Brennelemente

Austausch und Sanierung
Der Austausch und die Wiederaufbereitung von bestrahlten Brennelementen ist aus mehreren Gründen notwendig:

1. Während des Reaktorbetriebs werden Spaltprodukte mit einer hohen Netendenz zur Neutronenabsorption (Neutroneneinfang ist eine Kernreaktion, bei der ein Atomkern und ein oder mehrere Neutronen kollidieren und zu einem schwereren Kern verschmelzen) gebildet. Da die Konzentration der Spaltprodukte während des Betriebs des Reaktors kontinuierlich zunimmt, nimmt die Dichte des Neutronenflusses (der Neutronenfluss ist eine in der Kernreaktorphysik verwendete Größe, die der von allen Neutronen pro Zeit- und Volumeneinheit zurückgelegten Gesamtlänge entspricht, oder nahezu äquivalent zur Anzahl der Neutronen, die eine Einheitsfläche in Zeiteinheit durchlaufen) ab. Ab einem bestimmten Spaltproduktgehalt würde die Kettenreaktion schließlich zum Stillstand kommen.

 

1. Die mechanischen Eigenschaften des Brennstabes (Kernbrennstoff ist eine Substanz, die in Kernkraftwerken zur Erzeugung von Wärme für Turbinen verwendet wird) werden durch Neutronenbestrahlung verändert. Sie können z.B.

spröde

1. werden und so unter den Belastungen im Reaktorbetrieb reißen. Erhöhte Radionuklide können dann durch Leckage in den Kühlmittelkreislauf gelangen. Der Austausch der Brennelemente in bestimmten Zeitabständen ist daher aus Sicherheit

   sgründen notwendig.

 

1. Der Einsatz von Brennelementen ist aber auch durch den Anreicherungsgrad von U-235 begrenzt. Nur dieses Isotop (Isotope sind Varianten eines bestimmten chemischen Elements, die sich in der Neutronenzahl unterscheiden) ist für die Kernspaltung in Reaktoren geeignet. Sobald der Gehalt an Uran-235 von maximal 3,5 Gew.-% (Anreicherung) auf etwa 1 % gesunken ist, müssen die Brennelemente ersetzt werden.

 

1. Grundsätzlich ist es denkbar, dass die bestrahlten Brennelemente ohne

Wiederaufarbeitung

1. entsorgt werden können (die

nukleare

1. Wiederaufbereitungstechnik wurde entwickelt, um spaltbares

Plutonium

1. aus bestrahlten Kernbrennstoffen chemisch zu trennen und zurückzugewinnen). Das etwa 95%ige

U-238

1. (Uran-238 ist mit über 99% das häufigste

Uranisotop

1. der Natur), 0,8% U-235 (Uran-235 ist ein Uranisotop, das etwa 0,72% des Natururans ausmacht) und das daraus resultierende etwa 1%ige Plutonium, das auch für die Kernspaltung geeignet ist, würde verloren gehen. Darüber hinaus ist es aus Sicherheitsgründen wahrscheinlich sinnvoller, Plutonium für die Kernspaltung einzusetzen (In der

Kernphysik

1. und Kernchemie ist die Kernspaltung entweder eine Kernreaktion oder ein radioaktiver Zerfallsprozess, bei dem sich der Kern eines Atoms im Reaktor in kleinere Teile aufspaltet) und damit unschädlich macht.

 

1. Etwa ein Drittel der Brennelemente wird jährlich ausgetauscht, d.h. die Elemente bleiben drei Jahre im Reaktor. Nach der Extraktion werden sie in einem Wasserbecken im Kernkraftwerk gelagert (Ein Kernkraftwerk oder Kernkraftwerk ist ein Wärmekraftwerk, in dem die Wärmequelle ein Kernreaktor ist).

 

1. Während dieser Zeit zerfallen die Spaltprodukte mit kürzeren Halbwertszeiten fast vollständig, so dass nur die Radionuklide mit längeren Halbwertszeiten zurückbleiben. Das

Wasser

1. im Brennelementlagerbecken dient zur Strahlungsabschirmung und

Kühlung

1. der Brennelemente. Die Zersetzung der Spaltprodukte führt zu einer recht hohen Heizleistung, die jedoch schnell nachlässt.

 

1. Die Brennelemente werden in speziellen Transportbehältern (Castor) zu einem

Zwischenlager

1. transportiert. Die Behälter sind so konzipiert, dass sie eine Strahlenabschirmung, eine ausreichende Kühlung und eine hohe Stabilität bei möglichen Transportunfällen gewährleisten. Jeder einzelne Transport muss auf der gesamten Strecke genehmigt und überwacht werden.

