Der Brennstoffkreislauf


DER BRENNSTOFFKREISLAUF
Begriff:
Von einem Brennstoffkreislauf kann gesprochen werden, da die aus abgebrannten Brennelementen zur√ľckgewonnen Brennstoffe erneut zur Brennelementherstellung verwendet werden. Ein vollst√§ndiger Kreislauf liegt jedoch nicht vor, da andauernd Uranerz zugef√ľhrt und radioaktive Abf√§lle aus dem Kreislauf entfernt werden m√ľssen.

A.Versorgung der Kernkraftwerke mit Brennelementen

Uranvorkommen
Durchschnittlich ist pro 1t Gestein, 3g Uran ( 100x h√§ufiger als Silber oder Gold ) zu finden. Diese Uranerze sind wirtschaftlich nutzbar, wenn sie zwischen 0,1 und 0,5% (100kg - 500kg) Uran enthalten. Hupts√§chlich zu finden in Kanada, USA, Brasilien, S√ľd - und Mittelafrika, Australien, Frankreich, Schweden, der ehemaligen UdSSR. In Deutschland sind nur kleinere Vorkommen vorhanden. Diese befinden sich im Schwarzwald, Bayrischen Wald, Fichtel - und Erzgebirge. Wenn Uran mit Gold oder Vanadium vermengt ist l√§sst sich auch √§rmeres Uranerz verwerten. In der Erdkruste befinden sich ca. 41*1012t Uran. ¬ĺ auf Kontinenten und der Rest im Meer.
Der Anteil an nutzbarem Uran liegt bei 6*106t.
Der Verbrauch der westlichen L√§nder pro Jahr bel√§uft sich auf: 4.5*104t ( davon BRD 3.3*103t ). Nach heutigem Verbrauch reicht der Spaltstoff noch f√ľr 130 Jahre aus, selbst hergestellter nicht mitgerechnet (Brutvorgang U238 √† Pu239).

Urangewinnung
Durch physikalische oder chemische Verfahren wird das Uran aus dem Erz gewonnen. So z.B. durch Ausbrechen und feines zermalmen (physikalisch), oder durch S√§uren (chemisch). Mit S√§ure kann man 90% des Urans trennen, das jedoch nicht rein ist, sondern durch Filtern, Fl√ľssigextraktion usw. herausgefiltert wird.
Durch MnO (Manganoxyd), NaOH (Natriumhydroxid) und NH3 (Stickstoff) kann man Uran aus der Fl√ľssigkeit filtern. Bei Einsatz von NH3 entsteht nach der Trocknung ein gelbes Urankonzentrat mit Namen "Yellow Cake" der 70 - 80% Uran enth√§lt.

Anreicherung von Uran - 235
99,3% U - 238 und 0,7% U - 235 (nat√ľrliche Isotopenzusammensetzung des Urans) sind im "Yellow Cake" enthalten. F√ľr den Einsatz im Kraftwerk wird etwa 3 - 4% U - 235 ben√∂tigt. Man wandelt den "Yellow Cake" in die gasf√∂rmige Verbindung UranHexaFluorid um. Dabei wird der Stoff durch die verschiedenen chemischen Reaktionen noch mehr gereinigt. Das entstandene Gas ist immer noch nicht ganz rein, deshalb wird es durch Filtern und Ausfrieren gereinigt. Bei einer Reinheit von 99,5% (UranHexaFluorid) wird es in Stahlbeh√§lter geladen und zur Anreicherungsanlage transportiert. F√ľr Anreicherung stehen das Diffusions -, Zentrifugen und Trennd√ľsenverfahren zur Verf√ľgung.

