Wintersemester 2011/2012. Nukleare Entsorgung Dr. Udo Gerstmann

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1 Wintersemester 2011/2012 Nukleare Entsorgung Dr. Udo Gerstmann Bundesamt für Strahlenschutz &

2 Thema der Woche: Ein Transport wärmeentwickelnder Abfälle noch Gorleben

3 Radioaktive Abfälle - Rechtliches Atomgesetz (AtG) 9a Absatz 3 Die Länder haben Sammelstellen für die Zwischenlagerung der in ihrem Gebiet angefallenen radioaktiven Abfälle einzurichten. Der Bund hat Anlagen zur Sicherstellung und Endlagerung radioaktiver Abfälle einzurichten. Sie [Bund und Länder] können sich zur Erfüllung ihrer Pflichten Dritter bedienen.

4 Radioaktive Abfälle - Rechtliches Strahlenschutzverordnung (StrlSchV) 76 Kernkraftwerke, Wiederaufarbeitungsanlagen, Urananreicherungsanlagen müssen ihre Abfälle direkt an den Bund/das Endlager abgeben (und bis zu dessen Inbetriebnahme zwischenlagern) Kliniken, Forschungseinrichtungen etc. geben ihre Abfälle an Landessammelstellen weiter (in Bayern GRB mit den Sammelstellen Mitterteich und Neuherberg)

5 Herkunft/Anfall radioaktiver Abfälle Natürliche Radioaktivität Künstliche Radioaktivität Kernenergie/Kerntechnik (Spalt-/Aktivierungsprodukte, Transurane) Betriebsabfälle Abgebrannte Brennelemente Reste der Wiederaufarbeitung ausgedienter Brennelemente (Kokillen) Früher Wiederaufarbeitungsanlage Karlsruhe (WAK) Heute La Hague, Sellafield In Zukunft v. a. Bauschutt, Schrott Forschung Medizin Materialprüfung

6 Spaltprodukte - eine Auswahl 79 Se a 129m Te/ 129 I 33,6 d/ a 85 Kr 10,8 a 131 I 8,02 d 89 Sr 50,5 d 132 Te 76,3 h 90 Sr 28,6 a 133 I/ 133 Xe 20,8 h/5,25 d 91 Y 58,5 d 137 Cs 30,2 a 93 Zr a 140 Ba/ 140 La 12,8 d/40,3 h 95 Zr/ 95 Nb 64,0 d/35,0 d 141 Ce 32,5 d 99 Mo/ 99 Tc 66 h/ a 143 Pr 13,6 d 103 Ru 39,4 d 144 Ce 285 d 106 Ru 374 d 147 Pm 2,62 a 110m Ag 250 d 151 Sm 93 a

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8 Geschlossener Kernbrennstoffkreislauf Reaktor BE-Herstellung BE-Lager Plutonium 235 U-Anreicherung Wiederaufarbeitung Uran-Konversion Uran Spaltprodukte Uran-Gewinnung Endlager

9 Elektronenhülle und Oxidationsstufen OZ Element Elektronenkonfigur. Oxidationsstufen (in wässriger Lösung) 89 Actinium Ac [Rn] 6d 1 7s Thorium Th [Rn] 6d 2 7s Protactinium Pa [Rn] 5f 2 6d 1 7s Uran U [Rn] 5f 3 6d 1 7s Neptunium Np [Rn] 5f 4 6d 1 7s Plutonium Pu [Rn] 5f 6 7s Americium Am [Rn] 5f 7 7s Curium Cm [Rn] 5f 7 6d 1 7s Berkelium Bk [Rn] 5f 9 7s Californium Cf [Rn] 5f 10 7s Einsteinium Es [Rn] 5f 11 7s Fermium Fm [Rn] 5f 12 7s Mendelevium Md [Rn] 5f 13 7s Nobelium No [Rn] 5f 14 7s Lawrencium Lr [Rn] 5f 14 6d 1 7s 2 3

10 Extraktion von Pu(IV) und U(VI) mit Tributylphosphat (TBP) 4 NO 3 - Pu 4+ Pu(NO 3 ) 4 2 TBP Pu(NO 3 ) 4 2 TBP 2 NO 3 - UO 2 2+ UO 2 (NO 3 ) 2 2 TBP UO 2 (NO 3 ) 2 2 TBP

