6. Nukleare Entsorgung

Transkript

1 6. Nukleare Entsorgung

2 Kernkraftwerke in Europa (2007)

3 Betrieb der Kernkraftwerke in Deutschland (09/2007)

4 Kernenergie in Deutschland - Anteil an Elektrizitätsversorgung in Deutschland > 30%, in EU 36% - 18 im Betrieb befindliche Blöcke - durch Kernenergie jährliche CO 2 - Emissionen von bis zu 160 Mio. t vermieden - Betrieb von Forschungsreaktoren - z.z. ein Forschungsreaktor Neubau (München-Garching) - alle im Osten Deutschlands befindlichen russischen Reaktoren außer Betrieb, Vorbereitung/Durchführung des Abbaus - Verzicht auf deutsche Wiederaufarbeitung (Wackersdorf) - Rückbau von kerntechnischen Anlagen in Karlsruhe, Jülich und Rossendorf - Rückbau der WA-Karlsruhe (Konzept Grüne Wiese ) - Abbau eines Kernkraftwerkes (KKW Niedereichbach) zur Grünen Wiese bereits erfolgreich durchgeführt regierungspolitischer Wille Ausstieg aus Kernenergie (20-25 Jahre)

5 Energiemix (D) Erdgas; 4,80% Steinkohle; 11,60% Wind; 4,40% Sonstige; 7,70% Kernenergie; 26,30% Wasser; 21,40% Quelle: DIW Braunkohle; 23,90%

6 Stilllegung kerntechnischer Anlagen - Erreichen der Auslegungsbetriebszeit - Unwirtschaftlichkeit - Sicherheitsbedenken -Störfall - politischer Wille

7 Jährlicher Anfall von festen Reaktorbetriebsabfällen und abgebrannten Brennelementen (vereinfachtes Schema)

8 Atommüll - abgebrannte Brennelemente der Reaktoren - radioaktive Prozessabfälle (Glaskokillen), die bei der Wiederaufbereitung von Brennelementen entstehen - aktivierte, bzw. kontaminierte Bauteile von Reaktoren, Kernanlagen und Produktionsanlagen für radioaktive Isotope - anfallende radioaktive Abfälle aus nuklearmedizinischer, industrieller und forschungsseitiger Anwendung - Prozessabfälle bei der Urangewinnung und Aufarbeitung = Radioaktiver Abfall: jegliche radioaktiv kontaminierte, bei Betrieb und Abbau von Kernanlagen und den Umgang mit radioaktiven Stoffen anfallenden Reststoffe, die nicht dekontaminierbar und nicht wiederverwendbar sind. Vielfalt der Abfälle (kontaminierte Kleidung und Geräte, Bauschutt, Reinigungsmittel, Filter, Austauscherharze, Stahl- und Betonstrukturen)

9 Radioaktiver Abfall (Charakteristik) - Toxizität ist im wesentlichen durch die von den radioaktiven Nukliden ausgesandte Strahlung (Art, Energie) bestimmt - Radioaktivität nimmt nach physikalischer Gesetzmäßigkeit im Laufe der Zeit ab, Halbwertszeit für endlagerrelevante Radionuklide von wenigen Jahren bis mehrere zehntausend Jahre - Charakterisierung nach Radioaktivitätsinventar, Radiotoxizität Actinidengehalt und Wärmeentwicklung hoch-, mittel- und schwachradioaktiv - durch geeignete Konditionierung Überführung in zwischen- und endlagerfähige Form (Behandlung, Fixierung, Verpackung) Abfallgebinde - Abgabe, Zwischen- und Endlagerung geregelt

10 Lagerung (Abfallfass)

11 Beseitigung von radioaktiven und Nuklearabfällen (Prinzipien) - Oberflächennahe Lagerung - Lagerung untertätig in geologischen Formationen * mit Option Rückholbarkeit * keine Rückholbarkeit - Transmutation langlebiger Nuklide - Transport in den Weltraum - Meeresverkippung, Versenkung - Freisetzung / Verteilung / Verdünnung

12 Konzept zur Entsorgung von radioaktiven und Nuklearabfällen (D) - Kurzzeitlagerung beim Verursacher - Abgabe an Landessammelstelle (kein Kernmaterial) - Zwischenlagerung in zentralen Lagern - Endlagerung in untertägigen geologischen Formationen (Salz? Granit? Tongestein?)

13 Nuclear Fuel Cycle Uranium mine Raffination Ore concentrate Processing Ore Waste depleted uranium Conversion U Enrichment uranium U Fabrication fuel elements Pu Minor actinides Fuel element Intermediate storage fuel elements Nuclear power plant U Reprocessing plant Conditioning fuel elements Conditioning waste Waste Intermediate storage waste Final nuclear waste disposal Waste

14 Chemie des Kernbrennstoffzyklus I - Uranerzbergbau - Laugung UO 2 + H 2 SO 4 + 1/2O 2 UO 2 + 1/2O 2 + Na 2 CO 3 + 2NaHCO 3 (bei hohem Carbonatgehalt des Muttergesteins) UO 2 SO 4 + H 2 O Na 4 UO 2 (CO 3 ) 3 + H 2 O - Fällung 2UO 2 (NO 3 ) 2 + 6NH 3 H 2 O (NH 4 ) 2 U 2 O 7 + 3H 2 O + 4NH 4 NO 3 (ADU) -Kalzination H 2 (NH 4 ) 2 U 2 O 7 UO 2 ΔT H 2 U 3 O 8

