Potenzial für die Wiederaufbereitung und Wiederanreicherung verbrauchter Kernbrennstoffe

Die Wiederaufbereitung und Wiederanreicherung sind Technologien, die das nicht verbrauchte Uran und Plutonium aus abgebrannten Brennelementen zurückgewinnen und in neue Brennelemente umwandeln. Diese Verfahren sind in mehreren Ländern seit Jahrzehnten in Betrieb und bieten einen strategischen Weg zur Verringerung der Abfallmengen, zur Erhaltung des natürlichen Urans und zur Erhöhung der Energiesicherheit. Dieser Artikel bietet eine maßgebliche Untersuchung der Wissenschaft, der Technologien, der globalen Umsetzung, der Vorteile, der Herausforderungen und des zukünftigen Potenzials der Wiederaufbereitung und Wiederanreicherung im Rahmen der nachhaltigen Kernenergie.

Was ist verbrauchter Kernbrennstoff?

Der Kernbrennstoff wird aus einem Kernreaktor entfernt, nachdem er eine Kettenreaktion nicht mehr effizient aufrechterhalten kann. Obwohl er "verbraucht" genannt wird, ist er immer noch hoch radioaktiv und thermisch heiß.

  • Uran-238 (~93-95% Gewichtsprozent) - das fruchtbare Isotop, das in Plutonium umgewandelt werden kann.
  • Uran-235 (~0.8-1.2 %) - das spaltbare Isotop, das den Reaktor antreibt, das noch in Konzentrationen etwas über natürlichen Niveaus vorhanden ist.
  • Plutonium (~0,8-1,0%) - produziert durch Neutroneneinfang in U-238, einschließlich spaltbarer Pu-239 und Pu-241.
  • Kleinere Aktinide (Neptunium, Americium, Curium) und Spaltprodukte (Cesium-137, Strontium-90, Technetium-99, etc.) - verantwortlich für den größten Teil der Radioaktivität und Wärmeerzeugung.

Die intensive Radioaktivität und Hitze erfordern, dass abgebrannte Brennelemente jahrzehntelang in gekühlten Pools oder Trockenfässern gelagert werden, bevor sie für die Wiederaufbereitung verwendet werden.

Motivation für Wiederaufbereitung und Wiederanreicherung

Anstatt abgebrannte Brennelemente als Einweg-Hochaktivabfälle zu behandeln, ermöglichen Wiederaufbereitung und Wiederanreicherung die Rückgewinnung wertvoller Materialien.

  • Ressourceneffizienz: Natürliches Uran ist eine endliche Ressource. Wiederaufbereitung und Wiederanreicherung ermöglichen die Rückgewinnung von bis zu 96% des verbleibenden Urans und Plutoniums, wodurch die Brennstoffversorgung erheblich erweitert wird.
  • Abfallvolumenreduktion: Die Entfernung von Uran und Plutonium aus abgebrannten Brennelementen reduziert das Volumen hochradioaktiver Abfälle, die eine tiefe geologische Endlagerung erfordern, um etwa 80%.
  • Verringerte Langzeitradiotoxizität: Spaltprodukte zerfallen innerhalb weniger hundert Jahre, während Plutonium und einige kleinere Aktinide für Hunderttausende von Jahren gefährlich bleiben.
  • Energiesicherheit: Länder mit begrenzten heimischen Uranressourcen können durch Recycling ihrer eigenen abgebrannten Brennelemente weniger abhängig von Importen werden.
  • Nichtverbreitungsüberlegungen: Während die Wiederaufbereitung Proliferationsbedenken aufwirft, zielen fortschrittliche Sicherheitsvorkehrungen und internationale Rahmenbedingungen darauf ab, sie sicher zu machen.

Diese Motivationen haben Investitionen in die Wiederaufbereitung von Infrastrukturen unter anderem in Frankreich, Russland, Japan, Großbritannien und Indien vorangetrieben.

