Beseitigung radioaktiven Abfalls

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1 Beseitigung radioaktiven Abfalls Definition Entsorgung Klassifizierung des radioaktiven Abfalls Purex verfahren Urananreicherung 1. Zentrifugeverfahren 2. Diffusionsverfahren Endlagerung

2 Definition: Unter radioaktiven Abfällen (oft auch als Atommüll bezeichnet) versteht man alle in der Nukleartechnik anfallenden radioaktiven Stoffe, die nicht mehr genutzt werden können. Der größte Teil (rund 80%) der radioaktiven Abfälle stammt aus dem Uranabbau, weitere Teile aus Kernkraftwerken, aus Kernforschungszentren, aus der Wiederaufarbeitung abgebrannter Brennelemente und (in Kernwaffenstaaten) aus militärischen Aktivitäten im Zusammenhang mit der Herstellung von Atomwaffen. Ein mengenmäßiger geringer Anteil stammt aus Anwendungen radioaktiver Substanzen in der Medizin, Industrie und Forschung. Entsorgung: Die Einzelheiten darüber regelt das Atomgesetz, dass 1979 von den Regierungschefs des Bundes und der Länder beschlossen wurde. Das Atomgesetz lässt zwei Möglichkeiten der Entsorgung zu: 1. Bei der Wiederaufarbeitung werden die abgebrannten Brennelemente nach wiederverwertbaren Brennstoffen und Abfallstoffen getrennt. Deutsche Brennelemente werden dazu in Wiederaufbereitungsanlagen nach Großbritannien oder Frankreich gebracht. Vier Prozent der Gesamtmenge sind Abfallstoffe- der eigentliche Atommüll. 2. Bei der direkten Endlagerung werden die Brennelemente so präpariert, dass sie in einem Endlager für lange Zeit sicher verwahrt werden können. Klassifizierung von Radioaktiven Abfällen: Der Müll muss zur Lagerung erst einmal in eine entsprechende Form gebracht werden. Das hängt von der jeweiligen Strahlenbelastung ab. 1. Flüssige hochradioaktive Abfälle werden in Glas eingeschmolzen und diese kommen in Stahlformen ( Kokillen).Bild siehe unten 2. Mittel- und schwachradioaktive Abfälle werden in Spezialöfen verbrannt. Die Asche wird mit Zement vermischt und in Fässer gefüllt. 3. Gasförmige Abfälle werden durch besondere Behandlungsschritte in feste Formen überführt. 4. Andere Abfälle werden in Hochdruckpressen kompaktiert und dann ebenso behandelt.

3 Der Purex-Prozess (Plutonium-Uranium Recovery by Extraction) Definition: Physikalisch-chemisches Verfahren, das bei der Wiederaufarbeitung abgebrannter Brennelemente zu Trennung der darin enthaltenen Spaltstoffe Uran und Plutonium von den nicht mehr verwendbaren radioaktiven Abfallstoffen eingesetzt wird Prinzip: Das PUREX-Verfahren ist eine Form von Extraktion, bei der eine wässrige Phase (Brennstofflösung) und eine organische Phase (Extraktionsmittel) in engen Kontakt gebracht werden und sich anschließend wieder voneinander absetze. Extraktionsmittel: Phosphorsäureester, der mit 70 % Kerosin verdünnt ist. (TBP 30) Wiederaufarbeitung: Brennstäbe werden zerschnitten und mit allen Bestandteilen in heißer Salpetersäure aufgelöst TBP 30 löst unter Komplexbildung selektiv die Nitrate des Uran und Plutonium aus der salpetersauren Brennstofflösung Nitrate der Spaltprodukte bleiben in der wässrigen Phase zurück Anschließend setzten sich TBP und die wässrige Phase wieder voneinander ab Die Uran und Plutonium beladene organische Phase können nun leicht von der wässrigen Phase getrennt werden.

