Wiederaufarbeitung

Wiederaufarbeitung in der Nuklear-Industrie

Die Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen, ist ein Element des Brennstoffkreislaufes und dient der Trennung der in benutzten Brennelementen von Kernreaktoren während des Betriebes entstandenen Stoffe. Ziel ist die Gewinnung bzw. Rückgewinnung von Radioisotopen, Kernbrennstoffen und Plutonium sowie die Verringerung der radioaktiven Abfallmenge.

Die hierzu eingesetzten chemisch-physikalischen Verfahren wurden ursprünglich aus militärischen Gründen entwickelt, um das bombentaugliche Plutonium zu gewinnen, welches in der Natur nicht in nutzbarer Menge vorkommt: bei der kontrollierten Kettenreaktion eines Kernreaktors wird ein Teil des nichtspaltbaren Uran-238 durch Neutroneneinfang zu Plutonium-239 umgewandelt. Dieses ist spaltbar, hat eine relativ geringe kritische Masse und kann auf chemischem Wege abgetrennt werden. Die ersten Kernreaktoren der Welt dienten der Produktion von Atombombenmaterial – deren Prozesswärme war eher ein Abfallprodukt.

Die ausreichende Anreicherung des Isotopes ²³⁵U bis zur Bombentauglichkeit war nach dem damaligen Stand der Technik (Gasdiffusionsverfahren) extrem aufwendig und langwierig, da sich die Isotope eines Elementes chemisch nicht unterscheiden und nur auf physikalischem Wege trennen lassen. Eine günstigere Möglichkeit zur Gewinnung von bombentauglichem Material war daher die Produktion von Plutonium mittels mit Natururan betriebener Kernreaktoren und dessen Abtrennung aus dem Brennstoffinventar.

Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen

Beim Abbrand eines schwach angereicherten Brennelementes (links) sinkt der Anteil an U²³⁵, neue Elemente entstehen

Die Wiederaufarbeitung ist ein technischer Vorgang, mit dessen Hilfe aus abgebranntem Kernbrennstoff spaltbares Material von den übrigen Bestandteilen separiert werden kann. Abgebrannte Brennelemente aus zivilen Leistungsreaktoren enthalten rund 95 % Uran und 1 % Plutonium. Von dem Uran können durch erneute Anreicherung 10 % wiederverwendet werden. Dieser Anreicherungsprozess ist üblicherweise nicht Bestandteil der Wiederaufbereitung.

Das wieder angereicherte Uran sowie das Plutonium sind Stoffe, die zu neuen Brennelementen verarbeitet werden können und bilden 10 % des abgebrannten Kernbrennstoffs. Die restlichen 90 % sind Spaltprodukte, höhere Actinoide und nicht verwendbares Uran und sind als radioaktiver Abfall zu entsorgen.^[1]

Im Rahmen der friedlichen Nutzung der Kernenergie wird der abgetrennte Kernbrennstoff, vor allem das Plutonium, zu neuen Brennelementen verarbeitet und im Sinne einer Rezyklierung wieder in den Reaktor zurückgeführt. Im militärischen Bereich dient die Abtrennung dazu, Plutonium für Kernwaffen zu erhalten. Auch einige höhere Actinoide können selektiv abgetrennt werden um sie für spezielle Aufgaben zu verwenden.

Denkbar ist auch noch eine zusätzliche Abtrennung der bei der Kernspaltung entstehenden Edelmetalle Ruthenium, Rhodium und Palladium bei der Wiederaufarbeitung. Da aber das so gewonnene Palladium neben 4 stabilen auch ein radioaktives, langlebiges Isotop (¹⁰⁷Pd) mit einer Halbwertszeit von 6,5 Millionen Jahren enthält, dürfte dieses Palladium nicht außerhalb von Sicherheitsbereichen verwendet werden. Bei Rhodium und Ruthenium sind die Sachverhalte günstiger, da von diesen Edelmetallen in den Spaltprodukten nur radioaktive Isotope mit Halbwertszeiten von höchstens 1 Jahr vorhanden sind, sodass eine Verwendung außerhalb des Sicherheitsbereichs nach einigen Jahrzehnten möglich wäre. Bis heute wird die Abtrennung von Ruthenium, Rhodium und Palladium aus den Spaltprodukten nicht praktiziert.

