Brennstoffkreislauf
Auf seinem Weg von der Uranmine über den Einsatz im Kernkraftwerk bis zur Wiederaufarbeitung oder zur Entsorgung der radioaktiven Abfälle durchläuft das Uran anspruchsvolle Verarbeitungsprozesse. Alle diese Schritte fasst man unter dem Begriff «Kernbrennstoffkreislauf» zusammen.
Vom Urangestein zum Urankonzentrat
Uran gewinnt man aus Uranerz in Bergwerken oder als Nebenprodukt beim Abbau anderer Stoffe. Mehr Informationen zum Uranbergbau und zu den Uranreserven der Erde finden Sie hier.
Nach dem Abbau wird das uranhaltige Material vom übrigen Gestein getrennt, gebrochen und zermahlen. Danach wird das Uran auf chemischem Weg aus dem Restgestein herausgelöst und gereinigt. Das Produkt ist ein gelbes Pulver. Es besteht zu 90 Prozent aus einer Verbindung von Uran und Sauerstoff (Uranoxid) und wird wegen seines Aussehens «yellow cake» (gelber Kuchen) genannt.
Urankonzentrat
Das auch «yellow cake» genannte Urankonzentrat. Die Chemiker nennen dieses Pulver Uranoxid mit der Formel U3O8. (Bild: Andra)
Vom Urankonzentrat zum angereicherten Uran
Von den in der Natur vorkommenden Uransorten (sogenannten Isotopen) ist nur das Uran-235 leicht spaltbar. Doch Natururan und «yellow cake» bestehen hauptsächlich aus schwer spaltbarem Uran-238 und nur zu 0,7 Prozent aus Uran-235. Das ist zu wenig für das Aufrechterhalten einer Kettenreaktion in Leichtwasserreaktoren. Das Natururan muss daher «angereichert», d.h. der Anteil von Uran-235 erhöht werden: Einem Teil des Urans wird U-235 entzogen (es wird abgereichert) und dem andern zugefügt, bis er 4–5 Prozent Uran-235 enthält. Dieser Teil wird weiterverwendet.
Wie funktioniert der Anreicherungsprozess?
Der Anreicherungsprozess ist technisch sehr aufwändig, denn die einzelnen Isotope müssen dazu voneinander getrennt werden. Uran-235 und Uran-238 unterscheiden sich zwar nicht chemisch, sind aber unterschiedlich schwer. Der Atomkern von Uran-238 enthält drei Teilchen (Neutronen) mehr und ist geringfügig schwerer als Uran-235. Diesen Unterschied macht man sich bei der heute üblichen Trennung in schnell rotierenden Zentrifugen zunutze. Weil diese Methode sehr energiesparend ist, hat sie mittlerweile andere Verfahren wie die Anreicherung durch Diffusion ersetzt.
Vor der Anreicherung muss der «yellow cake» jedoch in eine für die weitere Verarbeitung geeignete Form gebracht werden. Dieser Schritt heisst «Konversion». Das Uranoxid wird in Uranhexafluorid, eine weisse, salzähnliche Verbindung, umgewandelt. Dieses Material lässt sich in der Anreicherungsanlage leicht zu Gas verdampfen und wird nach dem Trennprozess wieder in einen Feststoff zurückverwandelt.
In Europa gibt es kommerzielle Anreicherungsanlagen in Deutschland, Frankreich, Grossbritannien und den Niederlanden – energieeffiziente Zentrifugensysteme, welche die älteren Diffusionsanlagen ersetzt haben. In den USA wurde 2012 mit dem Bau einer Laseranreicherungsanlage begonnen, einer ganz neuen Technologie. Diese Anlagen stehen unter Kontrolle der Atomaufsichtsbehörde des jeweiligen Landes und der IAEO.