11 Verteilungskoeffizienten bei der Extraktion mit TBP

12 Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen nach dem Purex-Verfahren (Plutonium-Uranium-Refining by Extraction) 1. Auflösen des Kernbrennstoffs mit HNO 3 2. Extraktion von Pu(IV) und U(VI) mit TBP WAK: 30 % TBP/Kerosin 3. Rückextraktion von Pu(III) nach Reduktion von Pu(IV) (z. B. mit U(IV), Eisensulfamat, elektrochemisch) 4. Rückextraktion von U(VI) mit verdünnter Säure

13 Verfahrensschema der WAK

14 Eingangsstufe der WAK Reinigung der Abgase BE Vorbereitung der Brennelemente Lösen des Brennstoffs Klären, Einstellung zur Extraktion Extraktion Strukturmaterial Hülsen Klärschlamm fester Abfall modifiziert nach F. Baumgärtner, Chemie der nuklearen Entsorgung Teil III

15 Brennstoffauflösung UO HNO 3 UO 2 (NO 3 ) NO H 2 O 3 UO HNO 3 3 UO 2 (NO 3 ) NO + 4 H 2 O 2 UO HNO 3 2 UO 2 (NO 3 ) 2 + NO + NO H 2 O PuO HNO 3 Pu(NO 3 ) 4 3 PuO HNO 3 3 PuO 2 (NO 3 ) NO + 4 H 2 O 2 I HNO 3 I 2 + NO 2 + H 2 O I HNO 3 2 HIO 3 + NO 2 + NO + 4 HNO 2 2 HIO HNO 2 I HNO 3 + H 2 O

16 Reinigungssysteme & Betriebsabfälle Extraktionsmittel Beseitigung v. a. von Dibutylphosphat, Butylphosphat und Phosphorsäure durch Waschen mit verdünnter HNO 3 2 0,25 M Na 2 CO 3 0,6 M HNO 3 Produktlösungen Beseitigung v. a. con Tributylphosphat durch Kerosinwäsche Steam Stripping Verdampfung

17 Hochradioaktive/wärmeentwickelnde Abfälle Ausgediente Brennelemente Leistungsreaktoren Forschungsreaktoren (v. a. AVR, THTR, VKTA, FRM II, KNK) Verglaste Abfälle (Sellafield, La Hague, VEK) CSD-V: HAW-Kokillen mit verglasten Spaltproduktlösungen und Feedklärschlämmen CSD-B verglaste mittelradioaktive

18 Entscheidung der Bundesrepublik zur Errichtung einer bundeseigenen Pilot-Wiederaufarbeitungsanlage in Karlsruhe durch die GfK Einlagerungszeit Asse WAK Betrieb Errichtung Farbwerke Hoechst - Projektstudie zur Errichtung einer Wiederaufarbeitungsanlage auf dem Werksgelände in Frankfurt a. M. Gründung der GWK (Gesellschaft zur Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen mbh) durch Hoechst (50 %), NUKEM (25 %) und Gelsenberg (25 %) (1967 auch Bayer 25 %) Gründung der KEWA (Kernbrennstoff- Wiederaufarbeitungsgesellschaft mbh) durch die Gesellschafter der GWK zwecks Errichtung einer deutschen Wiederaufarbeitungsanlage DWK (Deutsche Gesellschaft zur Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen mbh) übernimmt GWK und KEWA; DWK beantragt Genehmigung zur Errichtung und Betrieb eines Entsorgungszentrums (Gorleben) 1979 Ministerpräsident Albrecht (CDU) erklärt Projekt "Entsorgungszentrum Gorleben" für nicht 1980 realisierbar

19 WAK Betrieb Projekt WAA Wackersdorf eingestellt WAK Betriebseinstellung 1,1 t Plutonium 200 t Uran 60 m 3 HAWC 7, Bq 16,5 kg Plutonium 0,5 t Uran 2000 Atomkonsens zwischen rot-grüner Bundesregierung und EVUs, Wiederaufarbeitung im Ausland ist ab Mitte 2005 nicht mehr zulässig Verglasung der HAWC, 130 Kokillen 2009 "grüne Wiese" 2023

20 Offener Kernbrennstoffkreislauf Reaktor BE-Herstellung BE-Lager 235 U-Anreicherung BE-Zwischenlager Uran-Konversion Uran-Gewinnung Endlager

