Recycling im Kernbrennstoffkreislauf

Die besonderen Eigenschaften des Urans machen es möglich, dass es rohstoffsparend in einem Kreislauf genutzt werden kann. Die verschiedenen Schritte – von der Gewinnung des Urans im Bergwerk über den Einsatz des Kernbrennstoffs im Kernkraftwerk bzw. Atomkraftwerk bis zur Rezyklierung und zur Entsorgung der radioaktiven Abfälle – werden unter dem Begriff «Kernbrennstoffkreislauf» zusammengefasst.

Der Weg des Urans beginnt mit seiner Gewinnung aus der Natur, meist aus Gesteinen in Bergwerken oder als Nebenprodukt beim Abbau anderer Stoffe.

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Nach dem Abbau wird das uranhaltige Material vom übrigen Gestein getrennt, gebrochen und zermahlen. Danach wird auf chemischem Weg das Uran aus dem Restgestein herausgelöst und gereinigt. Das Produkt ist ein gelbes Pulver. Es besteht zu 90% aus einer Verbindung von Uran und Sauerstoff und wird wegen seines Aussehens «Yellow cake» (gelber Kuchen) genannt.

Von den in der Natur vorkommenden Uransorten (sogenannten Isotopen) ist nur eine Sorte – das Uran-235 – leicht spaltbar. Im «Yellow cake», das aus der Uranmine kommt, hat Uran-235 aber nur einen Anteil von rund 0,7%. Für den Betrieb des weltweit häufigsten Reaktortyps – den Leichtwasserreaktoren – ist das zu wenig. Für mehr Informationen zu den verschiedenen Uransorten und ihren Eigenschaften klicken Sie bitte hier.

Auch die fünf Schweizer Kernkraftwerke Beznau-1 und -2, Mühleberg, Gösgen und Leibstadt sind mit Leichtwasserreaktoren ausgerüstet. Dieser Reaktortyp benötigt einen Kernbrennstoff, dessen Gehalt an Uran-235 leicht höher ist als im natürlichen Uran. Dieses wird daher «angereichert», d.h. das Verhältnis zwischen den Uransorten wird zugunsten des Urans-235 geändert.

Dieser Anreicherungsprozess ist technisch sehr aufwendig. Eingesetzt werden Trennverfahren, die den Gewichtsunterschied zwischen dem Uran-235 und dem Uran-238 ausnützen. Der Atomkern von Uran-238 enthält drei Teilchen (Neutronen) mehr – und ist damit geringfügig schwerer als Uran-235.

Damit das Uran in den Anreicherungsanlagen verarbeitet werden kann, muss der «Yellow cake» zuvor in eine geeignete Form gebracht werden. Dieser Schritt heisst «Konversion». Das Uran liegt jetzt als weisse, salzähnliche Verbindung vor. Dieses Material lässt sich in der Anreicherungsanlage leicht zu beweglichem Gas verdampfen und nach dem Trennprozess wieder in den Feststoff zurückverwandeln.

Für die Anreicherung des Urans-235 gibt es mehrere Verfahren. Heute hat sich die Trennung in schnell rotierenden Zentrifugen durchgesetzt, weil diese Methode vergleichsweise energiesparend ist.

In Europa gibt es kommerzielle Anreicherungsanlagen in Deutschland, Frankreich, Grossbritannien und den Niederlanden. Das leicht angereicherte Uran ist nur für Atomkraftwerke geeignet und für Atomwaffen unbrauchbar. Die Anreicherungsanlagen werden von der Atomaufsichtsbehörde des jeweiligen Landes und der IAEA kontrolliert und überwacht.

Als Rückstand bleibt bei der Anreicherung das sogenannte abgereicherte Uran übrig. Es enthält nur noch wenig Uran-235 und wird eingelagert. Es kann bei steigendem Uranpreis erneut in die Anreicherung gegeben werden, um einen weiteren Anteil des noch vorhandenen Urans-235 zu nutzen. Zudem gibt es die Möglichkeit, dieses Uran in Zukunft in sogenannten Schnellen Brütern für die Energieproduktion einsetzen. Abgereichertes Uran ist also kein Abfall, sondern potenzieller Kernbrennstoff. Die IAEA stellt umfangreiches Informationsmaterial zum Thema abgereichertes Uran («depleted uranium») zur Verfügung. Für mehr Informationen klicken Sie bitte hier  (Informationen auf Englisch)

Das mit Uran-235 leicht angereicherte Material wird zur Brennelementfabrik transportiert. Dort wird das Uran neuerlich umgewandelt. Aus einem weissen Salz entsteht ein schwarzes Pulver (Uranoxid, chemische Formel UO₂). Dieses wird zu kleinen Brennstofftabletten gepresst, sogenannten «Pellets».

Die Pellets werden in lange, dünne Rohre eingefüllt. Diese Brennstäbe werden je nach Reaktortyp zu unterschiedlich grossen Brennelementen gebündelt. Damit ist der Kernbrennstoff bereit zum Einsatz im Kernkraftwerk.

