Brennelemente und Wiederaufbereitung


Brennelemente und Wiederaufbereitung
Brennelemente und Wiederaufbereitung
 
Uran ist das am häufigsten verwendete Mineral für Kernbrennstoffe. Aber selbst in ergiebigen Mineralien ist der Urananteil so gering, dass er in mehrstufigen Verfahren erhöht werden muss, bis ein Gehalt zwischen 70 % und 90 % erreicht ist. Als Spaltmaterial für Leichtwasserreaktoren ist jedoch auch dieses Konzentrat nicht geeignet, denn nur 0,7 % des Urananteils bestehen aus dem für die Spaltung benötigten Isotop U-235, der Rest ist das (nicht spaltbare) U-238. Zur Verwertung muss man das U-235 auf mindestens 3 % anreichern. Dieser Prozess umfasst mehrstufige physikalische und chemische Verfahren.
 
 Brennelemente
 
Über mehrere Zwischenprodukte wie Uranhexafluorid (UF6) erhält man Urandioxid (UO2), das durch Pressen und Sintern bei 1700 ºC zu Brennstofftabletten verarbeitet wird. Reines Uran wäre wegen seines niedrigen Schmelzpunktes von 1132 ºC untauglich für den Einsatz in Kernkraftwerken; Urandioxid hingegen schmilzt erst bei 2800 ºC. Je nach Reaktortyp werden auch andere Kernbrennstoffe in unterschiedlichen Formen verwendet.
 
Am meisten verbreitet sind die standardisierten Brennelemente aus mehreren dünnen Brennstäben von einigen Meter Länge, gefüllt mit 50 bis 300 Brennstofftabletten und ummantelt von einer gasdichten Hülle aus Metall. Ein Brennelement für Druckwasserreaktoren etwa enthält ca. 530 kg Uran, solche für Siedewasserreaktoren 190 kg. In einem Kraftwerk können bis zu 1000 Brennelemente eingesetzt sein.
 
Nach etwa drei Jahren kann ein Brennelement nicht mehr seine Normalleistung abgeben. Deshalb wird bei der jährlichen Revision das älteste Drittel der Brennelemente gewechselt. Die ausgetauschten Elemente müssen zwischengelagert werden, bevor man sie in ein Endlager oder zur Wiederaufbereitung bringen kann.
 
 
Die Kernreaktion vermindert nicht nur den Gehalt an Spaltstoff U-235 in den Brennstäben, es bildet sich auch eine Reihe radioaktiver Isotope. Die meisten davon zerfallen in kurzen Zeiträumen zu stabilen Isotopen, weshalb die Brennelemente nach dem Wechsel erst in einem speziellen Lagerbecken im Reaktorgebäude zwischengelagert werden. Ein Teil der Isotope hat allerdings lange bis sehr lange Halbwertszeiten, so z. B. das Plutonium.
 
Vom Brennstoff U-235 ist in den verbrauchten Brennstäben noch etwa ein Viertel vorhanden. Zudem ist das entstandene Plutonium für die Herstellung neuer Brennelemente geeignet. Deshalb erscheint die Wiederaufarbeitung abgebrannter Brennelemente attraktiv. Immerhin lassen sich rund 97 % der Inhaltsstoffe danach wieder verwenden, nämlich die Uran-Isotope, das Plutonium und ein geringer Anteil der Transurane. Die restlichen Spaltprodukte aber sind hochradioaktiver Abfall, der sicher entsorgt werden muss.
 
Die chemische Wiederaufarbeitung wurde erstmals 1944 in den USA praktiziert. Allerdings war damals die Gewinnung von Plutonium für Kernwaffen der entscheidende Antrieb. In der Nachkriegszeit modifizierte man die Verfahren für eine echte Wiederaufarbeitung. Großtechnisch erprobt ist das Purex-Verfahren (Plutonium-Uran-Reduktion und -Extraktion). Grundaufgabe der Wiederaufbereitung ist, das noch vorhandene Uran und das neu entstandene Plutonium von den anderen während der Reaktion erzeugten Spaltprodukten zu trennen. Beim Purex-Verfahren löst man dazu den abgebrannten Brennstoff in Salpetersäure auf. Für die eigentliche Extraktion (Herauslösen bestimmter Substanzen aus flüssigen oder festen Stoffgemischen durch Lösungsmittel) benutzt man das Lösungsmittel Tributylphosphat, mit dem sich dann auch noch das Uran und Plutonium chemisch trennen lassen. Die verbleibende Lösung mit den Spaltprodukten muss für die Endlagerung konditioniert (herstellen von Abfallgebinden) werden. Das zurückgewonnene Plutonium und Uran werden wieder verwertet.
 
 
Hochradioaktive Abfälle werden mit Borosilikatglas verfestigt. Standardverfahren in Frankreich ist es, durch Erhitzen der Lösung ein Granulat zu erzeugen, das danach mit der Glasfritte zu Glas verschmolzen wird. Bei einem anderen Verfahren gibt man die hochaktive Lösung direkt in die Glasschmelze, wobei die Flüssigkeit verdampft und die radioaktiven Feststoffe in der Glasschmelze eingebunden bleiben. In beiden Fällen wird die Schmelze dann in Stahlbehälter von 150 l Inhalt gefüllt.
 
Diese 400 kg schweren Kokillen erzeugen wegen des fortlaufenden radioaktiven Zerfalls immer noch Wärme. Nach oberirdischer Abklingzeit sollen sie in unterirdischen Endlagern verstaut werden. Dorthin könnte man nach geeigneter Konditionierung die Brennstäbe auch direkt geben. Wiederaufarbeitung oder direkte Endlagerung, die Diskussion ist noch nicht abgeschlossen und wird international unterschiedlich bewertet.

Universal-Lexikon. 2012.

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