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22 Die Konditionierung = Überführung in eine transport- und lagerfähige Form, möglichst kleine Volumina erwünscht - flüssige Abfälle Verdampfen, Fällen, Reste ev. betonieren - feuchte Abfälle Trocknen - Abluftfilter, Schrotte, Bauschutt Verpressen - brennbare, feste Abfälle Verbrennen - Hochaktive Flüssigabfälle Verglasen

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24 WAK - Reststoffe und Abfälle

25 Verglasungsanlage Karlsruhe (VEK)

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27 Verglasungsanlage VEK Errichtet 2000 bis 2007 direkt neben der WAK Von 9/2009 bis 11/2010 wurden ca. 60 m 3 hochaktiver Flüssigabfall (HAWC) verglast 140 Kokillen wurden befüllt 2/2011 in fünf CASTOR-Behältern zum Zwischenlager Nord (Lubmin/Greifswald) der EWN transportiert

28 Die Verpackung

29 Forschungsbergwerk Asse Einlagerung mit der Versturtz-Technik

30 Behälter Konrad Container Gussbehälter Betonbehälter

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33 Behälter für wärmeentwickelnde Abfälle Pollux

34 Endlager - Einlagerungsbedingungen Vorgaben Aktivität, Dosisleistung, Gewicht und Behälter Asse Entwicklung der Einlagerungsbedingungen während der Einlagerung Konrad, (Gorleben) Festlegung der Einlagerungsbedingungen durch verschiedene, standortbezogene Sicherheitsanalysen

35 Oberflächennahe Endlager

36 Transnuklear-Skandal 1987 Abfallrichtlinie

37 Stichwörter zur Produktkontrolle Leitnuklide Schlüsselnuklide Nuklidvektor zerstörungsfreie Prüfverfahren Dosisleistungmessung, Fassscanner, Tomographie, Radiographie zerstörende Prüfverfahren Beprobung, radiochemische Analytik

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41 1896: Entdeckung der Radioaktivität 1928: Int. Kom. z. Schutz v. Röntgenstrahlung u. Radium 1934: Künstliche Radioaktivität 1938: Kernspaltung 1961: erstes deutscher KKW Asse ERAM 1989: Abfall-RL 2013: Konrad

42 JB 1964, Studiengruppe für Tieflagerung radioaktiver Abfälle, KfK 357

43 Schrifttumsübersicht über Endlagerung radioaktiver Abfallstoffe in Salzformationen, KfK 205, März 1964

44 Forschungsbergwerk Asse ehemaliges Salzbergwerk, 1965 vom Bund erworben, von der Gesellschaft für Strahlenforschung (GSF) betrieben Versuchseinlagerung von schwach- und mittelaktiven Abfällen 2009 neuer Betreiber Bundesamt für Strahlenschutz (BfS), derzeit Optionenvergleich (Verfüllung, Umlagerung, Bergung)

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46 Versuchseinlagerung 4/1967 bis 12/ ca Gebinde, davon ca mittelaktiv - ca Curie Gesamtaktivität - ca. 40 Ablieferer Ablieferer Stück Gebinde Aktivität FZ Karlsruhe / WAK 50 % 90 % Kernkraftwerke 20 % 3 % FZ Jülich 10 % 2 % Sonstige 20 % 5 %

47 In der Schachtanlage Asse eingelagerte Gebinde Gebinde pro Jahr Gebinde kumulativ

48 Kernkraftwerke und Forschungsreaktoren

49 Herkunft der eingelagerten Abfälle Sonstige (Chemie, FRM, Bundeswehr) deklarierte Aktivität (Gesamt: 7,8E15 Bq) Gebinde (Gesamt ) Landessammelstellen, Forschungszentren KKW, Kerntechnik FZ Karlsruhe, WAK 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

50 WAK-Abfälle in der Asse

51 Wiederaufarbeitungskampagnen der WAK Uranbetrieb ALKEM-Schrott 1. FR2 1. VAK 1. KWO 1. MZFR Pu-Reinigung HDR 2. VAK 2. MZFR 2. KWO KRB 3. KWO 3. MZFR Dekophase