Wiederaufbereitungstechnologien

PUREX-Verfahren

Das PUREX-Verfahren (Plutonium and Uranium Recovery by Extraction) ist die kommerziell ausgereifteste Wiederaufbereitungstechnologie. Es wurde in den 1940er Jahren entwickelt und verwendet eine Reihe von Lösungsmittelextraktionsschritten unter Verwendung von Tributylphosphat in einem organischen Verdünnungsmittel. Abgebrannter Brennstoff wird zuerst in Salpetersäure gelöst, dann werden Uran und Plutonium von Spaltprodukten und geringfügigen Aktiniden getrennt. Das Uran und Plutonium werden dann gereinigt und in Oxide für die neue Brennstoffherstellung umgewandelt.

In La Hague (Frankreich), Mayak und Seversk (Russland), Sellafield (Vereinigtes Königreich) und Tokai (Japan) gibt es PUREX-Anlagen, die über Jahrzehnte tausende Tonnen abgebrannter Brennelemente verarbeitet haben. Die Technologie ist bewährt, erzeugt jedoch einen reinen Plutoniumstrom, der Bedenken hinsichtlich der Verbreitung aufwirft. Um diesen entgegenzuwirken, wurden modifizierte Flussdiagramme wie COEX (Co-Extraktion von Uran und Plutonium) oder UREX (nur Uranextraktion) entwickelt.

Pyroprozession

Die Pyroprozession, auch bekannt als elektrometallurgische Verarbeitung, verwendet geschmolzene Salze und Elektroraffination, um Aktinide von Spaltprodukten zu trennen. Sie eignet sich besonders für metallische Brennstoffe und zur Behandlung von Brennstoff aus schnellen Reaktoren. Das Verfahren liefert keinen reinen Plutoniumstrom, sondern erzeugt stattdessen eine Mischung aus Uran, Plutonium und geringfügigen Aktiniden, die von Natur aus proliferationsresistent ist. Die Pyroprozession wird in mehreren Ländern mit einer Pilotanlage im Idaho National Laboratory in den Vereinigten Staaten erforscht. Zu ihren Vorteilen gehören kompakte Geräte, Toleranz gegenüber hohen Strahlungsfeldern und die Fähigkeit, kurzgekühlten Brennstoff zu handhaben.

Fortgeschrittene wässrige Methoden

Um die Proliferationsrisiken zu verringern und die Abfallwirtschaft zu verbessern, kombinieren moderne wässrige Verfahren Elemente von PUREX mit Partitionierungsschritten wie z. B. SANEX- (Selective ActiNide EXtraction), DIAMEX- (DIAMide EXtraction) und GANEX- (Group ActiNide EXtraction)-Verfahren, die in Europa im Rahmen der Forschungsprogramme der Europäischen Union entwickelt werden und darauf abzielen, kleinere Aktinide zusammen mit Plutonium für die Transmutation in schnellen Reaktoren oder beschleunigergetriebenen Systemen zu trennen.

Wiederanreicherung von wiederaufbereitetem Uran

Wiederaufbereitetes Uran (RepU) hat eine U-235-Konzentration, die typischerweise zwischen 0,8 und 1,2 % liegt – ähnlich wie natürliches Uran (0,711%), aber oft etwas höher.

  • U-232 zerfällt in harte Gamma-Emitter (Thallium-208), was eine Abschirmung und Fernbedienung während der Brennstoffherstellung erfordert.
  • U-236 wirkt als Neutronenabsorber, reduziert die Reaktivität des Brennstoffs und erfordert eine etwas höhere U-235-Anreicherung, um sie zu kompensieren.

Trotz dieser Verunreinigungen kann RepU mit Hilfe der üblichen Technologie zur Anreicherung von Gaszentrifugen wieder angereichert werden. Dabei wird das wiederaufbereitete Uran in Zentrifugenkaskaden eingespeist, um die Konzentration von U-235 auf Reaktoren zu erhöhen (normalerweise 3-5 % bei Leichtwasserreaktoren).

