Wiederaufarbeitung

Ursprünge der Wiederaufarbeitung

Die Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen wurde ursprünglich aus militärischen Gründen entwickelt, um Atombombenmaterial zu gewinnen. Die erste Atombombe, die auf Hiroshima abgeworfen wurde, war eine Uranbombe. Die Anreicherung des spaltbaren Isotopes U-235 war nach dem damaligen Stand der Technik (Gasdiffusionsverfahren) extrem aufwändig und langwierig, da sich die Isotope eines Elementes chemisch nicht unterscheiden und nur auf physikalischem Wege trennen lassen. Eine andere Möglichkeit war die Produktion von Plutonium. Bei der kontrollierten Kettenreaktion eines Kernreaktors wird ein Teil des nichtspaltbaren Uran-238 zu Plutonium umgewandelt. Dies ist nicht nur spaltbar, sondern kann auch auf chemischem Wege abgetrennt werden. Die ersten Kernreaktoren der Welt dienten also der Produktion von Atombombenmaterial. Die kommerzielle Nutzung der dabei entstehenden Prozesswärme war eher ein Abfallprodukt.

Zivile Nutzung der Wiederaufarbeitung

Abgebrannte Brennelemente aus zivilen Leistungsreaktoren enthalten noch rund 96 % unverbrauchtes Uran und 1 % Plutonium. Beides sind Stoffe, die im Prinzip zu neuen Brennelementen verarbeitet werden können. Die restlichen 3 % sind Spaltprodukte und höhere Aktinide, die den eigentlichen radioaktiven Abfall ausmachen. Die Wiederaufarbeitung ist ein technischer Vorgang, mit dessen Hilfe das spaltbare Material von den übrigen Bestandteilen separiert werden kann. Im Rahmen der friedlichen Nutzung der Kernenergie wird der abgetrennte Kernbrennstoff, vor allem das Plutonium, zu neuen Brennelementen verarbeitet und im Sinne einer Rezyklierung wieder in den Reaktor zurückgeführt. Im militärischen Bereich dient die Abtrennung dazu, Spaltmaterial für Kernwaffen zu erhalten.

Denkbar ist auch noch eine zusätzliche Abtrennung der bei der Kernspaltung entstehenden Edelmetalle Ruthenium, Rhodium und Palladium bei der Wiederaufarbeitung. Da aber das so gewonnene Palladium ein langlebiges Isotop mit einer Halbwertszeit von 20 Millionen Jahren ist, dürfte so gewonnenes Palladium nicht außerhalb von Sicherheitsbereichen verwendet werden. Beim Rhodium und Ruthenium sind die Sachverhalte günstiger, da von diesen Edelmetallen in den Spaltprodukten nur radioaktive Isotope mit Halbwertszeiten von höchstens 1 Jahr vorhanden sind, sodass eine Verwendung außerhalb des Sicherheitsbereichs nach einigen Jahrzehnten möglich wäre. Bis heute wird die Abtrennung von Ruthenium, Rhodium und Palladium aus den Spaltprodukten nicht praktiziert.

Verfahren

In einer Wiederaufarbeitungsanlage werden die Brennelemente zunächst mechanisch zerschnitten. Der Brennstoff wird dann in heißer Salpetersäure aus den Abschnitten herausgelöst. Anschließend werden die Bestandteile Uran, Plutonium und Spaltprodukte/Aktiniden durch weitere physikalisch-chemische Verfahren voneinander getrennt. Hierzu setzt man für die Extraktion den so genannten PUREX-Prozess ein (PUREX = Plutonium-Uranium Recovery by Extraction). Als Extraktionsmittel dient Tributylphosphat (C₄H₉O)₃PO, das mit 70% Kerosin verdünnt ist. Durch mehrfache Durchführung der Extraktionszyklen kann eine fast 100%-ige Trennung der Bestandteile erreicht werden.