Nach dem Anreicherungsprozess bleibt in den Anreicherungsanlagen abgereichertes Uran übrig (in der Fachsprache auch Tails oder Depleted Uranium genannt). Es enthält nur noch wenig Uran-235 und wird eingelagert. Sollte der Uranpreis steigen, kann es sich lohnen, diesen Tails das restliche Uran-235 zu entziehen und für die Anreicherung zu nutzen. Möglich wäre auch, das abgereicherte Material – grösstenteils Uran-238 – in Zukunft als Brennstoff in sogenannten Schnellen Brütern einzusetzen. Abgereichertes Uran ist also kein Abfall, sondern potenzieller Kernbrennstoff. Die IAEO stellt umfangreiches Informationsmaterial zu diesem Thema zur Verfügung.
Zentrifugen
Energiesparend: Urananreicherung mit Zentrifugen (Bild: Urenco)
Vom angereicherten Uran zum Atomkraftwerk
Das angereicherte Uran wird zur Brennelementfabrik transportiert. Dort wird das Uranhexafluorid in das schwarze, pulverförmige Uranoxid (UO2) umgewandelt. Dieses wird zu kleinen Brennstofftabletten, sogenannten Pellets, gepresst und bei hohen Temperaturen zu dichter Keramik gebrannt.
Die Pellets werden in lange, dünne Rohre aus einer speziellen, sehr hitzebeständigen und neutronendurchlässigen Legierung eingefüllt. Diese Brennstäbe werden je nach Reaktortyp zu unterschiedlich grossen Brennelementen gebündelt. Damit ist der Kernbrennstoff bereit zum Einsatz im Kernkraftwerk.
Kernbrennstoff als Tablette
Der Kernbrennstoff Uran in der Form, wie er im Kernkraftwerk zum Einsatz kommt. Aus vier solchen Tabletten lässt sich so viel Strom erzeugen, wie ein vier-Personen-Haushalt in einem Jahr verbraucht. (Bild: KKG)
Montage eines Brennelementes
Ein Techniker montiert ein Brennelement. Die Urantabletten befinden sich in den einzelnen Brennstäben. (Bild: ANF)
Vom Kernkraftwerk zum Zwischenlager
Nach rund fünf Jahren im Reaktor und zahllosen Kernspaltungen ist von den vier bis fünf Prozent Uran-235 in den Pellets weniger als ein Prozent übrig. Das Brennelement hat ausgedient. Deshalb wird beim alljährlichen Brennstoffwechsel ein Fünftel der Brennelemente gegen frische ausgetauscht. Die ausgedienten Brennelemente sind stark radioaktiv und geben auch nach dem Entladen aus dem Reaktor Strahlung und Wärme ab. Sie werden im Brennelementlagerbecken des Kernkraftwerks eingelagert, einem grossen Wasserbecken, das die Brennelemente kühlt und ihre Strahlung zuverlässig abschirmt.
Im diesem Becken bleiben die Brennelemente für einige Jahre. Danach werden sie in dickwandige Transport- und Lagerbehälter verpackt und ins zentrale Zwischenlager (Zwilag) im aargauischen Würenlingen transportiert. Dort bleiben sie bis zur Inbetriebnahme des geologischen Tiefenlagers für hochaktive Abfälle zirka im Jahr 2060. In dieser Zeit klingt der grösste Teil der Radioaktivität ab, und die Brennelemente kühlen auf eine für das Wirtsgestein im Tiefenlager angemessene Temperatur ab.
Zwischenlager
Blick in das zentrale Zwischenlager in Würenlingen: Behälter mit hoch radioaktiven Abfällen und ausgedienten Brennelementen.
Vom Kernkraftwerk zum Recycling
Ein ausgedientes Brennelement besteht nur zu rund vier Prozent aus radioaktivem Abfall. Die übrigen 96 Prozent sind grundsätzlich weiterhin als Kernbrennstoff nutzbar (zumeist Uran-238, aber auch Uran-235 und Plutonium-239). In Wiederaufarbeitungsanlagen wie La Hague (Frankreich) oder Sellafield (England) werden die wiederverwertbaren Kernbrennstoffe vom radioaktiven Abfall getrennt. Sie stehen damit erneut für die Stromerzeugung zur Verfügung. Das rezyklierte Uran-235 und das in den ausgedienten Brennelementen entstandene Plutoniumdioxid können zusammen mit frischem Urandioxid als sogenannter Mischoxid-(MOX-)Brennstoff erneut in den bestehenden Kernkraftwerken eingesetzt werden.