Die Wiederanreicherung ist im Vergleich zu frischem, niedrig angereichertem Uran aus natürlichen Quellen nicht immer wirtschaftlich wettbewerbsfähig, insbesondere wenn die Uranpreise niedrig sind, wird jedoch in einem geschlossenen Brennstoffkreislauf mit hohen Uranpreisen, Internalisierung der Entsorgungskosten oder Priorisierung der Energiesicherheit attraktiv.

Global Deployment und Policy Landscape

Frankreich

Frankreich betreibt einen vollständig industrialisierten geschlossenen Brennstoffkreislauf. Verbrauchte Brennstoffe aus seinen 56 Reaktoren werden in die Wiederaufbereitungsanlage von La Hague (betrieben von Orano) geschickt. Das zurückgewonnene Plutonium wird zur Herstellung von Mischoxid-Brennstoff (MOX) verwendet, der dann in etwa 30 % der französischen Reaktoren geladen wird. Das wiederaufbereitete Uran wird in Russland gelagert oder zur Wiederanreicherung geschickt. Frankreichs Politik hat es geschafft, sein hochradioaktives Abfallvolumen um den Faktor 5 zu reduzieren und seine langfristige Abfallbelastung zu verringern.

Russland

Russland verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Wiederaufbereitung, angefangen bei der militärischen Plutoniumproduktion. Die RT-1-Anlage in Mayak aufbereitet abgebrannte Brennelemente aus VVER-440-Reaktoren, Marinereaktoren und Forschungsreaktoren. In Seversk wird eine neue groß angelegte Wiederaufbereitungsanlage für den Umgang mit VVER-1000-Brennstoffen gebaut. Russland entwickelt auch den BREST-Schnellreaktor und eine damit verbundene Wiederaufbereitungsanlage vor Ort als Teil seines "Proryv"-Programms (Breakthrough), um einen vollständig geschlossenen Brennstoffkreislauf zu erreichen. Rosatom betreibt die weltweit größten Umwandlungs- und Anreicherungskapazitäten, einschließlich der Wiederanreicherung von RepU.

Japan

Japan hat lange einen geschlossenen Brennstoffkreislauf verfolgt, um seine begrenzten Energieressourcen zu nutzen. Es betreibt derzeit eine kleine Wiederaufbereitungsanlage in Tokai und nimmt die große Wiederaufbereitungsanlage in Rokkasho in Betrieb (800 t/Jahr). Das zurückgewonnene Plutonium ist für die Herstellung von MOX-Brennstoffen bestimmt, wobei eine MOX-Anlage in Rokkasho fertiggestellt wird. Die Betriebsverzögerungen und der Atomausstieg nach Fukushima haben jedoch den Fortschritt verlangsamt. Die Wiederaufbereitungspolitik Japans ist aufgrund von Kosten- und Proliferationsbedenken nach wie vor umstritten.

Vereinigtes Königreich

Das Vereinigte Königreich hat von 1994 bis 2018 die Thermal Oxide Reprocessing Plant (THORP) in Sellafield betrieben und mehr als 7.000 Tonnen Oxidbrennstoff für in- und ausländische Kunden verarbeitet. Die Anlage wird derzeit stillgelegt. Das Vereinigte Königreich hat auch Magnox-Brennstoff in Sellafield wiederaufbereitet. Mit der Schließung von THORP hat das Land seinen Schwerpunkt auf die direkte Entsorgung abgebrannter Brennelemente verlagert, obwohl es weiter fortgeschrittene Forschungen zu Trennung und Transmutation betreibt.