Weiterverarbeitung der Produkte

Das abgetrennte Plutonium wird bei der zivilen Wiederaufarbeitung meist zu neuen Uran/Plutonium-Brennelementen („MOX-Brennelemente“) verarbeitet, die in Leichtwasserreaktoren wieder eingesetzt werden. Dies ist beispielsweise in Frankreich und Deutschland der Fall und in Japan geplant. In Großbritannien wird das Plutonium mangels Rezykliermöglichkeiten lediglich gelagert. Eine im Vergleich zu Leichtwasserreaktoren wesentlich effektivere Nutzung wäre in Brutreaktoren möglich, die sich aber weltweit nicht durchgesetzt haben.

Das abgetrennte Uran wird bisher nur in relativ kleinem Umfang rezykliert. Da es im Gegensatz zu Natururan noch geringe Spuren an unerwünschten Isotopen enthält, ist die Weiterverarbeitung aufwendiger und daher zurzeit unwirtschaftlich.

Die radioaktiven Spaltprodukte und Aktiniden liegen nach dem sog. Partitioning zunächst als hochradioaktive Lösung vor, die in gekühlten Edelstahltanks gelagert wird. Im Hinblick auf eine längerfristige Zwischenlagerung und die spätere Endlagerung müssen diese Abfälle in eine feste und auslaufresistente Form gebracht werden. Hierzu hat sich die Verglasung als geeignetes Verfahren erwiesen. An allen bestehenden Wiederaufarbeitungsanlagen sind daher auch Verglasungsanlagen installiert. Die Lösung wird bei der Verglasung mit glasbildenden Stoffen vermischt und daraus Glasblöcke geschmolzen.

Umweltauswirkungen

Bei der Wiederaufarbeitung fallen Abgase und Abwässer an, die gereinigt und anschließend in die Umgebung abgeleitet werden. Trotz der Reinigungsmaßnahmen enthalten diese Ableitungen noch radioaktive Bestandteile. Die maximalen Aktivitätsmengen, die mit der Fortluft und dem Abwasser in die Umgebung abgegeben werden dürfen, werden von den zuständigen Behörden in der Betriebsgenehmigung festgelegt. Grundlage dieser Grenzwerte ist die Berechnung der radiologischen Auswirkungen auf die Menschen in der Umgebung der Anlage. Daher sind die zulässigen Ableitungswerte stark von den geographischen Gegebenheiten des Standorts abhängig. Umweltschutzverbände, wie z. B. Greenpeace, haben unter Berufung auf eigene Messungen den Betreibern der Wiederaufarbeitungsanlagen wiederholt vorgeworfen, die Umwelt in unzulässiger Weise zu belasten.

Wiederaufarbeitungsanlagen

Eine Wiederaufarbeitungsanlage (WAA), gelegentlich auch "Wiederaufbereitungsanlage" genannt, ist eine großtechnische Anlage, in der abgebrannte Brennelemente aus Kernkraftwerken auf chemischem Wege wiederaufgearbeitet, d. h. in radioaktive Abfallstoffe (Atommüll) und wiederverwendbares spaltbares Material (insbesondere Uran, Plutonium) getrennt werden. Als Verfahren hat sich dabei das PUREX-Verfahren durchgesetzt. Die Wiederaufarbeitungsanlagen stellen somit den Versuch dar, einen atomaren Wiederverwertungs-Kreislauf aufzubauen. Die bei der Wiederaufarbeitung anfallenden radioaktiven Abfälle werden an Ort und Stelle weiterverarbeitet (konditioniert) und später an die jeweiligen Kunden zurückgeliefert.

Insgesamt steht im zivilen Bereich eine Wiederaufarbeitungskapazität von rund 5000 tSM/a zur Verfügung (2900 tSM/a für Brennstoff aus Leichtwasserreaktoren, 2100 tSM/a für sonstigen Brennstoff).