Bei der Wiederaufbereitung entweichen erhebliche Mengen des ebenfalls bei der Kernspaltung entstandenen radioaktiven Kryptons (⁸⁵Kr). Sie werden über Abgasanlagen an die Umwelt abgegeben. Ebenso fallen radioaktiv kontaminierte Abwässer an, die in der Regel ebenfalls in die Umwelt geleitet werden.

Technisch verwandt mit der Wiederaufbereitung von Kernbrennstoff ist die Gewinnung künstlicher Radioisotope. Diese werden durch Neutronenbestrahlung bestimmter Stoffe in einem Reaktor erzeugt und nachfolgend getrennt bzw. gereinigt. Radioisotope werden in Wissenschaft, Technik und Medizin als Strahlungsquelle und zur Verfolgung von Stoffströmen eingesetzt.

Anfang Januar 2011 wurden Meldungen chinesischer Wissenschaftler über eine angebliche Entwicklung einer neuen Wiederaufarbeitungsmethode bekannt, durch die die Urannutzung 60 mal effizienter wäre.^[2]

Verfahren

In einer Wiederaufarbeitungsanlage werden die Brennelemente zunächst mechanisch zerschnitten. Der Brennstoff wird dann in heißer Salpetersäure aus den Abschnitten herausgelöst. Anschließend werden die Bestandteile Uran, Plutonium und Spaltprodukte/Aktiniden durch weitere physikalisch-chemische Verfahren voneinander getrennt. Hierzu setzt man für die Extraktion den so genannten PUREX-Prozess ein (PUREX = Plutonium-Uranium Recovery by Extraction). Als Extraktionsmittel dient Tributylphosphat (C₄H₉O)₃PO, das mit 70 Prozent Kerosin verdünnt ist. Durch mehrfache Durchführung der Extraktionszyklen kann eine fast vollständige Trennung der Bestandteile erreicht werden.

Alternative Verfahren

Neben dem oben beschriebenen Verfahren wurden in den Vereinigten Staaten und Russland neuere Verfahren der Pyrometallurgie entwickelt.^[3] Dabei wird im Prinzip die Elektrolyse eingesetzt, um die Metalle zu trennen. Der wesentliche Vorteil gegenüber dem PUREX-Prozess besteht darin, dass das Uran zusammen mit Plutonium und anderen Aktiniden als Gemisch abgetrennt und damit die Isolierung von waffenfähigem Plutonium erschwert wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die restlichen radioaktiven Abfälle nur circa 500 Jahre aufbewahrt werden müssen.

Eine weiteres, zurzeit noch im Experimentalstadium befindliches, Verfahren ist der Laufwellen-Reaktor. Dieser Reaktortyp ist ein Kernreaktortyp, der Brutmaterial in spaltbares Material umwandelt (Transmutation). Er unterscheidet sich vom schnellen Brüter dadurch, dass er mit wenig oder gar keinem angereichertem Uran auskommt. Stattdessen verwendet er abgereichertes Uran, Roh-Uran, Thorium oder abgebrannte Brennelemente aus Leichtwasserreaktoren sowie Kombinationen aus vorgenannten Stoffen. Sein Name leitet sich daraus ab, dass die Kernspaltung nicht im gesamten Reaktor stattfindet, sondern nur in einer bestimmten Zone des Reaktors, welche sich mit der Zeit durch den Kern ausbreitet. Bisher wurde kein Laufwellen-Reaktor konstruiert.

Weiterverarbeitung der Produkte

Das abgetrennte Plutonium wird bei der zivilen Wiederaufarbeitung meist zu neuen Uran/Plutonium-Brennelementen (MOX-Brennelemente) verarbeitet, die in Leichtwasserreaktoren wieder eingesetzt werden. Dies ist beispielsweise in Frankreich, Deutschland und Japan der Fall. In Großbritannien wird das Plutonium mangels Rezykliermöglichkeiten lediglich gelagert. Eine im Vergleich zu Leichtwasserreaktoren wesentlich effizientere Nutzung wäre in Brutreaktoren möglich, die sich aber weltweit nicht durchgesetzt haben.