Vereinigte Staaten

Die USA haben seit den 1970er Jahren keine wiederaufbereiteten gewerblichen abgebrannten Brennelemente mehr wiederaufbereitet, als Präsident Carter die Praxis unter Berufung auf Proliferationsrisiken einstellte. Seitdem verfolgen die USA einen einmaligen Brennstoffkreislauf mit direkter geologischer Endlagerung am Yucca Mountain (jetzt aufgegeben). Die Forschung zu fortschrittlicher Wiederaufbereitung und schnellen Reaktortechnologien wird jedoch in nationalen Laboratorien fortgesetzt. Die Initiative des Energieministeriums für fortgeschrittene Brennstoffzyklen hat die Pyroverarbeitung und Transmutation erforscht. Die jüngsten Rechtsvorschriften haben das Interesse am Recycling als eine Möglichkeit zur Verringerung der Abfallbelastung und zur Unterstützung kleiner modularer Reaktoren und fortschrittlicher Reaktoren wiederbelebt.

Indien und China

Indien mit seinen großen Thoriumreserven und dem begrenzten Uran hat ein dreistufiges Nuklearprogramm verfolgt, das die Wiederaufbereitung abgebrannter Brennelemente aus Schwerwasserreaktoren mit Druck umfasst. Indien betreibt eine kleine PUREX-Anlage und entwickelt schnelle Reaktoren, die das zurückgewonnene Plutonium schließlich verbrennen werden. China erweitert seine Wiederaufbereitungskapazitäten rasch: eine Pilotanlage in Gansu ist in Betrieb und eine große kommerzielle Anlage (800 t/Jahr) wird in Zusammenarbeit mit Frankreich entwickelt. China sieht die Wiederaufbereitung als wesentlich für seine langfristige nukleare Expansion und Energieunabhängigkeit an.

Umwelt- und Sicherheitsaspekte

Wiederaufbereitung und Wiederanreicherung bieten klare Umweltvorteile in Bezug auf die Abfallreduzierung. Ein typischer 1.000 MWe-Reaktor produziert etwa 30 Tonnen abgebrannte Brennelemente pro Jahr. Nach der Wiederaufbereitung schrumpft das hochradioaktive Abfallvolumen auf etwa 3 Kubikmeter verglaste Glaskanister. Dies reduziert die für die geologische Endlagerung benötigte Landfläche und die damit verbundenen Langzeitüberwachungskosten.

Die Wiederaufbereitungsanlagen selbst erzeugen jedoch flüssige und gasförmige radioaktive Abwässer, die sorgfältig behandelt werden müssen. Die Freisetzung von Tritium, Kohlenstoff-14 und Krypton-85 unterliegt strengen gesetzlichen Grenzwerten. Die chemischen Prozesse verbrauchen erhebliche Energie und erzeugen sekundäre Abfallströme wie Lösungsmittelabbauprodukte.

Das Proliferationsrisiko ist ein wichtiges Problem: PUREX produziert einen reinen Plutoniumstrom, der für Waffen umgeleitet werden könnte. Um dies zu mildern, halten internationale Sicherheitsvorkehrungen (IAEO) und fortschrittliche Technologien (COEX, Pyroprocessing) Plutonium mit anderen Aktiniden oder Uran vermischt. Darüber hinaus unterliegen Wiederaufbereitungsanlagen strengen Sicherheits- und Buchhaltungsmaßnahmen.

Wirtschaftlichkeit ist eine weitere Herausforderung. Die Kosten für den Bau und Betrieb von Wiederaufbereitungsanlagen sind hoch; einige Analysen zeigen, dass es billiger ist, abgebrannte Brennelemente direkt zu lagern und auf die zukünftige Entsorgung zu warten. Aber wenn die Kosten für geologische Lagerräume, Uranpreise und externe Umwelteffekte berücksichtigt werden, kann der geschlossene Brennstoffkreislauf wettbewerbsfähig sein. Länder wie Frankreich und Japan haben die höheren Vorabkosten als strategische Investition akzeptiert.

Zukunftsausblick und fortgeschrittene Kraftstoffzyklen

Das Potenzial der Wiederaufbereitung und Wiederanreicherung ist eng mit der Entwicklung schneller Reaktoren der Generation IV verbunden. Schnelle Reaktoren können die langlebigen Aktinide verbrennen, die durch Wiederaufbereitung getrennt werden, sie in kurzlebige Spaltprodukte umwandeln und mehr Energie gewinnen. Dies ist die Vision eines "vollständig geschlossenen Brennstoffkreislaufs", bei dem kein Material verschwendet wird und die radioaktive Gefahr auf wenige Jahrhunderte reduziert wird.