In Betrieb befindliche Anlagen

Großbritannien: In Sellafield, früher "Windscale" genannt, sind zwei Anlagen in Betrieb. Die ältere Anlage B205 dient dazu, abgebrannte metallische Brennelemente aus den britischen Magnox-Reaktoren aufzuarbeiten. Die neuere THORP-Anlage (Thermal Oxide Reprocessing Plant) ist für die Wiederaufarbeitung von oxidischen Brennstoffen ausgelegt, die sowohl aus den britischen AGR-Reaktoren als auch aus Leichtwasserreaktoren im Ausland stammen.
Frankreich: In La Hague gibt es ebenfalls zwei Wiederaufarbeitungsanlagen. Die Anlage UP2-800/La Hague ist für französische Brennelemente vorgesehen. Die relativ ähnliche Anlage UP3/La Hague dient der Wiederaufarbeitung abgebrannter LWR-Brennelemente ausländischer Kunden.
Indien: In Indien wurde 1964 die erste kleine Anlage zur Wiederaufarbeitung von Forschungsreaktorbrennstoff in Betrieb genommen (Trombay). Eine größere Anlage für Brennelemente aus Leistungsreaktoren befindet sich in Tarapur. Mit der Inbetriebnahme einer weiteren Anlage bei Kalpakkam wurde Anfang 1997 begonnen.
Japan: Seit 1977 ist eine Anlage im Dorf Tōkai in Betrieb. Nach einem Brand mit anschließender Explosion in der Abfallbituminierungsanlage im März 1997 wurde der Betrieb eingestellt und erst im November 2000 wieder aufgenommen.
Russland: Zwei Wiederaufarbeitungsanlagen sind in Betrieb (RT-1/Tscheljabinsk, Tomsk). Über weitere Anlagen in Tomsk oder in Krasnojarsk (RT-2) liegen nur wenige Informationen vor.
USA: Die ursprünglich zu vornehmlich militärischen Zwecken errichtete Anlage Savannah River Site (South Carolina) dient heute noch der Wiederaufarbeitung von Brennelementen aus Forschungsreaktoren, auch aus dem Ausland.
Nordkorea: In Yongbyon betreibt Nordkorea neben einem Forschungsreaktor eine Wiederaufarbeitungsanlage. Sie dürfte derzeit wie der Reaktor entsiegelt und in Betrieb sein, um das Plutonium aus dem Reaktor zu gewinnen.

Stillgelegte Anlagen

Frankreich: Die Anlage UP1 in Marcoule, die ursprünglich militärischen Zwecken diente und in der später Magnox-Brennelemente wiederaufgearbeitet wurden, wurde 1997 endgültig abgeschaltet, nachdem in Frankreich inzwischen keine Magnox-Reaktoren mehr in Betrieb sind.
Belgien: Von 1967 bis 1974 wurde in Mol die Wiederaufarbeitungsanlage EUROCHEMIC, ein Gemeinschaftsprojekt von 13 Mitgliedsstaaten der OECD, betrieben. In dieser Anlage wurden insgesamt etwa 210 t Brennstoff aufgearbeitet. Mit der Zerlegung der Einrichtungen wurde 1991 begonnen.
USA: In den Nachkriegsjahren wurden mehrere Wiederaufarbeitungsanlagen für militärische Zwecke errichtet (Hanford, Savannah River Site, Idaho). Idaho (1992) und Hanford (1990) wurden vor einigen Jahren stillgelegt. Eine kommerzielle Anlage in West Valley war von 1966-1971 in Betrieb. Zwei weitere Anlagen (Barnwell, Morris) wurden zwar fertig gestellt, aus unterschiedlichen Gründen aber nicht in Betrieb genommen.
Deutschland: Von 1971 bis 1990 war die Wiederaufarbeitungsanlage Karlsruhe (WAK) auf dem Gelände des Kernforschungszentrums Karlsruhe in Betrieb. Als Pilotanlage hatte sie den Zweck, Betriebserfahrungen für den Betrieb einer großen Anlage, wie in Wackersdorf geplant, zu gewinnen. In ihrer Betriebszeit wurden in der WAK etwas mehr als 200 t Kernbrennstoff wiederaufgearbeitet.