Das abgetrennte Uran wird bisher nur in relativ kleinem Umfang rezykliert. Da es im Gegensatz zu Natururan noch geringe Spuren an unerwünschten Isotopen enthält, ist die Weiterverarbeitung aufwändiger und daher derzeit unwirtschaftlich.

Die radioaktiven Spaltprodukte und Aktiniden liegen nach dem so genannten Partitioning zunächst als hochradioaktive Lösung vor, die in gekühlten Edelstahltanks gelagert wird. Im Hinblick auf eine längerfristige Zwischenlagerung und die spätere Endlagerung müssen diese Abfälle in eine feste und auslaufresistente Form gebracht werden. Hierzu hat sich die Verglasung als geeignetes Verfahren erwiesen. An allen bestehenden Wiederaufarbeitungsanlagen sind daher auch Verglasungsanlagen installiert. Die Lösung wird bei der Verglasung zunächst eingetrocknet und die aus der Lösung ausgefallenen Feststoffe mit glasbildenden Stoffen vermischt und daraus werden Glasblöcke geschmolzen. Das nicht radioaktive Lösungsmittel wird dabei frei und kann wieder verwendet werden.

Umweltauswirkungen

Bei der Wiederaufarbeitung fallen Abgase und Abwässer an, die gereinigt und anschließend in die Umgebung abgeleitet werden. Trotz der Reinigungsmaßnahmen enthalten diese Ableitungen noch radioaktive Bestandteile. Die maximalen Aktivitätsmengen, die mit der Fortluft und dem Abwasser in die Umgebung abgegeben werden dürfen, werden von den zuständigen Behörden in der Betriebsgenehmigung festgelegt. Grundlage dieser Grenzwerte ist die Berechnung der radiologischen Auswirkungen auf die Menschen in der Umgebung der Anlage. Daher sind die zulässigen Ableitungswerte stark von den geographischen Gegebenheiten des Standorts abhängig. Umweltschutzverbände, wie z. B. Greenpeace, haben unter Berufung auf eigene Messungen den Betreibern der Wiederaufarbeitungsanlagen wiederholt vorgeworfen, die Umwelt in unzulässiger Weise zu belasten.

Wiederaufarbeitungsanlagen

Eine Wiederaufarbeitungsanlage (WAA), gelegentlich auch „Wiederaufbereitungsanlage“ genannt, ist eine großtechnische Anlage, in der abgebrannte Brennelemente aus Kernkraftwerken auf chemischem Wege wiederaufgearbeitet, d. h. in radioaktive Abfallstoffe (Atommüll) und wiederverwendbares spaltbares Material (insbesondere Uran, Plutonium) getrennt werden. Als Verfahren hat sich dabei das PUREX-Verfahren durchgesetzt. Die Wiederaufarbeitungsanlagen stellen somit den Versuch dar, einen atomaren Wiederverwertungs-Kreislauf aufzubauen. Die bei der Wiederaufarbeitung anfallenden radioaktiven Abfälle werden an Ort und Stelle weiterverarbeitet (konditioniert) und später an die jeweiligen Kunden zurückgeliefert.

Insgesamt steht im zivilen Bereich eine Wiederaufarbeitungskapazität von rund 5000 tSM/a (Tonnen Schwermetall pro Jahr) zur Verfügung (2900 tSM/a für Brennstoff aus Leichtwasserreaktoren, 2100 tSM/a für sonstigen Brennstoff).