Herstellung von Brennelementen
Durch ein na√üchemisches Verfahren wird aus UranHexaFluorid Uranoxyd erzeugt. UranHexaFluorid wird mit Wasser und Amoniak und Kohlenstoffdioxid in einen Beh√§lter gef√ľgt, es entsteht Amonium - Uranyl - Carbonat (AUC=gelber Niederschlag), das sich herausfiltern l√§sst. Dieses wird erhitzt, wobei Ammoniak, Kohlenstoffdioxyd, Fluorwasserstoff und Urantrioxyd (UO3) entstehen. In einer Wasserstoffatmosph√§re (Gasbeh√§lter gef√ľllt mit Wasserstoff) wird es bei hohen Temperaturen zu Urandioxyd (UO2) umgewandelt. UO2 ist ein graues Pulver, das zu Tabletten gepre√üt wird. Diese werden bei 1700 ¬įC in einer Wasserstofatmosph√§re gesintert. (Sintern nennt man das Verschmelzen feink√∂rniger Substanzen durch Erhitzen bis auf eine Temperatur, bei der die Substanz weich wird). Diese Tabletten werden nun noch auf eine streng genormte Gr√∂√üe geschliffen. Dann werden sie in ein H√ľllrohr aus Zirkaloy gef√ľllt und mit Helium geflutet. 1 - 30bar Helium wird eingebracht, und dann verschlossen. So ist ein fertiger Brennstab entstanden. Mehrere Brennst√§be in einem B√ľndel nennt man Brennelemente.

Wiederaufarbeitung abgebrannter Brennelemente
Brennelemente sind bis zu 7 Jahre in einem Reaktor, und zwar an verschiedenen Stellen, um sie optimal zu nutzen. Manche Elemente werden in einem Wasserbecken zwischengelagert und k√∂nnen sp√§ter f√ľr kurze Zeit weiter verwendet werden. Die Zusammensetzung der Urantabletten √§ndert sich beim Einsetzen.

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Der Spaltstoff U - 235 wird z.T. durch Kernspaltung, z.T. durch Umwandlung in U - 236 verbraucht, 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 erzeugter thermischer Energie pro Masse Brennstoff angegeben. Bei Leichtwasserreaktoren beträgt das ca. 33 MegaWattTage pro Kilogramm.
Aus Uran - 238 wird durch Neutroneneinfang Plutonium - 239, welches wiederrum durch langsame Neutronen gespalten wird. Weil der Spaltstoff abnimmt und neutronenabsorbierende Spaltprodukte zunehmen, m√ľssen die Brennelemente nach 7 Jahren ausgetauscht werden.
Abgebrannte Brennelemente haben eine sehr hohe spezifische Aktivit√§t und sind sehr warm. Zuerst werden sie im Kraftwerk in Wasser gelagert, wobei das Wasser die Strahlung fast vollst√§ndig abschirmt und die W√§rme aufnimmt. Die Aktivit√§t geht nach 6 - 12 Monaten auf 0,1% des Anfangswertes zur√ľck.
Die Brennstoffe werden nun aus den Stäben heraus - und in Säure aufgelöst. Bei weiteren chemischen Trennverfahren erhält man Uran, Plutonium und Spaltprodukte. Dies nennt man Purex - Verfahren.
Das Plutonium kann man direkt wiederverwenden, Uran - 236 jedoch ist nicht direkt wiederverwendbar. Die Einzelteile (Rohr usw.) der kompletten Brennst√§be m√ľssen sicher endgelagert werden. W√ľrde man die Brennst√§be komplett lagern, w√ľrden weniger radioaktive Spaltstoffe bei der Wiederaufbereitung entstehen, jedoch w√ľrde Uran - 235 und Plutonium - 239 nicht mehr weiterbenutzt werden k√∂nnen.

B. Behandlung und Endlagerung radioaktiver Abfälle


Konditionierung radioaktiver Abfälle
Radioaktive Abfälle sind Unterteilt in

Abfälle mit fast gar keiner Wärmeentwicklung (Milliwatt)
Geringe Wärmeentwicklung (im Wattbereich)
starke W√§rmeentwicklung (im Kilowattbreich bis ca. 200¬įC)

Konditionieren bedeutet, radioaktive Abf√§lle, endlagerungsf√§hig zu machen. Bei fast gar keiner und geringer W√§rmeentwicklung werden sie in Metallf√§sser gef√ľllt, oder mit Beton umgeben. Bei gro√üer W√§rme werden die Abf√§lle mit fl√ľssigem Glas gemischt, aus dem dann Glasbl√∂cke hergestellt werden. Heutzutage lagert man die stark w√§rmeentwickelnden Abf√§lle oberirdisch in gek√ľhlten Edelstahlbeh√§ltern, oder in Silkatglasbl√∂cken versuchsweise in Salzformationen (Bergwerk).