 

1. Für ein Kernkraftwerk mit einer elektrischen Leistung von 1300 MW sind 5-6 Einzelcontainertransporte pro Jahr notwendig. Je nach Größe können 3 bis 30 Brennelemente in einem Behälter untergebracht werden. Nach dem Transport werden die Brennelemente in einem Zwischenlager gelagert, das auch das Empfangslager einer Wiederaufbereitungsanlage sein kann. Hier kann die Aktivität der Spaltprodukte weiter nachlassen. Grundsätzlich ist die Wiederaufbereitung von Brennelementen jedoch bereits nach einer kürzeren Lagerzeit möglich. Heute wird das so genannte Purex-Verfahren (PUREX ist ein chemisches Verfahren zur Reinigung von Brennstoffen für Kernreaktoren oder Kernwaffen) zur Wiederaufbereitung von Brennelementen eingesetzt. Zunächst werden die Brennstäbe in ca. 5 cm lange Stücke gesägt und ihr Inhalt in kochende

Salpetersäure

1. (HNO3) aufgelöst.Dabei entsteht

Uranylnitrat

1. (Uranylnitrat 2) ist ein wasserlösliches gelbes Uransalz) UO2, Plutonium IV-Nitrat PU und die

Nitrate

1. (Nitrat ist ein polyatomares Ion mit der Summenformel und einer Molmasse von 62,0049 g/mol) von Spaltprodukten und

Aktiniden

1. (bestimmte Elemente). Durch physikalisch-chemische Verfahren werden dann die drei kompetenten Uran/Plutonium/Spaltprodukte und

Aktinide

1. getrennt. Dies geschieht mit Hilfe eines speziellen Lösungsmittels, dem

Tri-n-Butylphosphat

1. (Tributylphosphat, allgemein bekannt als TBP, ist eine Organophosphorverbindung mit der chemischen Formel 3PO), das mit 70% Kerosin verdünnt ist (Kerosin, auch bekannt als Paraffin, Lampenöl und Kohleöl, ist eine brennbare Kohlenwasserstoffflüssigkeit, die aus Erdöl gewonnen wird und sowohl in der Industrie als auch im Haushalt weit verbreitet ist). Die Lösung heißt TBP 30.

 

1. Die Trennung von Spaltprodukten und Aktiniden, ein erster und wichtiger Schritt des Trennprozesses, lässt sich einfach wie folgt erklären:

 

1. Das TBP 30 löst die Nitrate von Uran und Plutonium in Gegenwart von Salpetersäure, während die Spaltprodukte und Aktinide im wässrigen Teil der Lösung verbleiben. Da sich die wässrige Lösung wieder vom Extraktionsmittel trennt, können die Spaltprodukte leicht abgebaut werden.

 

1. Um Uran, Plutonium, Spaltprodukte und Aktinide nahezu zu 100% voneinander zu trennen, wird dieser Prozess mehrmals hintereinander durchgeführt. Dies erfordert eine Reihe zusätzlicher chemischer Verarbeitungsschritte.

 

1. Während Uran (Uran ist ein chemisches Element mit dem Symbol U und der Ordnungszahl 92) und Plutonium in die Brennelementproduktion zurückgeführt werden, umfasst die hochaktive Lösung mit Spaltprodukten und Aktiniden (Die Aktinid- oder Aktinoidreihe umfasst die 15 metallischen chemischen Elemente mit Ordnungszahlen von 89 bis 103, Actinium durch Lawrencium) wird in gekühltem Edelstahl gelagert (In der Metallurgie ist Edelstahl, auch bekannt als Inox-Stahl oder Inox aus

französischem

1. Inoxydable, eine

Stahllegierung

1. mit einem Minimum von 10.5% Chromgehalt in Masse) Tanks. Die konzentrierte Spaltproduktlösung hat eine spezifische Aktivität von etwa 1000 Ci/l = 3700 Bq (Der Becquerel ist die von SI abgeleitete Einheit der Radioaktivität ) /l. Die resultierende

Zerfallswärme

1. (Zerfallswärme ist die durch den radioaktiven Zerfall freigesetzte Wärme) muss daher durch Kühlsysteme abgeführt werden. Nach einer Abklingzeit von etwa fünf Jahren kann das Volumen reduziert und durch Verglasung in eine wasserlösliche Form überführt werden (Verglasung ist die Umwandlung einer Substanz in ein Glas , d.h. einen nichtkristallinen

amorphen

1. Feststoff) (Konditionierung zur Endlagerung).

 