In Betrieb befindliche Anlagen

• Großbritannien: In Sellafield, früher Windscale genannt, sind zwei Anlagen in Betrieb. Die ältere Anlage B205 dient dazu, abgebrannte metallische Brennelemente aus den britischen Magnox-Reaktoren aufzuarbeiten. Die neuere THORP-Anlage (Thermal Oxide Reprocessing Plant) ist für die Wiederaufarbeitung von oxidischen Brennstoffen ausgelegt, die sowohl aus den britischen Advanced Gas-cooled Reactors als auch aus Leichtwasserreaktoren im Ausland stammen.
• Frankreich: In La Hague gibt es ebenfalls zwei Wiederaufarbeitungsanlagen. Die Anlage UP2-800/La Hague ist für französische Brennelemente vorgesehen. Die relativ ähnliche Anlage UP3/La Hague dient der Wiederaufarbeitung abgebrannter LWR-Brennelemente ausländischer Kunden.
• Indien: In Indien wurde 1964 die erste kleine Anlage zur Wiederaufarbeitung von Forschungsreaktorbrennstoff in Betrieb genommen (Trombay). Eine größere Anlage für Brennelemente aus Leistungsreaktoren befindet sich in Tarapur. Mit der Inbetriebnahme einer weiteren Anlage bei Kalpakkam wurde Anfang 1997 begonnen.
• Japan: Seit 1977 ist eine Anlage im Dorf Tōkai in Betrieb. Nach einem Brand mit anschließender Explosion in der Abfallbituminierungsanlage im März 1997 wurde der Betrieb eingestellt und erst im November 2000 wieder aufgenommen.
• Russland: Zwei Wiederaufarbeitungsanlagen sind in Betrieb (RT-1/Majak, Tomsk). Über weitere Anlagen in Tomsk oder in Schelesnogorsk (RT-2) liegen nur wenige Informationen vor.
• USA: Die ursprünglich zu vornehmlich militärischen Zwecken errichtete Anlage Savannah River Site (South Carolina) dient heute noch der Wiederaufarbeitung von Brennelementen aus Forschungsreaktoren, auch aus dem Ausland.
• Nordkorea: In Nyŏngbyŏn betreibt Nordkorea neben einem Forschungsreaktor eine Wiederaufarbeitungsanlage. Sie dürfte derzeit wie der Reaktor entsiegelt und in Betrieb sein, um das Plutonium aus dem Reaktor zu gewinnen.

Stillgelegte Anlagen

• Frankreich: Die Anlage UP1 in Marcoule, die ursprünglich militärischen Zwecken diente und in der später Magnox-Brennelemente wiederaufgearbeitet wurden, wurde 1997 endgültig abgeschaltet, nachdem in Frankreich inzwischen keine Magnox-Reaktoren mehr in Betrieb sind.
• Belgien: Von 1967 bis 1974 wurde in Mol die Wiederaufarbeitungsanlage Eurochemic, ein Gemeinschaftsprojekt von 13 Mitgliedsstaaten der OECD, betrieben. In dieser Anlage wurden insgesamt etwa 210 t Brennstoff aufgearbeitet. Mit der Zerlegung der Einrichtungen wurde 1991 begonnen.
• USA: In den Nachkriegsjahren wurden mehrere Wiederaufarbeitungsanlagen für militärische Zwecke errichtet (Hanford, Savannah River Site, Idaho). Idaho (1992) und Hanford (1990) wurden vor einigen Jahren stillgelegt. Eine kommerzielle Anlage in West Valley war von 1966–1971 in Betrieb. Zwei weitere Anlagen (Barnwell, Morris) wurden zwar fertiggestellt, aus unterschiedlichen Gründen aber nicht in Betrieb genommen.
• Deutschland: Von 1971 bis 1990 war die Wiederaufarbeitungsanlage Karlsruhe (WAK) auf dem Gelände des Forschungszentrums Karlsruhe in Betrieb. Als Pilotanlage hatte sie den Zweck, Betriebserfahrungen für den Betrieb einer großen Anlage (z.B. die geplante Wiederaufarbeitungsanlage Wackersdorf) zu gewinnen. In ihrer Betriebszeit wurden in der WAK etwas mehr als 200 t Kernbrennstoff wiederaufgearbeitet.