4 Urananreicherung: Der Leichtwasserreaktor ist zur Zeit der weltweit am häufigsten eingesetzte Reaktortyp. Er kann nicht mit Natururan betrieben werden. Um eine Kettenreaktion einzuleiten und aufrechtzuerhalten, muss im Kernbrennstoff die Konzentration des Uranisotops 235 (U-235), dem einzigen durch thermische Neutronen spaltbaren Isotop des Urans, je nach Reaktortyp und Kernauslegung, bis zu 5 % betragen. Das in der Natur vorkommende Uran enthält das Isotop U-235 jedoch nur zu 0,71 %, der überwiegende Teil besteht aus dem im Reaktor nicht spaltbaren Uranisotop 238 (U-238). Die Anreicherung des etwas leichteren U-235 ist damit ein technisch notwendiger Schritt auf dem Weg vom Natururan zum Kernbrennstoff. Für die jährliche Nachladung eines Standard-Druckwasserreaktors von MW elektrischer Leistung werden heute bei einem Abbrand von 50 GWd/tU etwa 23 Tonnen Uran mit einer durchschnittlichen U-235-Konzentration von 4,3 % benötigt. Bei einer Abreicherung auf 0,3% U-235 müssen dazu ca. 220 Tonnen Natururan bereitgestellt und rund 124 Tonnen Trennarbeit für die Anreicherung aufgewendet werden. Die Trennarbeit ist ein Maß für die Werterzeugung bei der Urananreicherung. Zur Anreicherung von Uran sind eine Vielzahl von Trennverfahren erdacht und zum Teil auch entwickelt worden. Da grundsätzlich mit diesen Verfahren auch eine Anreicherung auf sehr hohe U-235-Konzentrationen möglich ist, wie sie für den Bau von Kernwaffen benötigt werden, unterliegen die technischen Details fast aller Anreicherungsverfahren einer strengen Geheimhaltung und können daher im folgenden nur in sehr beschränktem Umfang diskutiert werden. Industrielle Bedeutung erlangt haben bis heute nur das Gasdiffusionsverfahren und das Zentrifugenverfahren. Im Gegensatz dazu ist das Laserverfahren nicht über das Stadium der Grundlagenentwicklung hinausgekommen. Aufgrund extremer Anforderungen ist es für den industriellen Einsatz nicht geeignet. Nahezu alle Entwicklungsprogramme sind inzwischen eingestellt worden. In den beiden für eine industrielle Erzeugung von angereichertem Uran bis heute verwendeten Anreicherungsverfahren, dem Zentrifugenverfahren und dem Diffusionsverfahren, erfolgt die Trennung der Uranisotope in der Gasphase. Als Verfahrensgas wird Uranhexafluorid (UF6) benutzt, die einzige chemische Verbindung des Urans, die bei Zimmertemperatur mit einem Dampfdruck von rund 100 mbar eine hinreichende Flüchtigkeit besitzt. Dabei ist von besonderem Vorteil, dass Fluor nur ein einziges Isotop besitzt. Somit wird die Urananreicherung nicht durch eine Fluorisotopentrennung gestört. Von Nachteil ist, dass Uranhexafluorid sich bereits bei Berührung mit Luftfeuchtigkeit zersetzt und die stark ätzende Flusssäure bildet. Bei beiden Anreicherungsverfahren wird zur Trennung der geringe Massenunterschied zwischen den Molekülen 235UF6 und 238UF6 genutzt. Verfahren: Zentrifugenverfahren Diffusionsverfahren

