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Wiederaufarbeitung

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Definition: die Trennung verschiedener Substanzen aus abgebranntem Kernbrennstoff mit dem Ziel der Wiederverwendung und/oder Erleichterung der Endlagerung

Englisch: reprocessing of used nuclear fuels

Kategorien: Grundbegriffe, Kernenergie

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 02.06.2011; letzte Änderung: 18.10.2015

Wenn ein Kernbrennstoff “abgebrannt” ist, also nicht mehr für die Verwendung in einem Kernreaktor geeignet ist, enthält er ein Gemisch vieler Substanzen. Einige von diesen sind noch nutzbar, wenn sie von den anderen abgetrennt werden können; diese Abtrennung (Partitionierung) kann im Rahmen einer Wiederaufarbeitung (auch Wiederaufbereitung) erfolgen. Insbesondere noch nutzbar sind restliches Uran 235 und für Plutonium 239, die beide gut spaltbar sind und deswegen in Form von Mischoxidbrennelementen wieder der Kernspaltung in einem Kernreaktor zugeführt werden können. Darüber hinaus kann es hilfreich sein, verschiedene Bestandteile der restlichen radioaktiven Abfälle voneinander zu trennen, weil dies die Probleme der Endlagerung etwas entschärfen kann.

Andererseits ist Plutonium 239 auch für den Bau von Atomwaffen nutzbar, auch wenn das sogenannte Reaktorplutonium aus stark abgebrannten Brennelementen von Leichtwasserreaktoren hierfür weniger gut geeignet ist als unter optimierten Umständen (mit geringem Abbrand) erbrütetes Plutonium. Neben der Herstellung von hoch angereichertem Uran 235 durch Urananreicherung ist die Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen somit die wichtigste Methode zur Gewinnung atomwaffentauglichen Materials.

Technische Aspekte und Gefahren der Wiederaufarbeitung

Eine Wiederaufarbeitungsanlage (WAA) nutzt eine Reihe von chemisch/physikalischen Verfahren für die Partitionierung der unterschiedlichen Substanzen in radioaktiven Abfällen. Zunächst müssen die Brennstäbe (oder andere Formen von Kernbrennstoff) zersägt oder zerschnitten werden. Dann wird der Inhalt üblicherweise in konzentrierter Salpetersäure aufgelöst. Aus der entstehenden Lösung werden mit verschiedenen Verfahren diverse Stoffe abgetrennt – insbesondere Uran, Plutonium und andere Transurane sowie Spaltprodukte. In aller Regel wird der sogenannte PUREX-Prozess (Plutonium-Uranium Recovery by Extraction) genutzt. Es gibt aber auch andere technische Verfahren, insbesondere elektrometallurgische mit eventuell geringerer Proliferationsgefahr, die sich noch in der Entwicklung befinden.

Das extrahierte Uran enthält anders als Natururan nennenswerte Mengen von stärker radioaktiven Isotopen und ist deswegen erheblich schwieriger zu verarbeiten als Natururan. Es bleibt deswegen häufig ungenutzt, anstatt nochmals der Urananreicherung zugeführt zu werden. Das gewonnene Plutonium dagegen enthält viel spaltbares Plutonium 239 und kann für neue Brennelemente zusammen mit Uran verwendet werden; diese werden als Mischoxidbrennelemente bezeichnet, da sie die Oxide von Uran und Plutonium enthalten.