Geplante oder im Bau befindliche Anlagen

• Japan: Eine größere Anlage in Rokkasho ist im Bau. Die Bauarbeiten verzögerten sich um mehrere Jahre hinter dem ursprünglichen Zeitplan. Mit Inbetriebnahmetests wurde Ende 2004 begonnen. Die kommerzielle Inbetriebnahme war für 2005 geplant.
• Deutschland: Die in den 1980er Jahren geplante Wiederaufarbeitungsanlage im bayerischen Wackersdorf wurde nie fertiggestellt. Damals kam es zu größeren Protestaktionen von Atomkraftgegnern gegen diese WAA (beispielsweise das Anti-WAAhnsinns-Festival von 1986 in Burglengenfeld). Auch Pläne der hessischen Landesregierung von Juni 1980 zur Realisierung einer Anlage in Volkmarsen wurden nach heftiger Kritik aufgegeben.

Argumente für die Wiederaufarbeitung

Voraussagen darüber, wie lange die natürlichen Uranvorkommen für die weltweite Stromversorgung ausreichen werden, sind schwer zu machen. Schätzungen reichen von 25 Jahren^[4] bis weit über 100 Jahre^[5]. Dies hängt neben vielen anderen Faktoren vor allem davon ab, wie stark Kernenergie in Zukunft genutzt werden wird. Während Deutschland plant, mittelfristig aus der Kernenergienutzung auszusteigen, werden in anderen Ländern wie Finnland, Frankreich, Kanada, Russland und Indien neue Kraftwerke gebaut. Vor allem in China befinden sich 26 neue Kernkraftwerke im Bau, weitere 52 sind geplant. Alleine China wird auf diese Weise trotz des Bedarfsrückgangs in einigen anderen Ländern für eine weltweite Nettozunahme des Uranverbrauchs sorgen. Weltweit befinden sich Mitte 2011 62 Kraftwerksblöcke im Bau, 154 in Planung und weitere 342 sind langfristig angedacht^[6]. Vor diesem Hintergrund könnte die Wiederaufarbeitung verbrauchter Brennelemente eines Tages notwendig werden.

Des Weiteren wird die Endlagerung vereinfacht, weil mit der Wiederaufarbeitung der Brennelemente das Materialvolumen, welches in die Endlagerung gelangen muss, auf etwa 2 bis 3 Prozent des Ursprungwertes reduziert wird. Das Brennmaterial in einem Brennelement besteht nur zu 3 bis 4 Prozent aus Uran-235. Über die Lebenszeit dieses Brennelementes wird von diesem Isotop ungefähr 60 bis 70 Prozent gespalten und ungefähr 0,9 Prozent des Urans zu Plutonium umgewandelt. Nur diese Isotope stellen eine Gefahr für die Umwelt dar und müssen gesondert behandelt werden.

Argumente gegen die Wiederaufarbeitung

Das Argument, das wiedergewonnene Spaltmaterial erneut einsetzen zu können, ist derzeit ökonomisch nicht sinnvoll, da bei den heutigen Uranpreisen Brennelemente aus wiederaufgearbeitetem Material deutlich teurer als Brennelemente aus „frischem“ Uran sind. So verursacht die Wiederaufarbeitung im Vergleich zu der direkten Endlagerung um 10 bis 70 Prozent höhere Brennstoffzykluskosten.^[7][8] Bei steigender Nachfrage von Uran, beispielsweise durch neue chinesische Kernkraftwerke und durch abnehmende natürliche Uranvorkommen und damit steigendem Uranpreis, kann eine Wiederaufarbeitung in Zukunft ökonomisch immer interessanter werden. Um Uran zu einer späteren Zeit aufarbeiten zu können, dürfen Brennstäbe nicht endgelagert werden (siehe auch: Brutreaktor).