Die bei der Wiederaufarbeitung zurückbleibenden hoch radioaktiven Abfälle werden in Glas eingeschmolzen, in Stahlbehälter verpackt und in robusten Transportbehältern transportiert. In diesen robusten Behältern, die heftigen Kollisionen, Feuer und sogar dem Beschuss durch schwere Projektile widerstehen, kommt der Abfall in die Schweiz zurück und wird im Zwischenlager in Würenlingen eingelagert.
Dieses Recycling schont nicht nur die Uranressourcen, sondern reduziert zugleich das Volumen der hoch radioaktiven Abfälle um 80 Prozent. Zudem nimmt durch das Abtrennen des Plutoniums die Giftigkeit der Abfälle stark ab und diese müssen zehn Mal weniger lang von der Umwelt ferngehalten werden. Dennoch bleibt ein geologisches Tiefenlager nötig.
Ressourcenschonung durch Recycling
Die Wiederaufarbeitungsanlage im französischen La Hague. (Bild: Areva)
Umstrittene Wiederaufarbeitung
Einige Länder verzichten auf die Wiederaufarbeitung. Die komplexen Prozesse und vor allem der Umgang mit Plutonium erfordern besondere Sicherheitsvorkehrungen, auch bei der Herstellung von MOX-Brennstoff. Wiederaufbereitungsanlagen folgen heute zwar einer Zero-Emission-Policy, doch höhere Abgaben der Vergangenheit belasten heute noch den Ruf der Anlagen.
Beim Verzicht auf das Recycling kommen die ausgedienten Brennelemente nach dem Abkühlen im Zwischenlager direkt ins Tiefenlager. Diese direkte Entsorgung kann Kosten sparen – die Wiederaufarbeitung ist ein aufwändiger und teurer Prozess – und vermindert Transporte. Dafür fällt das Tiefenlager durch die höheren Abfallvolumen grösser und teurer aus.
Über viele Jahre haben die Schweizer Kernkraftwerke ihren ausgedienten Kernbrennstoff rezykliert und mittlerweile sämtliche Wiederaufarbeitungsprozesse abgeschlossen. MOX-Brennstoff wird nicht mehr eingesetzt. Die Wiederaufarbeitung wurde nach einem Beschluss der Eidgenössischen Räte per Mitte 2006 für zehn Jahre sistiert und 2016 gänzlich verboten. Nun werden die verbrauchten Brennelemente in den Kernkraftwerken und im Zwischenlager in Würenlingen gelagert.
Vom Zwischenlager zum geologischen Tiefenlager
Letztlich werden sämtliche radioaktiven Abfälle in ein geologisches Tiefenlager gebracht. Dort sind sie bis zum Abklingen ihrer restlichen Radioaktivität vom Lebensraum der Menschen, Tiere und Pflanzen zuverlässig getrennt. Die internationale Fachwelt ist sich seit Langem einig, dass die Lagerung von hochaktivem Abfall in mehreren Hundert Metern Tiefe und geeignetem Gestein sicher ist. Der Abfall wird dadurch zuverlässig von der Biosphäre getrennt, bis er harmlos ist. Das gilt für die Entsorgung der Abfälle von Kernkraftwerken wie auch für die radioaktiven Abfälle aus Medizin, Industrie und Forschung. Das Schweizer Gesetz schreibt daher die geologische Tiefenlagerung für alle Arten von radioaktiven Abfällen vor.
Geologisches Tiefenlager
Tief im Fels eingeschlossen: im Bau befindlicher Zugangsstollen des geologischen Tiefenlagers für hoch radioaktive Abfälle in Olkiluoto, Finnland. (Bild: Posiva)