Endlagerung
Die Abfallstoffe m√ľssen auf Dauer von der Biosph√§re abgeschlossen sein. Dies geschieht durch mehrfachen Einschlu√ü und stabile Lagerformen. F√ľr den mehrfachen Einschlu√ü sorgen Lagerbeh√§lter und z.B. Gesteinsmaterial (Bergwerk). Anforderungen an f√ľr die Endlagerung vorgesehenen, geologischen Formationen:

Abwesenheit von Grundwasser
Fehlen von Rissen und Kl√ľften im Gestein
Geringe seismische Aktivität

Im Salzstock Gorleben und Eisenerzbergwerk Konrad bei Salzgitter sind in der BRD alle diese Gesichtspunkte erf√ľllt. Es werden dort stark w√§rmeentwickelnde Abf√§lle bzw. Abf√§lle mit geringer oder fast gar keiner w√§rmeentwicklung eingelagert. Im Salzbergwerg bei Wolfenb√ľttel (Asse 2) werden Lagerungstechniken erforscht. Abfallprodukte die bei der Herstellung des Yellow Cakes oder bei anderen Umwandlungsverfahren entstehen, m√ľssen aufgearbeitet werden, damit keine Schadstoffe in unzul√§ssigen Konzentrationen vorhanden sind.

Transporte im Brennstoffkreislauf
Der Transport des Uranerzes ist unproblematisch und kann in offenen Lastwagen durchgef√ľhrt werden.Der "Yellow Cake" wird in Stahlf√§ssern mit 200 - 400l Fassungsverm√∂gen transportiert. UF6 (Uranhexafluorid) wird in Druckbeh√§ltern bef√∂rdert, da es schon bei 56,5 ¬įC gasf√∂rmig wird. Die Beh√§lter m√ľssen dabei dicht bleiben, da UF6 eine hohe chemische Toxizit√§t hat, jedoch nur sehr gering aktiv ist. Nach der Anreicherung muss eine unterkritische Anordnung bei Transport und Lagerung gew√§hlt werden, so dass es nicht zu einer Kettenreaktion kommen kann. Keine Transportwege entstehen bei UO2 (Urandioxyd), da es direkt in Brennelemente weiterverarbeitet wird, die dann in Transportbeh√§ltern zum Kraftwerk gefahren werden. Auch hierbei ist nur geringe Aktivit√§t vorhanden. Der Transport von in einem Reaktor eingesetzten Brennelementen muss sehr sicher sein, da in den Brennst√§ben enthaltene Spaltprodukte eine hohe spezifische Aktivit√§t (hohe Kernumwandlung) haben und sehr hei√ü werden. Der Transportbeh√§lter ist aus Stahl und ist au√üen mit K√ľhlrippen oder K√ľhlstiften versehen. Er muss sehr hohen Anforderungen in Bezug auf mechanische Stabilit√§t, Dichtheit und Temperatur gerecht werden. In Deutschland werden folgende Sicherheitspr√ľfungen durchgef√ľhrt:

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Freier Fall des Behälters aus 9m Höhe auf ein Betonfundament
Freier Fall aus 1,2m Höhe auf einen Stahldorn von 15cm Höhe
Im Anschluss an Fallversuche 30 min√ľtiger Feuertest bei mindestens 800 ¬įC
Achtst√ľndiges Eintauchen des Beh√§lters in Wasser bei 90cm Wassertiefe
(Fall aus 600m H√∂he auf W√ľstenboden, Zusammenprall mit einer Lokomotive)

Bei der Wiederaufbereitung fallen Spaltprodukte (mit Wasser gemischt), Uran und Plutonium an. Feste Spaltprodukte k√∂nnen in den gleichen Transportbeh√§ltern wie die Brennelemente transportiert werden. Da sehr hohe Temperaturen entstehen, m√ľssen zum Teil Zwangsk√ľhler eingesetzt werden. Auch entsteht durch Radiolyse (Zersetzung) des Wassers Sauerstoff und Wasserstoff, wobei ein starker Druck entsteht. Plutonium wird in kleinen Beh√§ltern transportiert damit die Plutoniuml√∂sung nicht kritisch wird (damit es nicht durchbrennt). Dieser Beh√§lter ist in einem Stahlrohrk√§fig, damit der Abstand gew√§hrleistet wird.










































Quellenliteratur:
- Kernenergie Basiswissen S.74 - 91 Kapitel 8: Der Brennstoffkreislauf und die Entsorgung...
- Stark ABITUR TRAINING Chemie 1 S.72/73 Brennstoffkreislauf
- Schulbuch: Chemische Analytik / Kernchemie / Modellvorstellungen S.122

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