Im Kernkraftwerk (KKW) bekommt der Kernbrennstoffkreislauf seinen Sinn: Hier wird das Uran im Reaktor gespalten. Die frei werdende Energie wird in Strom umgewandelt und an das Stromnetz abgegeben. Für mehr Informationen zur Funktionsweise eines Atomkraftwerks (AKW) klicken Sie bitte hier.

Nach einigen Jahren im Reaktor ist in einem Brennelement so viel Uran gespalten worden, dass es durch ein frisches Brennelement ersetzt werden muss. Alljährlich findet ein solcher  Brennelementwechsel statt, bei dem ein Teil der Brennelemente aus dem Reaktor herausgenommen wird. Diese ausgedienten Brennelemente werden dann ins Zwischenlager im Kernkraftwerk gebracht.

Die ausgedienten Brennelemente sind hochradioaktiv und geben auch nach dem Entladen aus dem Reaktor noch Wärme ab. Im Brennelementlager des Atomkraftwerks kühlen sie für einige Jahre ab und verlieren einen Teil ihrer Radioaktivität. Nach dieser Lagerphase im Kraftwerk werden sie ins zentrale Zwischenlager (Zwilag) in Würenlingen im Kanton Aargau transportiert. Dort bleiben sie für rund vier Jahrzehnte. In dieser Zeit klingt ein wesentlicher Teil der Radioaktivität ab und die Brennelemente kühlen weiter aus.

Für mehr Informationen zum Zwischenlager klicken Sie bitte hieroder Sie besuchen die offizielle Website des Zwilag.

Zusätzliche Informationen zum Transport von radioaktiven Stoffen finden Sie hier.

Ein ausgedientes Brennelement, so wie es nach drei bis vier Jahren Betrieb aus dem Reaktor entladen wird, besteht nur zu rund 4% aus radioaktivem Abfall. Die übrigen 96% sind grundsätzlich weiterhin als Kernbrennstoff nutzbar. In Wiederaufarbeitungsanlagen wie La Hague (Frankreich) oder Sellafield (England) werden die wieder verwertbaren Kernbrennstoffe vom hochradioaktiven Abfall getrennt. Sie stehen damit erneut für die Stromerzeugung zur Verfügung.

Die zurückbleibenden hochradioaktiven Abfälle werden zu glasartigen Körpern für die geologische Tiefenlagerung verarbeitet und in spezielle Behälter verpackt, die heftigen Kollisionen, Feuer und sogar dem Beschuss durch schwere Projektile widerstehen. Die Behälter mit dem hochradioaktiven Abfall kommen in die Schweiz zurück und werden im Zwischenlager in Würenlingen eingelagert.

Dieses Recycling schont die Uranressourcen, reduziert das Volumen der radioaktiven Abfälle und die Zeit, während der sie von der Umwelt ferngehalten werden müssen.

Es gibt Länder, die auf das Wiederaufarbeiten verzichten und die ausgedienten Brennelemente nach ihrer Abkühlung im Zwischenlager direkt ins Tiefenlager bringen. Das vermindert zwar Transporte, erhöht allerdings das Volumen der hochradioaktiven Rückstände. Ausserdem wird die Dauer, während der sie von der Umwelt ferngehalten werden müssen, auf das Zehnfache verlängert.

Bis vor kurzem haben die Schweizer Kernkraftwerke ihren ausgedienten Kernbrennstoff rezykliert. Im Jahr 2003 haben die Eidgenössischen Räte jedoch ein Moratorium verfügt: Seit Mitte 2006 dürfen während zehn Jahren keine Brennelemente mehr ins Ausland überführt werden. Stattdessen werden die Brennelemente zuerst in speziellen Lagern bei den Atomkraftwerken und anschliessend im Zwischenlager in Würenlingen gelagert. In dieser Zeit klingt bereits ein grosser Teil der Radioaktivität ab. Ob die Brennelemente später wieder aufbereitet werden oder vom Zwischenlager direkt in ein Endlager für hochaktive Abfälle (HAA) gebracht werden, ist derzeit noch nicht entschieden.

Für mehr Informationen zum rechtlichen Rahmen in der Schweiz klicken Sie bitte hier.

Nach dem Abkühlen im Zwischenlager werden die verglasten hochradioaktiven Abfälle aus dem Recycling und die zur direkten Entsorgung bestimmten ausgedienten Brennelemente in ein geologisches Tiefenlager gebracht. Dort sind sie bis zum Abklingen ihrer restlichen Radioaktivität vom Lebensraum der Menschen, Tiere und Pflanzen zuverlässig getrennt.

International sind sich die Fachleute seit langem einig, dass die Lagerung tief unten in geeigneten Gesteinen ein sicherer Weg für viele tausende von Jahren ist. Das gilt für die Entsorgung der Abfälle der Atomkraftwerke wie auch für die radioaktiven Abfälle aus Medizin, Industrie und Forschung.

Das Schweizer Parlament hat daher die geologische Tiefenlagerung für alle Arten von radioaktiven Abfällen verbindlich vorgeschrieben.

Für ausführlichere Informationen zur Entsorgung der radioaktiven Abfälle klicken Sie bitte hier.