1. Gasförmige und flüchtige Spaltprodukte (Kernspaltprodukte sind die Atomfragmente, die nach der Kernspaltung eines großen Atomkerns zurückbleiben) (Xenon, Krypton (Krypton ist ein chemisches Element mit Symbol Kr und Ordnungszahl 36), Jod, Ruthenium (Ruthenium ist ein chemisches Element mit Symbol Ru und Ordnungszahl 44), etc.) entweichen, wenn die Brennelemente geschnitten werden und vor allem, wenn der Brennstoff in Salpetersäure gelöst wird und auch Stickoxide freigesetzt werden. Sie müssen aus den Abgasen zurückgewonnen werden. Der

Stickstoff

1. (Stickstoff ist ein chemisches Element mit dem Symbol N und der Ordnungszahl 7) wird in Salpetersäure (Salpetersäure, auch bekannt als Aqua Fortis und Spiritus von Niter, ist eine hochkorrosive Mineralsäure) umgewandelt und dem Prozess wieder zugeführt. Radioaktives Jod (Jod ist ein chemisches Element mit Symbol I und Ordnungszahl 53) kann mit Hilfe von hochwirksamen, mit Silber imprägnierten Filtern zurückgehalten werden. Das schwerlösliche Silberjodid (Silberjodid ist eine

anorganische Verbindung

1. mit der Formel AgI) (AgJ (Alfred Garth Jones war ein englischer Künstler und Illustrator, der hauptsächlich in Holzschnitt, Federzeichnung und Aquarell arbeitete)) wird dann gebildet. Das nicht mehr radioaktive Xenon (Xenon ist ein chemisches Element mit dem Symbol Xe und der Ordnungszahl 54) kann in die Umwelt freigesetzt werden, während das radioaktive Krypton-85 (Krypton 85 ist ein Radioisotop des Kryptons) durch spezielle Verfahren gebunden und für die Endlagerung konditioniert werden kann. Nach etwa 100 Jahren zerfällt es vollständig in in inaktives Rubidium (Rubidium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Rb und der Ordnungszahl 37).

 

1. Für tritiumhaltiges Abwasser (Tritium ist ein radioaktives Isotop von Wasserstoff) ist eine getrennte Sammlung und Endlagerung nach dem Abbinden mit Zement auf Beton vorgesehen. Besondere Sicherheitsmaßnahmen sind beim Umgang mit der Lösung von Plutonium erforderlich (Plutonium ist ein transuranisches radioaktives chemisches Element mit dem Symbol Pu und der Ordnungszahl 94). Sie müssen daran gehindert werden, ein Volumen oder eine Konzentration zu erreichen, bei der eine Kettenreaktion unabhängig voneinander auftreten könnte (Kritikalitätsunfall (Ein Kritikalitätsunfall ist eine unkontrollierte nukleare Kettenreaktion)). Um diese Kritikalität zu vermeiden, werden entweder nur geringe Mengen an Lösung verarbeitet oder den Lösungen zur Neutronenabsorption Neutronengift zugesetzt. Zudem können die Behälter so gestaltet werden, dass die Neutronenverluste aufgrund der großen Oberfläche immer sehr hoch sind und somit keine Kettenreaktion auftreten kann (redundante Sicherheitsmaßnahmen).

 

1. Da die bestrahlten Brennelemente hochradioaktiv sind, müssen sie in Zellen, die durch dicke Betonwände (sogenannte heiße Zellen, Wanddicke bis zu 2 m) abgeschirmt sind, wiederaufbereitet werden. Die Arbeiten werden mit Hilfe ferngesteuerter Werkzeuge (sog. Telemanipulatoren) durchgeführt; sie können durch Strahlenschutzfenster aus dickem

Bleiglas

beobachtet werden (Bleiglas, allgemein “Kristall” genannt, ist eine Glasart, bei der Blei den Kalziumgehalt eines typischen Kaliglases ersetzt). Alle Maschinen müssen lange Zeit wartungsfrei sein, da Reparaturen nur möglich sind, wenn der betreffende Raum vorher gründlich von radioaktiven Stoffen gereinigt wurde (Dekontamination). Die Betriebsräume der Wiederaufbereitungsanlage werden mit Hilfe eines speziellen Systems ständig belüftet, um die Ansammlung von gasförmigen und flüchtigen Stoffen zu verhindern. Zusätzlich wird im Gebäude ein leichtes Vakuum erzeugt, so dass keine ungefilterte Luft in die Umgebung gelangen kann.