Mehrere schnelle Reaktordesigns sind in Entwicklung:

  • Der PRISM (Power Reactor Innovative Small Module) von GE Hitachi, ein natriumgekühlter schneller Reaktor, der zum Verbrauch von Plutonium und kleineren Aktiniden entwickelt wurde.
  • Die BN-1200 in Russland, ein großes Natrium schnell Reaktor für volle Brennstoff-Recycling gebaut.
  • Der ALLEGRO Demonstrator in Europa für den gasgekühlten schnellen Reaktor.
  • Das Projekt Advanced Sodium Technological Reactor for Industrial Demonstration (ASTRID) in Frankreich, jetzt umstrukturiert.

Darüber hinaus können beschleunigergesteuerte Systeme (ADS) kleinere Aktinide mit Spallationsneutronen transmutieren, was die Belastung der Lagerstätten möglicherweise noch weiter reduzieren kann.Die Forschung zu diesen Technologien wird in Institutionen wie der Internationalen Atomenergiebehörde, der Weltkernvereinigung und nationalen Labors fortgesetzt.

Für die Wiederanreicherung könnten neue laserbasierte Anreicherungsverfahren wie SILEX (Separation of Isotopes by Laser Excitation) geringere Kosten und Modularität bieten, die jedoch im Pilotmaßstab verbleiben und mit erheblichen kommerziellen Hürden konfrontiert sind.

Internationale Zusammenarbeit ist unerlässlich. Projekte wie das Internationale Forum der Generation IV und die OECD-Kernenergiebehörde koordinieren Forschung zu fortschrittlichen Brennstoffkreisläufen, Sicherheit und Sicherheitsvorkehrungen. Multilaterale Brennstoffkreislaufzentren, in denen Länder gemeinsam Wiederaufbereitungs- und Anreicherungsanlagen besitzen und betreiben, wurden vorgeschlagen, um die Proliferationsrisiken zu senken und Kosten zu teilen.

Schlussfolgerung

Wiederaufbereitung und Wiederaufreicherung sind ausgereifte Technologien, die bereits in mehreren Ländern kommerziell eingesetzt werden und erhebliche Vorteile bieten: geringere Abfallmengen, Erhaltung der Uranressourcen und erhöhte Energiesicherheit. Die technischen Herausforderungen beim Umgang mit wiederaufbereitetem Uran und bei der Verwaltung der Plutoniumvorräte sind gut bekannt, und fortschrittliche Ansätze wie die Pyroverarbeitung und die Gruppen-Aktinid-Trennung versprechen, die Probleme der Verbreitung zu überwinden.

Die wirtschaftlichen Gründe sind nach wie vor unterschiedlich, je nach Uranpreis, Abfallbewirtschaftungskosten und nationaler Politik. Für Länder, die sich der langfristigen Kernenergie verschrieben haben, ist der geschlossene Brennstoffkreislauf ein strategisches Gut, das mit den Nachhaltigkeitszielen in Einklang steht. Da fortschrittliche schnelle Reaktoren und Trennwandlungs-Transmutationssysteme online gehen, wird die Rolle der Wiederaufbereitung und Wiederanreicherung noch zentraler. Fortdauernde Forschung und internationale Zusammenarbeit sind unerlässlich, um diese Technologien zu verfeinern, Kosten zu senken und sicherzustellen, dass abgebrannte Kernbrennstoffe verantwortungsvoll für zukünftige Generationen gehandhabt werden.

Für die weitere Lektüre, die World Nuclear Association Leitfaden auf Kernbrennstoff-Recycling und die IAEO-Abgebrannten Brennelemente Management Seite bieten detaillierte technische und politische Übersichten.