Die Spaltprodukte (Produkte der Kernspaltung) stellen eine Vielzahl von Elementen mit sehr unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften dar. Einige davon (z. B. Krypton 85) sind gasförmig und werden auch im Normalbetrieb häufig über einen hohen Schornstein in die Atmosphäre entlassen, andere gelangen über Abwässer in die Umwelt (wobei das Ausmaß der Emissionen stark von den jeweiligen technischen Verfahren abhängt). Feste Stoffe können in eine besser lagerfähige Form gebracht werden, etwa durch Verglasung (Einschluss in feste Glasblöcke). Vor allem weil die Spaltprodukte zum großen Teil sehr stark radioaktiv sind und diese Stoffe für längere Zeit in flüssiger Form gehandhabt werden müssen, ist der Prozess der Wiederaufarbeitung sehr gefährlich. Wegen der starken Wärmeentwicklung der Abfälle ist eine ständige starke Kühlung unbedingt nötig; allein schon das Versagen der Kühlung z. B. eines Speichertanks kann einen sehr schweren Unfall auslösen. Unfälle mit starker Freisetzung von Spaltprodukten sind schon mehrfach vorgekommen, beispielsweise in der Anlage von Majak in 1957 und in Windscale (heute Sellafield genannt) in 1973.

Wiederaufarbeitung und Endlagerung

Die Wiederaufarbeitung wird gelegentlich als eine Alternative zur Endlagerung der Abfälle betrachtet, was aber nicht zutreffend ist. Zwar kann zunächst entschieden werden, ob abgebrannter Kernbrennstoff der Wiederaufarbeitung oder direkt der Endlagerung zugeführt werden soll. Jedoch müssen die Spaltprodukte, die den Löwenanteil der Radioaktivität erzeugen, in jedem Fall schließlich endgelagert werden; sie sind nicht mehr verwertbar. Die Endlagerung ist also in jedem Fall notwendig; die Frage ist lediglich, ob eine direkte Endlagerung ohne vorherige Wiederaufarbeitung erfolgen soll oder nicht.

Ein “Brennstoffkreislauf” kann nur in sofern hergestellt werden, dass im Reaktor nicht genutzte Überreste von Uran und Plutonium wieder in neue Brennelemente gebracht werden können, die nach Verwendung evtl. wieder zur Wiederaufarbeitung gelangen. Erst mit der (bis heute nicht absehbaren) breiten Einführung von Brutreaktoren würde ein Brennstoffkreislauf in substanziellem Sinne hergestellt.

Zusammenfassung der Vor- und Nachteile

Das Verfahren der Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen hat gegenüber der direkten Endlagerung eine Reihe von wichtigen Vorteilen und Nachteilen:

Die Wiederaufarbeitung ist leicht verzichtbar, solange die Kernenergienutzung allein mit Leichtwasserreaktoren und direkter Endlagerung praktiziert wird. Dies ist das bis heute dominierende Verfahren, obwohl das Natururan damit nur sehr ineffizient genutzt wird. Es wäre weltweit noch für einige Jahrzehnte praktizierbar, bis Uran spürbar knapp wird. Dagegen würde die Wiederaufarbeitung ein unverzichtbarer Teil einer Plutoniumwirtschaft unter Verwendung von Brutreaktoren. Erst diese Plutoniumwirtschaft würde die Effizienz der Nutzung des Urans sehr stark erhöhen und damit die Reichweite der Uranvorkommen auf Jahrtausende verlängern. Die alleinige Nutzung der Wiederaufarbeitung zusammen mit herkömmlichen Leichtwasserreaktoren dagegen würde die Reichweite nur moderat erhöhen.

Heute werden Wiederaufarbeitungsanlagen in den USA und Russland betrieben, ebenfalls in Großbritannien, Frankreich, Japan, Indien und Nordkorea. Deutschland und die Schweiz haben für längere Zeit ihre abgebrannten Brennelemente zur Wiederaufarbeitung nach Frankreich (La Hague) geschickt. Eine eigene Wiederaufarbeitungsanlage im bayrischen Wackersdorf wurde wegen starker Proteste nicht fertiggestellt.

Siehe auch: Kernbrennstoff, radioaktiver Abfall, Radioaktivität, Uran, Plutonium, Kernenergie, Brutreaktor, Transmutation
sowie andere Artikel in den Kategorien Grundbegriffe, Kernenergie

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