noch auf eine streng genormte Größe geschliffen. Dann werden sie in ein Hüllrohr aus Zirkaloy gefüllt und mit Helium geflutet. 1-30bar Helium wird eingebracht, und dann verschlossen. So ist ein fertiger Brennstab entstanden. Mehrere Brennstäbe in einem Bündel nennt man Brennelemente.

Wiederaufarbeitung abgebrannter Brennelemente

Brennelemente sind bis zu 7 Jahre in einem Reaktor, und zwar an verschiedenen Stellen, um sie optimal zu nutzen. Manche Elemente werden in einem Wasserbecken zwischengelagert und können später für kurze Zeit weiter verwendet werden. Die Zusammensetzung der Urantabletten ändert sich beim Einsetzen.

Der Spaltstoff U-235 wird z.T. durch Kernspaltung, z.T. durch Umwandlung in U-236 verbraucht, wobei die Spaltprodukte radioaktiv sind. Der Verbrauch an Spaltstoff wird Abbrand genannt, obwohl keine Verbrennung stattfindet. Der Grad des Abbrandes (wieviel Spaltstoff entsteht) wird in erzeugter thermischer Energie pro Masse Brennstoff angegeben. Bei Leichtwasserreaktoren beträgt das ca. 33 MegaWattTage pro Kilogramm.

Aus Uran-238 wird durch Neutroneneinfang Plutonium-239, welches wiederrum durch langsame Neutronen gespalten wird. Weil der Spaltstoff abnimmt und neutronenabsorbierende Spaltprodukte zunehmen, müssen die Brennelemente nach 7 Jahren ausgetauscht werden.

Abgebrannte Brennelemente haben eine sehr hohe spezifische Aktivität und sind sehr warm. Zuerst werden sie im Kraftwerk in Wasser gelagert, wobei das Wasser die Strahlung fast vollständig abschirmt und die Wärme aufnimmt. Die Aktivität geht nach 6-12 Monaten auf 0,1% des Anfangswertes zurück.

Die Brennstoffe werden nun aus den Stäben heraus- und in Säure aufgelöst. Bei weiteren chemischen Trennverfahren erhält man Uran, Plutonium und Spaltprodukte. Dies nennt man Purex-Verfahren.

Das Plutonium kann man direkt wiederverwenden, Uran-236 jedoch ist nicht direkt wiederverwendbar. Die Einzelteile (Rohr usw.) der kompletten Brennstäbe müssen sicher endgelagert werden. Würde man die Brennstäbe komplett lagern, würden weniger radioaktive Spaltstoffe bei der Wiederaufbereitung entstehen, jedoch würde Uran-235 und Plutonium-239 nicht mehr weiterbenutzt werden können.

B. Behandlung und Endlagerung radioaktiver Abfälle

Konditionierung radioaktiver Abfälle

Radioaktive Abfälle sind Unterteilt in

Abfälle mit fast gar keiner Wärmeentwicklung (Milliwatt)

Geringe Wärmeentwicklung (im Wattbereich)

starke Wärmeentwicklung (im Kilowattbreich bis ca. 200°C)

Konditionieren bedeutet, radioaktive Abfälle, endlagerungsfähig zu machen. Bei fast gar keiner und geringer Wärmeentwicklung werden sie in Metallfässer gefüllt, oder mit Beton umgeben. Bei großer Wärme werden die Abfälle mit flüssigem Glas gemischt, aus dem dann Glasblöcke hergestellt werden. Heutzutage lagert man die  stark wärmeentwickelnden Abfälle oberirdisch in gekühlten Edelstahlbehältern, oder in Silkatglasblöcken versuchsweise in Salzformationen (Bergwerk).