5 Aufbau der Zentrifuge Der prinzipielle Aufbau einer Gaszentrifuge ist in Abb. 3 dargestellt. In einem stabilen vakuumdichten Schutzgehäuse (Rezipienten) läuft unter Verwendung geeigneter Lager ein von einem Elektromotor angetriebener Rotor mit hoher Umfangsgeschwindigkeit. Das durch ein feststehendes Rohr etwa in der Mitte des Rotors eingespeiste gasförmige Uranhexafluorid (UF6) wird von der Rotorwand mitgerissen und rotiert mit annähernd gleicher Geschwindigkeit. Die durch die Rotationsbewegung hervorgerufene Zentrifugalkraft bewirkt eine bevorzugte Drift der schweren 238UF6-Moleküle nach außen, so dass es zur Rotorachse hin zu einer geringen Anreicherung der leichten 235UF6-Moleküle kommt. Dieser zunächst nur in radialer Richtung wirksame Entmischungseffekt wird verstärkt, wenn der Rotationsbewegung in geeigneter Weise eine Konvektionsbewegung in axialer Richtung überlagert wird, die z. B. durch ein Temperaturgefälle entlang der Rotorachse erzeugt werden kann (Thermokonvektion). Eine Zentrifuge mit einem derartigen geschlossenen Umstrom, z. B. in Achsnähe von oben nach unten und an der Rotorwand von unten nach oben, wird als Gegenstromzentrifuge bezeichnet. Der innere Strom wird längs seiner Bewegungsrichtung durch den Weggang schwerer und den Zustrom leichter Teilchen mit dem Uranisotop 235 angereichert. Entsprechend wird der äußere Strom längs seiner Bewegungsrichtung abgereichert. Dieser Effekt kann als innere Kaskadierung (s. auch Kap. 2.4) angesehen werden. Der größte Konzentrationsunterschied besteht bei der Gegenstromzentrifuge nun nicht mehr zwischen Achse und Rotorwand, sondern zwischen den Enden des Zentrifugenrotors. Bei der in Abb. 3 dargestellten Umstromrichtung wird das angereicherte Uran am unteren Ende und das abgereicherte Uran am oberen Ende mit Entnahmeröhrchen, die von der Achse bis nahe an die Rotorwand ragen, entnommen. In dem starken Zentrifugalfeld in einer Zentrifuge beträgt das Druckverhältnis zwischen Rotorachse und Rotorwand mehrere Zehnerpotenzen. Praktisch die gesamte Masse des im Rotor enthaltenen Gases befindet sich in einer sehr dünnen Schicht an der Rotorwand. Aufgrund des geringen Druckes in Achsnähe kann nur sehr wenig Gas durch die Öffnung im oberen Rotordeckel, durch die das starre Gasführungssystem in den Rotor hineinragt, in den Außenraum zwischen Rotor und Rezipienten gelangen. Die Verluste durch Gasreibung werden somit sehr gering. Die Öffnungen der Entnahmeröhrchen für die an- und abgereicherte Fraktion befinden sich im Bereich des relativ hohen Druckes an der Rotorwand, wobei der Staudruck in der rotierenden Gasschicht genutzt wird. Mit dem Druckunterschied zwischen Ein- und Ausspeisung kann das gasförmige Uranhexafluorid im äußeren Leitungssystem gefördert werden. Eine externe Förderung durch Kompressoren oder Pumpen ist nicht erforderlich. Der Energiebedarf wird allein von der sehr geringen Reibung im unteren Zentrifugenlager sowie von der verbleibenden Gasreibung bestimmt. Mit modernen Maschinen werden Werte von weniger als 50 kwh/kg UTA für den spezifischen Energiebedarf erreicht, der damit nur noch 2 % des Energiebedarfs beim Diffusionsverfahren ausmacht.

6 2.2 Das Gasdiffusionsverfahren Das physikalische Grundprinzip des Gasdiffusionsverfahrens beruht auf der Tatsache, dass die Isotope U-235 und U-238 wegen ihres Massenunterschiedes mit verschiedener Geschwindigkeit durch poröse Wände wandern. Das Prinzip ist in Abb. 5 gezeigt. Das Verfahrensgas UF6 wird durch einen Kompressor in die Diffusionszelle hineingedrückt. Die Uranhexafluoridmoleküle, die das leichtere Isotop U-235 enthalten, wandern geringfügig schneller durch die Membranen. Etwa die Hälfte des eingespeisten Materials geht durch die Membranen hindurch und wird auf der anderen Seite als leicht angereichertes Product abgesaugt. Der restliche Teil fließt an den Membranen vorbei, enthält weniger 235UF6 und ist somit abgereichert. Im Gegensatz zur Zentrifuge, bei der der Trennfaktor von der Massendifferenz der zu trennenden Moleküle abhängt, ist der bei der Diffusion theoretisch in einer Stufe erreichbare Trennfaktor durch das Verhältnis der Massen bestimmt: In Diffusionsanlagen müssen daher bedeutend mehr Stufen hintereinander geschaltet werden als beim Zentrifugenverfahren (s. Kap. 2.4). Beim Durchgang durch die Membranen tritt ein Druckverlust auf. Nach jeder Stufe muss daher das Verfahrensgas wieder neu verdichtet werden. Die dabei in das Gas eingebrachte Verdichtungswärme muss über Wärmetauscher abgeführt werden. Die in großen Anlagen verwendeten Kompressoren haben eine Ausgangsleistung von mehreren m3/h. Die große Zahl solcher Kompressoren und ihr Energieverbrauch führen zu hohen Energiekosten. Mit rd kwh/kg UTA ist der spezifische Energiebedarf etwa 60 mal höher als beim Zentrifugenverfahren. Eine Gasdiffusionsanlage verbraucht alleine schon ungefähr 4 % der Energie, die aus dem von ihr erzeugten angereicherten Uran gewonnen werden kann. In Abb. 6 ist die Zusammenschaltung von mehreren Diffusionsstufen gezeigt. 2.4 Aufbau von Trennanlagen Bei den beiden bisher industriell eingesetzten Anreicherungsverfahren, dem Zentrifugenverfahren und dem Gasdiffusionsverfahren, ist der Trennfaktor eines einzelnen Trennelementes nicht groß genug, um die erforderliche Anreicherung auf 2 5 % in einem Schritt zu erreichen. Deshalb muss der Trennvorgang durch Zusammenschalten von einzelnen Trennelementen zu sog. Kaskaden mehr oder weniger oft wiederholt werden. Das Schema einer Kaskade ist in Abb. 8 dargestellt. Auf die Einzelheiten der Kaskadierungstechnik soll hier nicht weiter eingegangen werden. Das Grundprinzip für den Fall von gleich großem Anund Abreicherungsgrad des einzelnen Trennelementes besteht jedoch darin, dass z. B. das Product der Grundstufe, in die das Ausgangsuran eingespeist wird, als Feed in die 1. Stufe des Anreicherungsteils geleitet und das Tails der Grundstufe in die 1. Stufe des Abreicherungsteils geführt wird. Entsprechend werden weitere Stufen hinzugefügt, bis an der Spitze des Anreicherungsteils die gewünschte Product- Konzentration und am Ende des

