Pu Minoractinides

6. Nukleare Entsorgung

Kernkraftwerke in Europa (2007)

Betrieb der Kernkraftwerke in Deutschland (09/2007)

Kernenergie in Deutschland

- Anteil an Elektrizitätsversorgung in Deutschland > 30%, in EU 36%

- 18 im Betrieb befindliche Blöcke

- durch Kernenergie jährliche CO₂ - Emissionen von bis zu 160 Mio. t vermieden

- Betrieb von Forschungsreaktoren

- z.Z. ein Forschungsreaktor Neubau (München-Garching)

- alle im Osten Deutschlands befindlichen russischen Reaktoren außer Betrieb, Vorbereitung/Durchführung des Abbaus

- Verzicht auf deutsche Wiederaufarbeitung (Wackersdorf)

- Rückbau von kerntechnischen Anlagen in Karlsruhe, Jülich und Rossendorf

- Rückbau der WA-Karlsruhe (Konzept „Grüne Wiese“)

- Abbau eines Kernkraftwerkes (KKW Niedereichbach) zur „Grünen Wiese“ bereits erfolgreich durchgeführt

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regierungspolitischer Wille „Ausstieg aus Kernenergie“ (20-25 Jahre)

Quelle: DIW Erdgas;

4,80%

Wind; 4,40%

Sonstige;

7,70%

Steinkohle;

11,60%

Braunkohle;

23,90%

Wasser;

21,40%

Kernenergie;

26,30%

Energiemix (D)

Stilllegung kerntechnischer Anlagen

- Erreichen der Auslegungsbetriebszeit - Unwirtschaftlichkeit

- Sicherheitsbedenken - Störfall

- „politischer Wille“

Jährlicher Anfall von festen Reaktorbetriebsabfällen und abgebrannten Brennelementen (vereinfachtes Schema)

„Atommüll“

- abgebrannte Brennelemente der Reaktoren

- radioaktive Prozessabfälle (Glaskokillen), die bei der Wiederaufbereitung von Brennelementen entstehen - aktivierte, bzw. kontaminierte Bauteile von Reaktoren,

Kernanlagen und Produktionsanlagen für radioaktive Isotope - anfallende radioaktive Abfälle aus nuklearmedizinischer,

industrieller und forschungsseitiger Anwendung

- Prozessabfälle bei der Urangewinnung und Aufarbeitung

= Radioaktiver Abfall:

jegliche radioaktiv kontaminierte, bei Betrieb und Abbau von Kernanlagen und den Umgang mit radioaktiven Stoffen anfallenden Reststoffe, die nicht dekontaminierbar und

nicht wiederverwendbar sind.

Vielfalt der Abfälle (kontaminierte Kleidung und Geräte, Bauschutt,

Reinigungsmittel, Filter, Austauscherharze, Stahl- und Betonstrukturen)

Radioaktiver Abfall

- Toxizität ist im wesentlichen durch die von den radioaktiven Nukliden ausgesandte Strahlung (Art, Energie) bestimmt

- Radioaktivität nimmt nach physikalischer Gesetzmäßigkeit im

Laufe der Zeit ab, Halbwertszeit für endlagerrelevante Radionuklide von wenigen Jahren bis mehrere zehntausend Jahre

- Charakterisierung nach Radioaktivitätsinventar, Radiotoxizität Actinidengehalt und Wärmeentwicklung

⇒ hoch-, mittel- und schwachradioaktiv

- durch geeignete Konditionierung Überführung in zwischen- und endlagerfähige Form (Behandlung, Fixierung, Verpackung)

⇒ Abfallgebinde

- Abgabe, Zwischen- und Endlagerung geregelt

Lagerung (Abfallfass)

Beseitigung von radioaktiven und Nuklearabfällen

- Oberflächennahe Lagerung

- Lagerung untertätig in geologischen Formationen

* mit Option Rückholbarkeit

* keine Rückholbarkeit

- Transmutation langlebiger Nuklide - Transport in den Weltraum

- Meeresverkippung, Versenkung

- Freisetzung / Verteilung / Verdünnung

Konzept zur Entsorgung von radioaktiven und Nuklearabfällen

- Kurzzeitlagerung beim Verursacher

- Abgabe an Landessammelstelle (kein Kernmaterial) - Zwischenlagerung in zentralen Lagern

- Endlagerung in untertägigen geologischen Formationen

(Salz ? Granit ? Tongestein ?)