15 Chemie des Kernbrennstoffzyklus II - Anreicherung UO 2 + 4HF UF 4 + 2H 2 O U nat. 0,7% 235 U UF 4 + F 2 UF 6 U BE 3,0% 235 U -UO 2 -Herstellung (AUC-Verfahren) UF 6 + 2H 2 O UO 2 F 2 + 4HF UO 2 F 2 + 6NH 3 + 3CO 2 + 3H 2 O (NH 4 ) 4 [UO 2 (CO 3 ) 3 ] + 2NH 4 F ΔT H 2 UO 2 als Pellet UO 2 Reaktorbrennelement

16 Chemie des Kernbrennstoffzyklus III Reaktorbrennelement nach Einsatz in Reaktor (Wiederaufarbeitung): - Auflösung UO 2 + 8HNO 3 3UO 2 (NO 3 ) 2 + 4H 2 O + 2NO - Extraktion UO 2 + 4HNO 3 UO 2 (NO 3 ) 2 + 2H 2 O + 2NO 2 UO 2 (NO 3 ) 2 aq + 2TBP org UO 2 (NO 3 ) 2 2TBP org Pu(NO 3 ) 4aq + 2TBP org Pu(NO 3 ) 4 2TBP org - Mischoxidherstellung Reduktion Pu 4+/6+ Pu 3+ U 4+, elektrochemisch 2UO Pu NH 3 H 2 O (NH 4 ) 2 U 2 O 7 + Pu(OH) 4 + 8NH H 2 O UO 2 / PuO 2 -Mischoxid als Pellet Reaktorbrennelement

17 Entsorgungskonzept (Brennelemente) Direkte Endlagerung 2 - Zwischenlagerung/Transport Endlagerung Wiederaufarbeitung 3

18 Entsorgungskonzept (Brennelemente) Direkte Endlagerung 2 - Zwischenlagerung/Transport 2/3 Endlagerung Wiederaufarbeitung 3

19 Entsorgungskonzept (Brennelemente) -Zwischenlagerung/Transport Wiederaufarbeitung Direkte Endlagerung Endlagerung PUREX-Verfahren: Auflösen der Brennelemente - Abtrennung des unverbrauchten Urans und des gebildeten Plutoniums durch Extraktion von den gebildeten Spaltprodukten - Fixierung der Spaltprodukte in einer Glasmatrix Glaskokillen

20 PUREX - Verfahren (Plutonium-Uranium-Recovery by Extraction) - viele Verfahren getestet, unterschiedlichste Extraktions- und Fällungsverfahren - Extraktionsmittel: Tri-n-butylphosphat (TBP) 30%ige Lösung von TBP in Dodekan (C 12 H 26 ) / Kerosin Salpetersaure Lösung der zu trennenden Kernbrennstoffe und Spaltprodukte Flußverhältnis Speiselösung / Extraktionslösung 1 : 3 bis 1 : 5 - Trennfaktoren bis 10 7 notwendig - Mixer-Settler, Siebbodenkolonnen, gepulste Kolonnen, Zentrifugalextraktoren - U/Pu Trennschritt Reduktion des Pu 4+ / 6+ zu Pu 3+

21 Ziel der Endlagerung - Verhinderung, dass aus dem Abfall stammende Radionuklide in die Biosphäre gelangen, bevor ihre Radioaktivität auf unbedenkliche Konzentrationen abgeklungen ist.

22 Kriterien der Standorterkundung - Geographie - Regionalgeologische Verhältnisse - Tektonik - Hydrogeologie - Wirtsgesteineigenschaften - Seismizität - Rohstoffvorkommen, Bergbau, Infrastruktur

23 Entsorgungskonzept (Brennelemente) Wiederaufarbeitung - Zwischenlagerung/Transport Endlagerung Direkte Endlagerung Endlagerung: Ziel: Verhinderung, dass aus dem Abfall stammende Radionuklide in die Biosphäre gelangen, bevor ihre Radioaktivität auf unbedenkliche Konzentration abgeklungen ist. Einbringen von: Container mit Brennelementen, Container mit Glaskokillen Standortkriterien: - Wirtsgestein und dessen Eigenschaften (Größe, Homogenität) - Geogene Faktoren (Tektonik, Seismizität, Hydrogeologie) - Ökologische Faktoren (Schutzgebiete, Bevölkerungs- und Industriedichte, potenzielle Rohstoffvorkommen, Infrastruktur) Potenzielle Wirtsgesteine: Deutschland: Salz?, Ton?, Granit? Finnland, Schweden, Schweiz: Granit USA: Salz, Granit, Basalt, Tuff Genehmigungsverfahren Japan: Granit, Sedimentgestein Frankreich: Granit, Ton, Sedimentgestein

24 Endlager- Mindestanforderungen Durchlässigkeit im einschlusswirksamen Gebirgsbereich kleiner als 3 mm/a Teufe mind. 300 m Endlager darf nicht tiefer als 1500 m liegen Einschlusswirksamer Bereich muss mind. 100 m mächtig sein Quelle: Arbeitskreis Auswahlverfahren Endlagerstandorte

25 Multibarrieren-Konzept

26 Endlager Mehrfachbarrierensystem

27 Veränderung der Radiotoxizität mit der Zeit

28 Fazit - Endlagerung: Nukleare Abfälle - Sowohl die Brennelemente (direkte Endlagerung) als auch die Glaskokillen (nach Wiederaufarbeitung) werden in Castoren transportiert und sollen letztlich in ein Endlager verbracht werden. - Deutschland besitzt noch kein Endlager für Nukleare Abfälle, deshalb werden bisher alle beladenen Castoren in Zwischenlagern (zentral) oder an den Kernkraftwerksstandorten selbst zwischengelagert. - Forderung an Politik, Wirtschaft und Wissenschaft: - Errichtung eines Endlagers!