7 Abreicherungsteils die vorgesehene Tails-Konzentration erreicht sind. Beim Zentrifugenverfahren ist der Trennfaktor eines Trennelementes bedeutend größer als beim Diffusionsverfahren. Zur Anreicherung von Uran als Brennstoff für Leichtwasserreaktoren werden bei einer wirtschaftlichen Abreicherung nur noch weniger als 10 Zentrifugenstufen benötigt. Im Gegensatz zum Diffusionsverfahren, bei dem aufgrund der technischen Auslegung der zwischen den Stufen erforderlichen Kompressoren Baueinheiten mit einem großen Durchsatz eingesetzt werden, hat eine einzelne Zentrifuge jedoch nur einen sehr geringen Materialdurchsatz. In den Trennstufen einer Zentrifugenkaskade werden daher mehrere Zentrifugen parallel betrieben. Bei der Auslegung der Zentrifugenkaskaden besteht eine weitgehende Freiheit, die Größe der Kaskaden nach technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten hinsichtlich Aufbau und Betrieb festzulegen. Dies führte zu dem modulartigen Aufbau von Zentrifugentrennanlagen, die in Betriebseinheiten unterteilt sind, die wiederum aus mehreren parallel arbeitenden Kaskaden bestehen. Jede einzelne Kaskade erfüllt die volle Trennaufgabe; d. h. Anreicherung auf z. B. 3,5 % und wirtschaftliche Abreicherung auf 0,2 %. Sobald die Zentrifugen einer Kaskade in der Anlage installiert sind, kann diese Kaskade in Betrieb genommen werden. Diffusionsanlagen bestehen im Gegensatz dazu nur aus einer einzigen großen Kaskade mit ca Stufen. Damit wird der bei der Auslegung vorgesehene volle Bereich für die An -und Abreicherung im Product bzw. im Tails erst nach der Installation der Gesamtkapazität erreicht, die bei einer industriell arbeitenden Anlage zwischen und t UTA/a beträgt. In Abb. 9 sind die Anlagenkonzepte für das Zentrifugen- und Diffusionsverfahren schematisch dargestellt.

8 Endlagerung: Anforderungen an das Endlager: Einige Kriterien, die für die Standortsuche relevant sind, scheinen bereits klar zu sein. So sind sich alle AkEnd-Mitglieder einig, dass der Atommüll in tiefen geologischen Formationen gelagert werden soll. Ad acta gelegt sind damit Überlegungen, den Atommüll im Meer zu versenken, im Eis einzuschließen oder ins Weltall zu transportieren. Auch weitere Ausschlusskriterien sind klar: Auszuschließen sind: Vulkangebiete und Erdbebenregionen Die Alpen genauso, da sie in geologischen Maßstäben ein junges Gebirge sind, das noch in Bewegung ist Flächen die keine einheitlichen geologischen Formationen aufweisen (Granitgestein ist häufig von Rissen durchzogen, wo Wasser eindringen kann und Gase austreten können. Übrig bleiben Salz- und Tongesteine (siehe am Beispiel Gorleben bzw. Schacht Konrad) Am 5. Juni 2002 ist dem Schacht Konrad nach fast 20ig jähriger Verfahrensdauer, die Umrüstung zum Endlager für radioaktive Abfälle erteilt worden. Die dafür nötigen Umbauten dauern min. 4 Jahre. Die Endlagerplanung sieht mehrere Einlagerungsfelder in Tiefen zwischen 800m und 1300m vor, die ein Abfallvolumen bis zu m³ aufnehmen können. Allerdings wurde beschlossen das nur etwa 50% des Einlagerungsvolumen genutzt werden. In ihm finden dann etwa 90% der in Deutschland anfallenden radioaktiven Abfälle platz. Kokillen