Wiederaufarbeitungsanlagen können für die Gewinnung von waffenfähigem Plutonium aus Brennstäben verwendet werden oder werden aus diesem Grund von allen Nationen mit eigenständigem Atomwaffenprogramm betrieben. Rein militärische Anlagen unterscheiden sich technisch in der Regel von zivilen Wiederaufarbeitungsanlagen, da militärische und zivile Nutzung unterschiedliche Ziele verfolgen: für die militärische Nutzung werden Brennelemente mit sehr geringem Abbrand benötigt, d. h. mit kurzer Verweildauer im Reaktor und damit geringer Verunreinigung mit Spaltprodukten. Kommerzielle Reaktoren wollen hingegen die Brennelemente möglichst lange im Reaktor belassen, um das Material so bestmöglich auszunutzen. Diese Brennelemente besitzen einen deutlich höheren Abbrand und erfordern wegen des erheblich größeren Anteils an Spaltprodukten einen höheren Aufwand bei der Wiederaufarbeitung. Plutonium aus den relativ hoch abgebrannten Brennelementen von Leistungsreaktoren eignet sich nicht für die Herstellung einer Nuklearwaffe. Dennoch kann nicht von der Hand gewiesen werden, dass auch bei der zivilen Wiederaufarbeitung Plutonium separiert und damit die Technik zur militärischen Aufbereitung leichter zugänglich gemacht wird. Durch Kontrolle den Missbrauch zu verhindern, ist eine der Aufgaben des internationalen Safeguardsystems und Gegenstand internationaler Vereinbarungen, wie NPT, Safeguardsagreement, Additional Protokoll.

Umstritten sind auch die radioaktiven Ableitungen ins Meer, insbesondere aus den europäischen Anlagen Sellafield und La Hague. Während nach Aussage von Umweltschützern wie beispielsweise Greenpeace die Ableitungen zu einer unzulässigen Verschmutzung der Meere und über die Nahrungskette zu einer Strahlenbelastung der Bevölkerung führen, verweisen die Betreiber auf die Einhaltung der Grenzwerte und die geringen radiologischen Auswirkungen für den Menschen.

Während durch einmalige Wiederaufbereitung das Volumen des hochradioaktiven Abfalls um 80% abnimmt, steigt das Volumen des schwach- und mittelaktiven Abfalls auf das Fünffache.^[9]

Für die Anlieferung der Brennelemente und den Rücktransport der Reststoffe und Abfälle sind zahlreiche Transporte von und zu den Wiederaufarbeitungsanlagen nötig. Die Castor-Transporte zwischen den Wiederaufarbeitungsanlagen und Deutschland wurden in der Vergangenheit immer wieder behindert. Seit 2005 werden aus Deutschland keine abgebrannten Brennelemente mehr in die Wiederaufarbeitung geliefert.^[10]

Siehe auch

• Sicherheit von Kernkraftwerken
• Wiederaufarbeitungsanlage Karlsruhe

Quellen

1. ↑ arte TV: "Albtraum Atommüll". Dokumentarfilm von Eric Guéret & Laure Noualhat (dt. Ausstrahlung 15. Oktober 2009)
2. ↑ Recycling von Uran: China meldet Durchbruch bei Atomtechnologie. Spiegel Online, 3. Januar 2011, abgerufen am 4. Januar 2011. 
3. ↑ Smarter Use of Nuclear Waste, William H. Hannum, Gerlad E. Marsh, George S. Stanford, Scientific American, December 2005, S. 64 ff.
4. ↑ Peter Diehl: Greenpeace Uranreport 2006. 01, 2006, S. 58.
5. ↑ Uran als Kernbrennstoff: Vorkommen und Reichweite. 03, 2006, S. 5.
6. ↑ World Nuclear Association: World Nuclear Power Reactors & Uranium Requirements Abgerufen im August 2011
7. ↑ http://www.stmug.bayern.de/umwelt/reaktorsicherheit/ilk/doc/07.pdf Internationale Länderkommission Kerntechnik, 2001, S.6.
8. ↑ http://www.energiewendebuendnis.de/Atomenergie/oekoinst.waa.pdf Öko-Instituts e.V., 2001, S.4.
9. ↑ http://gabe.web.psi.ch/pdfs/Energiespiegel_Nr.7_Juli_2002.pdf Paul Scherrer Institut, 2002, S.1.
10. ↑ Greenpeace zur Wiederaufbereitung

Weblinks

• LWR Recycle: Necessity of Impediment? G. S. Stanford in Proceedings of Global 2003, ANS Winter Meeting, New Orleans, November 16-20, 2003. PDF (65 kB)