Kernspaltung und Kernfusion

Anreicherung

In dem Produkt der Uranerzaufbereitung, Yellow Cake, liegt Uran in seiner natürlichen Isotopenzusammensetzung (ca. 99,3% U-238 und 0,7% U-235) vor. Für den Einsatz in einem Kernkraftwerk muss der Anteil an U-235 auf 3%-4% angereichert werden. Zu diesem Zweck wird das Uran-Konzentrat durch eine Reihe von chemischen Reaktionen in einen gasförmigen Zustand umgewandelt (Konversion). Gasförmig liegt dann das Uran in Form von Uranhexafluorid (235-UF₆ und 238-UF₆) vor und erlaubt die Trennung der Isotope. Dafür sind verschiedene Verfahren möglich:

Brennelementeherstellung

In der Brennelementefabrik wird das an U-235 angereicherte UF₆ in UO₂ umgewandelt. Das UO₂ liegt zunächst als graues Pulver vor. Für Leichtwasserreaktoren presst man es zu Tabletten, die anschließend in einer Wasserstoffatmosphäre bei 1700°C gesintert und dadurch weiter verdichtet werden. (Unter Sintern versteht man das Zusammenbacken feinkörniger Substanzen durch Erhitzen bis auf eine Temperatur, bei der die Substanz weich wird.) Da die UO₂-Tabletten (engl. UO₂-Pellets) sehr maßgenau sein müssen, werden sie noch geschliffen. Anschließend füllt man sie in Hüllrohre aus Zirkaloy. Durch Aufschweißen der Endkappen werden die Stäbe gasdicht verschlossen. Mehrere zu einem Bündel zusammengefasste Brennstäbe bilden ein Brennelement.

Wiederaufarbeitung

Nach dem Einsatz der Brennelemente in einem Reaktor hat sich die Zusammensetzung der Uran-Tabletten geändert. Der Spaltstoff U-235 wird z.T. durch Kernspaltungen, z.T. durch Umwandlung in U-236 verbraucht. Die bei den Kernspaltungen entstehenden Spaltprodukte sind radioaktiv.
Durch Neutroneneinfang entsteht aus U-238 das Plutoniumisotop Pu-239. Wegen der Abnahme des Spaltstoffes und der Zunahme neutronenabsorbierender Spaltprodukte müssen die Brennelemente nach bis zu siebenjährigem Einsatz ausgetauscht werden.

Uranmine

Hinweis: Die Informationen stammen z.T. vom Hamburger Bildungsserver.

Das Element Uran kommt etwa 100mal häufiger in der Erdrinde vor als Silber oder Gold. Heute werden Erze wirtschaftlich genutzt, die zwischen 0,1 und 0,5 % Uran enthalten. Solche Lagerstätten finden sich in Kanada, USA, Brasilien, Süd- und Mittelafrika, Australien, Frankreich, Schweden oder der ehemaligen UdSSR. In der Bundesrepublik Deutschland sind nur noch kleinere Uranerzlager vorhanden (z.B. Schwarzwald, Bayerischer Wald, Fichtelgebirge, Erzgebirge). Das Uranerz wird in Minen gewonnen.

Uranmine in Gabun

Unter Uranerz-Aufbereitung versteht man die Trennung des Urans vom restlichen Gestein. Das geschieht durch physikalische und chemische Verfahren, die das Erz zerbrechen, fein mahlen und das Uran mit einer Säure oder Lauge herauslösen. So wird bis zu 90% Uran aus dem Erz gewonnen. Die Uran-Lösung enthält in diesem Stadium noch eine Reihe von Begleitstoffen, die durch Reinigungsverfahren entfernt werden. Zu diesem Zweck wird die Uran-Lösung in verschiedene chemische Zustände umgewandelt und anschließend getrocknet. So erhält man ein Konzentrat, das 70%-80% Uran enthält. Wegen seiner gelben Farbe hat es den Namen "Yellow Cake" erhalten.

Yellow Cake

Endlagerung

Die radioaktiven Spaltprodukte bzw. Aktiniden müssen verpackt und sicher endgelagert werden, damit sie auf Dauer aus der Biosphäre ausgeschlossen sind. Das Hüllrohrmaterial, das durch Neutronenbestrahlung radioaktiv geworden ist, wird ebenfalls endgelagert.

Vor der Endlagerung werden die Abfälle zunächst in hochaktive und mittelaktive getrennt und entsprechend ihrer Eigenschaften behandelt:

• Die hochradioaktiven Stoffe werden in Glas eingeschmolzen, die Glasblöcke dann wiederum in einen Edelstahlbehälter eingeschweißt.
• Die mittelaktiven Abfälle werden in entsprechenden Fässern verpackt.

Am weitesten verbreitet ist die Lagerung in Tiefen von mehreren hundert Metern, wobei die Lagerstätten so gewählt werden, dass die Schichten geologisch stabil und die Gesteinsart möglichst dicht ist: Radioaktive Produkte können insbesonderde dann in die Biosphäre gelangen, wenn Wasser in die Lagerstätte eindringt, welches die Behälter durch Korrosion zerstört und die Stoffe löst. Das Eindringen von Wasser in eine Endlagerstätte kann ausgeschlossen werden, wenn alle Hohlräume z.B. mit Beton ausgefüllt werden. Das Endlager Morsleben ist ein ehemaliges Steinsalzbergwerk, in dem in ca. 500 m Tiefe schwach- und mittelradioaktive Abfälle eingelagert werden. Von den 10 Mio. m³ Hohlraum des Bergwerkes sollen etwa 50.000 m³ als Endlager genutzt werden.