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Begriff:
Von einem Brennstoffkreislauf kann gesprochen werden, da die aus abgebrannten Brennelementen zurückgewonnen Brennstoffe erneut zur Brennelementherstellung verwendet werden. Ein vollständiger Kreislauf liegt jedoch nicht vor, da andauernd Uranerz zugeführt und radioaktive Abfälle aus dem Kreislauf entfernt werden müssen.
Uranvorkommen
Durchschnittlich ist pro 1t Gestein, 3g Uran ( 100x häufiger als Silber oder Gold ) zu finden. Diese Uranerze sind wirtschaftlich nutzbar, wenn sie zwischen 0,1 und 0,5% (100kg-500kg) Uran enthalten. Huptsächlich zu finden in Kanada, USA, Brasilien, Süd- 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 läßt sich auch ärmeres Uranerz verwerten. In der Erdkruste befinden sich ca. 41*1012 t Uran. ¾ auf Kontinenten und der Rest im Meer.
Der Anteil an nutzbarem Uran liegt bei 6*106 t.
Der Verbrauch der westlichen Länder pro Jahr beläuft sich auf: 4.5*104t ( davon BRD 3.3*103 t ). Nach heutigem Verbrauch reicht der Spaltstoff noch für 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 Säuren (chemisch). Mit Säure kann man 90% des Urans trennen, das jedoch nicht rein ist, sondern durch Filtern, Flüssigextraktion usw. herausgefiltert wird.
Durch MnO (Manganoxyd), NaOH (Natriumhydroxid) und NH3 (Stickstoff) kann man Uran aus der Flüssigkeit filtern. Bei Einsatz von NH3 entsteht nach der Trocknung ein gelbes Urankonzentrat mit Namen "Yellow Cake" der 70-80% Uran enthält.
Anreicherung von Uran-235
99,3% U-238 und 0,7% U-235 (natürliche Isotopenzusammensetzung des Urans) sind im "Yellow Cake" enthalten. Für den Einsatz im Kraftwerk wird etwa 3-4% U-235 benötigt. Man wandelt den "Yellow Cake" in die gasförmige 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 Stahlbehälter geladen und zur Anreicherungsanlage transportiert. Für Anreicherung stehen das Diffusions-, Zentrifugen und Trenndüsenverfahren zur Verfügung.
Herstellung von Brennelementen
Durch ein naßchemisches Verfahren wird aus UranHexaFluorid Uranoxyd erzeugt. UranHexaFluorid wird mit Wasser und Amoniak und Kohlenstoffdioxid in einen Behälter gefügt, es entsteht Amonium-Uranyl-Carbonat (AUC=gelber Niederschlag), das sich herausfiltern lässt. Dieses wird erhitzt, wobei Ammoniak, Kohlenstoffdioxyd, Fluorwasserstoff und Urantrioxyd (UO3) entstehen. In einer Wasserstoffatmosphäre (Gasbehälter gefüllt mit Wasserstoff) wird es bei hohen Temperaturen zu Urandioxyd (UO2) umgewandelt. UO2 ist ein graues Pulver, das zu Tabletten gepreßt wird. Diese werden bei 1700 °C in einer Wasserstofatmosphäre gesintert. (Sintern nennt man das Verschmelzen feinkörniger Substanzen durch Erhitzen bis auf eine Temperatur, bei der die Substanz weich wird). Diese Tabletten werden nun noch auf eine streng genormte Größe geschliffen. Dann werden sie in ein Hüllrohr aus Zirkaloy gefüllt und mit Helium geflutet. 1-30bar Helium wird eingebracht, und dann verschlossen. So ist ein fertiger Brennstab entstanden. Mehrere Brennstäbe in einem Bündel 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 können später für kurze Zeit weiter verwendet werden. Die Zusammensetzung der Urantabletten ändert 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, müssen die Brennelemente nach 7 Jahren ausgetauscht werden.
Abgebrannte Brennelemente haben eine sehr hohe spezifische Aktivität und sind sehr warm. Zuerst werden sie im Kraftwerk in Wasser gelagert, wobei das Wasser die Strahlung fast vollständig abschirmt und die Wärme aufnimmt. Die Aktivität geht nach 6-12 Monaten auf 0,1% des Anfangswertes zurück.
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 Brennstäbe müssen sicher endgelagert werden. Würde man die Brennstäbe komplett lagern, würden weniger radioaktive Spaltstoffe bei der Wiederaufbereitung entstehen, jedoch würde Uran-235 und Plutonium-239 nicht mehr weiterbenutzt werden können.
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