Endlagerung

Die Abfallstoffe müssen auf Dauer von der Biosphäre abgeschlossen sein. Dies geschieht durch mehrfachen Einschluß und stabile Lagerformen. Für den mehrfachen Einschluß sorgen Lagerbehälter und z.B. Gesteinsmaterial (Bergwerk). Anforderungen an für die Endlagerung vorgesehenen, geologischen Formationen:

Abwesenheit von Grundwasser

Fehlen von Rissen und Klüften im Gestein

Geringe seismische Aktivität

Im Salzstock Gorleben und Eisenerzbergwerk Konrad bei Salzgitter sind in der BRD alle diese Gesichtspunkte erfüllt. Es werden dort stark wärmeentwickelnde Abfälle bzw. Abfälle mit geringer oder fast gar keiner wärmeentwicklung eingelagert. Im Salzbergwerg bei Wolfenbüttel (Asse 2) werden Lagerungstechniken erforscht. Abfallprodukte die bei der  Herstellung des Yellow Cakes oder bei anderen Umwandlungsverfahren entstehen, müssen aufgearbeitet werden, damit keine Schadstoffe in unzulässigen Konzentrationen vorhanden sind.

Transporte im Brennstoffkreislauf

Der Transport des Uranerzes ist unproblematisch und kann in offenen Lastwagen durchgeführt werden.Der "Yellow Cake" wird in Stahlfässern mit 200-400l Fassungsvermögen transportiert. UF₆ (Uranhexafluorid) wird in Druckbehältern befördert, da es schon bei 56,5 °C gasförmig wird. Die Behälter müssen dabei dicht bleiben, da UF₆  eine hohe chemische Toxizität hat, jedoch nur sehr gering aktiv ist. Nach der Anreicherung muß eine unterkritische Anordnung bei Transport und Lagerung gewählt werden, so daß es nicht zu einer Kettenreaktion kommen kann. Keine Transportwege entstehen bei UO₂ (Urandioxyd), da es direkt in Brennelemente weiterverarbeitet wird, die dann in Transportbehältern zum Kraftwerk gefahren werden. Auch hierbei ist nur geringe Aktivität vorhanden. Der Transport von in einem Reaktor eingesetzten Brennelementen muß sehr sicher sein, da in den Brennstäben enthaltene Spaltprodukte eine hohe spezifische Aktivität (hohe Kernumwandlung) haben und sehr heiß werden. Der Transportbehälter ist aus Stahl und ist außen mit Kühlrippen oder Kühlstiften versehen. Er muß sehr hohen Anforderungen in Bezug auf mechanische Stabilität, Dichtheit und Temperatur gerecht werden. In Deutschland werden folgende Sicherheitsprüfungen durchgeführt:

Freier Fall des Behälters aus 9m Höhe auf ein Betonfundament

Freier Fall aus 1,2m Höhe auf einen Stahldorn von 15cm Höhe

Im Anschluss an Fallversuche 30 minütiger Feuertest bei mindestens 800 °C

Achtstündiges Eintauchen des Behälters in Wasser bei 90cm Wassertiefe

(Fall aus 600m Höhe auf Wüstenboden, Zusammenprall mit einer Lokomotive)

Bei der Wiederaufbereitung fallen Spaltprodukte (mit Wasser gemischt), Uran und Plutonium an. Feste Spaltprodukte können in den gleichen Transportbehältern wie die Brennelemente transportiert werden. Da sehr hohe Temperaturen entstehen, müssen zum Teil Zwangskühler eingesetzt werden. Auch entsteht durch Radiolyse (Zersetzung) des Wassers Sauerstoff und Wasserstoff, wobei ein starker Druck entsteht. Plutonium wird in kleinen Behältern transportiert damit die Plutoniumlösung nicht kritisch wird (damit es nicht durchbrennt). Dieser Behälter ist in einem Stahlrohrkäfig, damit der Abstand gewährleistet wird.

Quellenliteratur:

-Kernenergie Basiswissen S.74-91 Kapitel 8: Der Brennstoffkreislauf und die Entsorgung

-Stark ABITUR TRAINING Chemie 1 S.72/73 Brennstoffkreislauf

-Schulbuch: Chemische Analytik / Kernchemie / Modellvorstellungen        S.122