Geplante oder im Bau befindliche Anlagen

Japan: Eine größere Anlage in Rokkasho-mura ist im Bau. Die Bauarbeiten verzögerten sich um mehrere Jahre hinter dem ursprünglichen Zeitplan. Mit Inbetriebnahmetests wurde Ende 2004 begonnen. Die kommerzielle Inbetriebnahme ist für 2005 geplant.
Deutschland: Die in den 1980er Jahren geplante Wiederaufarbeitungsanlage im bayerischen Wackersdorf wurde nie fertig gestellt. Damals kam es zu größeren Protestaktionen von Atomkraftgegnern gegen diese WAA (beispielsweise das Anti-WAAhnsinns-Festival von 1986 in Burglengenfeld).

Argumente gegen die Wiederaufarbeitung

Wiederaufarbeitungsanlagen ergaben vor allem in den Ländern Sinn, in denen ein Atomwaffenprogramm betrieben wird. Militärische und zivile Nutzung verfolgen bei der Wiederaufarbeitung entgegengesetzte Ziele. Für die militärische Nutzung werden Brennelemente mit sehr geringem Abbrand benötigt, d.h. kurzer Verweildauer im Reaktor und damit geringe Verunreinigung mit Spaltprodukten. Kommerzielle Reaktoren wollen dahingegen die Brennelemente möglichst lange im Reaktor belassen und das Material bestmöglich ausnutzen. Diese Brennelemente besitzen einen deutlich höheren Abbrand und machen wegen des erheblich größeren Anteils an Spaltprodukten einen höheren Aufwand bei der Wiederaufarbeitung erforderlich. Das Argument, das wiedergewonnene Spaltmaterial erneut einsetzen zu können, ergibt aus kommerzieller Sicht zur Zeit keinen Sinn, da Brennelemente aus wiederaufgearbeitetem Material bei den heutigen Uranpreisen deutlich teurer sind als Brennelemente aus "frischem" Uran. Um Uran zu einer späteren Zeit aufarbeiten zu können, dürfen Brennstäbe nicht endgelagert werden (siehe auch: Schneller Br%C3%BCter).

Ein bedeutender Kritikpunkt der Wiederaufarbeitungsgegner lautet, dass bei der Wiederaufarbeitung waffenfähiges Material (Plutonium) separiert und damit leichter zugänglich gemacht werde. Dagegen wird argumentiert, dass Plutonium aus den relativ hoch abgebrannten Brennelementen von Leistungsreaktoren sich kaum für eine Nuklearwaffe eigne. Umstritten sind auch die radioaktiven Ableitungen ins Meer, insbesondere aus den europäischen Anlagen Sellafield und La Hague. Während nach Aussage von Umweltschützern wie beispielsweise Greenpeace die Ableitungen zu einer unzulässigen Verschmutzung der Meere und über die Nahrungskette zu einer Strahlenbelastung der Bevölkerung führen, verweisen die Betreiber auf die Einhaltung der Grenzwerte und die geringen radiologischen Auswirkungen für den Menschen.

Für die Anlieferung der Brennelemente und den Rücktransport der Reststoffe und Abfälle sind zahlreiche Transporte von und zu den Wiederaufarbeitungsanlagen nötig. Die Castor-Transporte zwischen den Wiederaufarbeitungsanlagen und Deutschland wurden in der Vergangenheit immer wieder blockiert.

Weblinks

Kernenergie | Schwandorf | Sekundärrohstoff

Nuclear reprocessing | Reprocesamiento nuclear | Retraitement nucléaire | 再処理工場 | Upparbetning

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