Pu Minor actinides

Nuclear Fuel Cycle

U

U

U Raffination

Ore concentrate Ore

Nuclear power plant Enrichment

uranium

Fabrication fuel elements

Fuel element

Reprocessing plant

Intermediate storage fuel elements

Conversion

Conditioning fuel elements

Intermediate storage

waste Final nuclear waste disposal

Waste

Conditioning waste

Waste

Uranium mine Processing

Waste

depleted uranium

Chemie des Kernbrennstoffzyklus I

- Uranerzbergbau

- Laugung

UO₂ + H₂ SO₄ + 1/2O₂ UO₂ SO₄ + H₂ O

UO₂ + 1/2O₂ + Na₂ CO₃ + 2NaHCO₃ Na₄ UO₂ (CO₃ )₃ + H₂ O

(bei hohem Carbonatgehalt des Muttergesteins)

- Fällung

2UO₂ (NO₃ )₂ + 6NH₃ ·H₂ O (NH₄ )₂ U₂ O₇ + 3H₂ O + 4NH₄ NO₃ (ADU)

- Kalzination

H₂

(NH₄ )₂ U₂ O₇ UO₂

ΔT H₂

U₃ O₈

Chemie des Kernbrennstoffzyklus II

- Anreicherung

UO₂ + 4HF UF₄ + 2H₂ O U_nat. 0,7% ²³⁵U UF₄ + F₂ UF₆ U_BE 3,0% ²³⁵U

- UO

-Herstellung (AUC-Verfahren)

UF₆ + 2H₂ O UO₂ F₂ + 4HF

UO₂ F₂ + 6NH₃ + 3CO₂ + 3H₂ O (NH₄ )₄ [UO₂ (CO₃ )₃ ] + 2NH₄ F ΔT H₂

UO₂

UO₂ als Pellet

Reaktorbrennelement

Chemie des Kernbrennstoffzyklus III

Reaktorbrennelement nach Einsatz in Reaktor (Wiederaufarbeitung):

- Auflösung

UO₂ + 8HNO₃ 3UO₂ (NO₃ )₂ + 4H₂ O + 2NO UO₂ + 4HNO₃ UO₂ (NO₃ )₂ + 2H₂ O + 2NO₂

- Extraktion

UO₂ (NO₃ )_{2 aq} + 2TBP_org ↔ UO₂ (NO₃ )₂ ·2TBP_org Pu(NO₃ )_{4 aq} + 2TBP_org ↔ Pu(NO₃ )₄ ·2TBP_org

Reduktion

Pu^4+/6+ Pu³⁺

U⁴⁺, elektrochemisch

- Mischoxidherstellung

2UO₂²⁺ + Pu⁴⁺ + 10NH₃ ·H₂ O → (NH₄ )₂ U₂ O₇ + Pu(OH)₄ + 8NH₄⁺ + 3H₂ O UO₂ / PuO₂ -Mischoxid als Pellet

Reaktorbrennelement

Entsorgungskonzept

Direkte Endlagerung 2

- Zwischenlagerung/Transport → Endlagerung

Wiederaufarbeitung 3

Entsorgungskonzept

Direkte Endlagerung 2

- Zwischenlagerung/Transport 2/3 → Endlagerung

Wiederaufarbeitung 3

Entsorgungskonzept

Wiederaufarbeitung

-Zwischenlagerung/Transport → Endlagerung

Direkte Endlagerung

PUREX-Verfahren:

Auflösen der Brennelemente - Abtrennung des unverbrauchten Urans und des gebildeten Plutoniums durch Extraktion von den gebildeten Spaltprodukten - Fixierung der Spaltprodukte in einer Glasmatrix

⇒ Glaskokillen

PUREX - Verfahren

(Plutonium-Uranium-Recovery by Extraction)

- viele Verfahren getestet, unterschiedlichste Extraktions- und Fällungsverfahren - Extraktionsmittel:

Tri-n-butylphosphat (TBP)

30%ige Lösung von TBP in Dodekan (C₁₂ H₂₆ ) / Kerosin

Salpetersaure Lösung der zu trennenden Kernbrennstoffe und Spaltprodukte Flußverhältnis Speiselösung / Extraktionslösung 1 : 3 bis 1 : 5

- Trennfaktoren bis 10⁷ notwendig

- Mixer-Settler, Siebbodenkolonnen, gepulste Kolonnen, Zentrifugalextraktoren

- U/Pu Trennschritt Reduktion des Pu^{4+ / 6+} zu Pu³⁺

Ziel der Endlagerung

- Verhinderung, dass aus dem Abfall stammende Radionuklide in die Biosphäre gelangen, bevor ihre Radioaktivität auf unbedenkliche Konzentrationen abgeklungen ist.

Kriterien der Standorterkundung

- Geographie

- Regionalgeologische Verhältnisse - Tektonik

- Hydrogeologie

- Wirtsgesteineigenschaften - Seismizität

- Rohstoffvorkommen, Bergbau, Infrastruktur

Entsorgungskonzept

Wiederaufarbeitung

- Zwischenlagerung/Transport → Endlagerung Direkte Endlagerung

Endlagerung:

Ziel:

Verhinderung, dass aus dem Abfall stammende Radionuklide in die Biosphäre

gelangen, bevor ihre Radioaktivität auf unbedenkliche Konzentration abgeklungen ist.

Einbringen von: Container mit Brennelementen, Container mit Glaskokillen

Standortkriterien:

- Wirtsgestein und dessen Eigenschaften (Größe, Homogenität) - Geogene Faktoren (Tektonik, Seismizität, Hydrogeologie)

- Ökologische Faktoren (Schutzgebiete, Bevölkerungs- und Industriedichte, potenzielle Rohstoffvorkommen, Infrastruktur)

Potenzielle Wirtsgesteine:

Deutschland: Salz?, Ton?, Granit?

Finnland, Schweden, Schweiz: Granit

USA: Salz, Granit, Basalt, Tuff Genehmigungsverfahren

Japan: Granit, Sedimentgestein

Frankreich: Granit, Ton, Sedimentgestein

Endlager- Mindestanforderungen

• Teufe mind.

300 m

• Endlager darf nicht tiefer als 1500 m liegen

• Durchlässigkeit im einschlusswirksamen

Gebirgsbereich kleiner als 3 mm/a

• Einschlusswirksamer

Bereich muss mind. 100 m mächtig sein

Quelle: Arbeitskreis Auswahlverfahren Endlagerstandorte

Multibarrieren-Konzept

Endlager – Mehrfachbarrierensystem

Veränderung der Radiotoxizität mit der Zeit

Fazit

- Endlagerung: Nukleare Abfälle

- Sowohl die Brennelemente (direkte Endlagerung) als auch die Glaskokillen (nach Wiederaufarbeitung) werden in Castoren transportiert und sollen letztlich in ein Endlager verbracht werden.

- Deutschland besitzt noch kein Endlager für Nukleare Abfälle, deshalb werden bisher alle beladenen Castoren in Zwischenlagern (zentral) oder an den

Kernkraftwerksstandorten selbst zwischengelagert.

- Forderung an Politik, Wirtschaft und Wissenschaft:

- Errichtung eines Endlagers!