Referat Referat Der Brennstoffkreislauf

Referat

Der Brennstoffkreislauf:

Arbeitsschritte und Prozesse Brennstofkreislauf

Versorgung Suche und Abbau von Uranerzen Tageabbau und Untertageabbau) Gewinnung von Uran aus den Erzen

Anreicherung von U

Herstellung von Brennelementen und Anlieferung

Entsorgung Abtransport der abgebrannten Brennelemente

Trennung wiederverwertbaren Spaltstoffes von radioaktivem Abfall Herstellung neuer Brennelemente aus dem Wiederverwerteten Verpackung und Einlagerung der Abfälle

Abtransport

Kreislauf Wiederverwertung der Brennstäbe zur Versorgung. Dabei sind Versorgung und Entsorgung verbunden

Ein vollständiger Kresilauf liegt nicht vor, da immer neues Uran hinzugegeben, und abgebranntes, nicht wiederverwertbares, entfernt wird.

Uranvorkommen

Durchschnittlich pro t Gestein, g Uran; Uran x häufiger als Silber oder Gold zu finden. Erze sind wirtschaftlich nutzbar, wenn sie zwischen 1 und % kg- kg) Uran enthalten. Zu finden in Kanada, USA, Brasilien, S d- und Mittelafrika, Australien, Frankreich, Schweden und ehemalige UdSSR in Deutschland sind nur kleinere Vorkommen vorhanden. Diese sind im Schwarzwald, Bayrischer Wald, Fichtelgebirge und Erzgebirge zu finden. Wenn Uran mit Gold oder Vanadium gen. mit Metallen) läßt es sich auch verwerten. In der Erdkruste befinden sich ca. t Uran. ¾ auf Kontinenten und der Rest im Meer.

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

Verbrauch der westlichen Länder p. Jahr ist: t ) davon BRD t . F r 0 Jahre

Spaltstoff ist gesorgt, selbst hergestelltes nicht mitgerechnet (Brutvorgang U238 Pu

Urangewinnung:

Durch physikalische od. Chemische Verfahren wird das Uran aus dem Erz gewonnen. Z B durch rausbrechen und feines zermalmen (physikalisch , oder durch Säuren chemisch . Mit Säure kann man % des Urans trennen, das jedoch nicht rein ist, sondern durch Filtern, Fl ssigextraktion etc. herausgefiltert wird.

Durch MnO (Manganoxyd) NaOH Natriumhydroxid) und NH Stickstoff ) kann man Uran aus der Fl ssigkeit filtern. Bei Einsatz von NH entsteht nach der Trocknung ein gelber Stoff mit Namen yellow cake" der % Uran enth lt.

Anreicherung von Uran

U 8 und % U 5 sind im yellow cake" enthalten. F r ein Kraftwerk etwa % U . Man wandelt den yellow cake" in die gasförmige Verbindung UranHexaFluorid um, dabei wird der Stoff durch die chemischen Reaktionen noch mehr gereinigt (um aus 0,7% die 3 4% zu bekommen . Das Gas ist immer noch nicht ganz rein, deshalb wird es durch Filtern und Ausfrieren gereinigt werden. Bei einer Reinheit von % UranHexaFluorid) wird es in Stahlbehälter geladen und wegtransportiert.

Herstellung von Brennelementen

Durch ein Na chemisches Verfahren wird aus UranHexaFluorid Uranoxyd erzeugt. UranHexaFluorid wird mit Wasser und Amoniak und Kohlenstoffdioxid in einen Behälter gefügt, es entsteht Amoniumuranylkarbonat, das sich herausfiltern lässt. Diese wird erhitzt dabei entstehen, Ammoniak, Kohlenstoffdioxyd, Fluaorwasserstoff und Urantrioxyd UO In einer Wasserstoffatmosphäre Gasbehälter gefüllt mit Wasserstoff) wird es bei hohen Temperaturen zu Urandioxyd (UO UO ist ein graues Pulver, das zu Tabletten gepreßt wird. Diese werden bei

0 °C in einer Wasserstofatmosphäre gesintert. Sintern nennt man Zusammenbacken feinkörniger Substanzen

durch Erhitzen bis auf eine Temperatur, bei der die Substanz weich wird). Diese Tabletten werden noch geschliffen, damit sie ma genau sind. Dann werden sie in ein H llrohr aus Zirkaloy gefüllt und mit Helium geflutet. 30bar Helium wird reingepumpt, und dann verschloßen. Das ist ein prima Brennstab. Mehrere Brennstäbe in einem Bündel nennt man Brennelemennt.