52 Wiederaufarbeitungskampagnen der WAK WAK-Kampagne Abbrand MWd/tU Beginn Dauer Tage Gebinde Stück Aktivität Ci Uranbetrieb ,75E+02 Alkem-Schrott ,00E+00 FR ,18E+02 VAK ,74E+02 KWO ,78E+02 MZFR ,90E+03 Pu-Reinigung ,65E+02 HDR ,79E+02 VAK ,21E+02 MZFR ,44E+03 KWO ,14E+05 KRB ,63E+04 KWO ,88E+04 MZFR ,14E+04 Dekophase ,56E+04

53 Abbrandrechnungen Berechnung des Radionuklidinventars von Brennelementen (z. B. ORIGEN, KORIGEN) Einflussgrößen - Spaltmaterial - Neutronenspektren - Abbrand - Abkühlzeit

54 Plutonium-Nuklidvektoren (Bq/g) Kampagne Pu-238 Pu-239 Pu-240 Pu-241 Pu-242 Pu-244 Uran-Betrieb 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 Alkem-Schrott 0,00E+00 2,00E+09 1,05E+09 7,22E+10 5,43E+05 0,00E+00 FR 2 1,32E+09 1,72E+09 1,39E+09 2,76E+11 1,73E+06 9,87E-02 VAK-1 3,55E+09 1,59E+09 1,57E+09 3,59E+11 2,89E+06 1,24E-01 KWO-1 2,65E+09 1,61E+09 1,61E+09 3,21E+11 2,37E+06 1,86E-01 HDR 8,98E+06 2,28E+09 5,11E+07 2,55E+08 2,49E+01 1,84E-09 VAK-2 2,74E+09 1,67E+09 1,49E+09 2,89E+11 2,15E+06 6,93E-02 MZFR-2 8,84E+08 1,57E+09 1,96E+09 2,46E+11 2,18E+06 5,84E-02 KWO-2 5,94E+09 1,44E+09 1,87E+09 3,96E+11 5,46E+06 8,60E-01 KRB 3,92E+09 1,57E+09 1,67E+09 3,26E+11 3,70E+06 2,53E-01 KWO-3 7,67E+09 1,38E+09 1,91E+09 4,37E+11 6,17E+06 1,10E+00

55 Skandale und Gerüchte Hochaktive Abfälle und Brennelemente Tierkadaver Arsen Ausländische Abfälle Gasförmige Abfälle Leichen Viel mehr mittelaktive Abfälle als deklariert Nazi-Abfälle

56 Endlager für radioaktive Abfälle Morsleben (ERAM) seit Ende des 19. Jahrhunderts Salzbergwerk Einlagerung 1971 bis 1991 und 1994 bis 1998 Im September 1998 Stop der Einlagerung durch Gerichtsbeschluss Im Mai 1999/April 2001 Verzicht des BfS auf weitere Einlagerung, nur nicht-wärmeentwickelnde Abfälle In-Situ-Verfestigung flüssiger Abfälle mit Braunkohlefilterasche (anfangs mit Mischschnecke, später durch wechselndes Einbringen über Versturtzlöcher

57 Schachtanlage Konrad ehemalige Eisenerzgrube seit 1975 erste Eignungsuntersuchungen für die Endlagerung nicht-wärmeentwickelnder Abfälle 1982 Antrag auf Planfeststellungsverfahren 1992/93 Erörterungstermin 2002 Planfeststellungsbeschluss, im Gegenzug zuvor Rücknahme des Antrags auf Sofortvollzug März 2006 Abweisung der letzten Klagen, Revision beim OVG nicht zugelassen Nichtzulassungsbeschwerde abgewiesen

58 Gorleben Transportbehälterlager (oberirdische Betonhalle, GNS) Pilotkonditionierungsanlage (PKA, GNS) Zwischenlager für schwachradioaktive Abfälle (aus dem Betrieb von KKW, GNS) Erkundungsbergwerk (DBE, Tochter von GNS und EWN)

59 Castor(Cask for storage and transport of radioactive material) und Pollux

60 Salzstock Gorleben in den 70er Jahren Planung eines nationalen Entsorgungszentrums Juli 1977 Antrag auf Einleitung des Planfeststellungsverfahrens für die Einlagerung leicht-/mittel- /hochaktiver Abfälle 1986 untertägige Erkundung seit 2000 bis 2010 auf Grund des Atomkonsenses Unterbrechung der Erkundung für 3 bis 10 Jahre Kosten 1977 bis ,43 Milliarden Derzeit im Gespräch, da offene Endlagerstandortsuche gefordert