Wiederaufarbeitung

Brennelemente sind bis zu 7 Jahre in einem Reaktor, und zwar an verschiedenen Stellen, um sie optimal zu nutzen. Manche Elemente werden zwischengelagert in einem Wasserbecken und k nnen später für kurze Zeit weiter verwendet werden. Im Kraftwerk Kr mmel werden 0 von 0 Elementen jährlich ausgetauscht, entspricht t Uran (die restlichen wechseln sich . Die Zusammensetzung der Urantabletten ändert sich beim einsetzen. Der Spaltstoff U 5 wird z.T. umgewandelt, z.T. gespalten in U 6 (durch Neutronzugabe), 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 thermische Energie pro Masse Brennstoff angegeben. Bei Leichtwasserreaktoren beträgt das ca. 3 MegaWattTage pro Kilogramm.

Aus Uran- 8 wird Plutonium 9 durch Neutroneneinfang, welches wiederum durch langsam Neutronen gespalten wird. Weil der Spaltstoff abnimmt und Neutronenabsorbierende Stoffe zunehmen, müssen die Brennelemente nach 7 Jahren ausgetauscht werden. Abgebrannte Brennelemente haben eine sehr hohe

spezifische Aktivität und sind sehr warm. Zuerst werden sie in Wasser gelagert, im Kraftwerk, wobei das Wasser die Strahlung fast vollständig abschirmt und die wärme aufnimmt. Die Aktivität geht nach 2 Monaten auf

% des Anfangswertes zur ck.

Die Brennstoffe werden aus den Stäben herausgelöst und in Säure aufgelöst. Bei weiteren chemischen Verfahren erhält man Uran, Plutonium und Spaltprodukte. Dies nennt man Purexverfahren.

Das Plutonium kann man direkt wiederverwenden, Uran- 6 jedoch ist nicht zu verwenden. Die Einzelteile Plutonium, Rohr) der kompletten Brennstäbe müssen sicher endgelagert werden. W rde man die Brennstäbe komplett lagern, w rden weniger Radioaktive Spaltstoffe bei der Wiederaufbereitung entstehen, jedoch w rde Uran- 5 und Plutonium 9 nicht mehr weiterbenutzt werden k nnen.

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. °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. Heutzutage lagert man die stark wärmeentwickelnden oberirdisch in gekühlten Edelstahl Behältern, oder in Silkatglasbl cken versuchsweise in Salzformationen Bergwerk) eingelagert.

Endlagerung

Die Abfallstoffe müssen von der Biosphäre abgeschlossen sein. Dies geschieht durch mehrfach Einschluß und stabile Lagerformen. F r den mehrfachen Einschluß sorgen Lagerbehälter und z.B. Gesteinsmaterial Bergwerk . Bei der Endlagerung darf kein Grundwasser in der Nähe vorhanden sein, es d rfen keine Risse und Klüften im Gestein vorhanden sein, und nur geringe seismische Aktivität. Im Salzstock Gorleben sind alle diese Gesichtspunkte erfüllt. Es wird Endlagerung von geringem und fast gar keiner Wärmentwicklung getestet. Im Salzbergwerg bei Wolfenb ttel Asse ) werden Lagerungstechniken getestet. Abfallprodukte zur Herstellung des yellow cakes oder andere Umwandlungsverfahren müssen aufgearbeitet werden, damit keine Schadstoffe in unzulässigen Konzentrationen vorhanden sind.

Transporte im Brennstoffkreislauf

Der Transport des Uranerzes ist unproblematisch. Yellow cake wird in Stahlf ssern mit 400l

Fassungsverm gen transportiert. UF Uranhexafluorid) wird in Druckbehältern befördert, da es schon bei 5

^{°C gasförmig wird. Die Behälter müssen dabei dicht bleiben, da UF eine hohe chemische Toxizität hat. Es ist}

jedoch nur sehr gering aktiv. Es muß eine Unkritische Anordnung bei Transport und Lagerung gewährt werden,

so daß es nicht zu einer Kettenreaktion kommen kann. Keine Transportwege entstehen bei UO (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 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 hat Kühlrippen oder Kühlstifte und ist m lang und hat einen Durchmesser von 5 Meter. t Transportgut kann er aufnehmen (ein Brennstab ca. t) und wiegt dabei zwischen 2 und t (der Behälter). Er muß sehr hohen Anforderungen gerecht werden in Bezug auf:

Mechanische Stabilität aus m auf eine Stahlplatte mit Betonuntergrund bzw. 2 m, auf einen Stahdorn von

15cm H he)

Dichtheit Std bei cm unter Wasser) und

Temperatur (30Minuten bei °C)

in der BRD, USA und GB noch aus m auf Wüstenboden und der Zusammenprall des Behälter mit einer Lok bei 0 km/h.

Bei der Wiederaufbereitung fallen Spaltprodukte mit Wasser gemischt , Uran und Plutonium an. Feste Spaltprodukte k nnen in den gleichen Transportbehältern wie die Brennelemente transportiert werden. Da sehr hohe Temperaturen entstehen, m en 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 Plutoniuml sung nicht kritisch wird (damit s nicht durchbrennt , dieser Behälter ist in einem Stahlrohrkäfig, damit der Abstand gewährleistet wird.

Wiederaufbereitung abgebrannter Brennelemente durch das Purex Verfahren

Bei Spaltung von U 5 ist das Verh ltnis der Gewicht der Tr mmerkerne häufig : . Auf 5 verschiedenen Elementen bauen sich 0 verschiedene Spaltprodukte auf, die die Massenzahle von 0 aufweisen. Es entstehen also große Mengen an Radionukliden (radioaktive Stoffe . Das kommt daher, daß im Kern der Spaltprodukte Neutronenüberschuß herrscht der durch -Zerfall abgebaut wird wobei stabile Kerne entstehen. Die spezifische Aktivität der Spaltprodukte ist ziemlich hoch nach 6 Monate das Fache von Natururan . Nach 7 Jahren werden die Brennstäbe aus dem Reaktor in ein Wasserbecken in dem Kernkraftwerk verlegt. Während sie im Wasserbecken sind, zerfallen die meisten Spaltprodukte, und es bleiben nur Radionuklide mit längerer HWZ zur ck. Das Wasser im Lagerbecken dient hierbei als Strahlenabschirmung und Kühlung. In speziellen Transportbehältern die so konstruiert sind, daß eine Ausreichende Strahlenabschirmung, ausreichende Kühlung und Stabilität vorhanden sind, zu den Endlagern transportiert. Die zu Genehmigenden Transporte müssen auf dem gesamten weg bewachten werden. Bei 0 MegaWatt Leistung bei einem Kraftwerk sind 6

Transporte pro Jahr notwendig, wobei 0 Brennelemente pro Behälter vorhanden sein k nnen. Die Transporte werden in einem Zwischenlager bzw. In dem Eingangslager der Wiederaufbereitungsanlage aufbewahrt. Die Aktivität kann hierbei noch weiter abklingen, was aber nicht n tig wäre, da eine Aufarbeitung schon nach kurzer Lagerung m glich ist. Zur Wiederaufbereitung verwendet man das Purex verfahren. cm lange St cke werden

von den Brennstäben abgesägt und in Salpetersäure gelegt wobei Uranylnitrat und Plutonium Nitrat und Nitrate der Spaltprodukte entstehen. Mit Hilfe des Extraktionsmittels Tri N Butyl phosphat, das mit % Kerosin verdünnt ist (die L sung hei t TBP , in die drei Komponenten Uran, Plutonium und Spaltprodukte aufgel st. Bei diesem Vorgang l st TBP30 die Nitrate des Urans und des Plutoniums wobei die Spaltprodukte im wässrigen Teil der L sung zur ck bleiben. Die wäßrige L sung l st sich vom Extraktionsmittel und kann so leicht vom Rest getrennt werden. Dieser Vorgang muß mehrmals durchgeführt werden, um eine % Trennung zu erreichen. Hinzu kommen noch mehrere chemische Aufbereitungsverfahren. Uran und Plutonium werden wieder zu Brennelementen verarbeitet, während die Spaltprodukte gekühlt gelagert werden müssen. Die Spaltprodukte sind Hochaktiv mit einer Aktivität von 0 Bequerel pro Liter. Nach jähriger Lagerung kann man eine

Verglasung vornehmen. Beim zerschneiden und beim L sen des Brennstoffes in der Salpetersäure entstehen gasförmige und leichtfl chtige Spaltprodukte, z B. Xenon, und Stickstoffoxyde, die aus den Abgasen getrennt werden müssen. Man braucht besondere Sicherheitsma nahemen bei der Handhabung von der L sung von Plutonium. Es darf kein Volumen und keine Konzentaration erreicht werden, bei der eine Kettenreaktion selbständig eintreten kann. Es k nnen also nur kleinere Mengen Plutoniuml sung verarbeitet werden, wobei noch Neutronenabsorbiere beigemengt werden. Die Oberfläche der Behälter ist so konzipiert, daß ein großer Neutronenverlust entsteht. Die Wiederaufarbeitung muß durch dicke Betonwände abgeschirmt sein m . Da hochaktive Stoffe verarbeitet werden. Zur Bearbeitung werden Roboter benutzt, die durch Bleiglasfenster gesteuert und beobachtet werden k nnen. Gewartet k nnen diese Roboter nur werden, wenn der Raum gründlich gereinigt worden ist. In den Betriebsräumen herscht Unterdruck, damit kein Gas in die Umgebung entweichen kann, jedoch wird die Anlage ständig be- und entlüftet, damit sich keine gasförmigen und leichtfl chtige radioaktive Stoffe ansammeln.