Gewinnung von UranUran ist ein Schwermetall, das aus Uranerzen gewonnen wird. Das bekannteste dieser Erze ist die Pechblende, die zu 95% aus Uranoxid besteht und manchmal in tonnenschweren Blöcken zu finden ist. Leider enthalten die meisten Erze viel weniger Uran. Rentabel wird der Abbau erst, wenn wenigstens

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einige kg Uran pro Tonne Erz vorhanden sind. Das im Tagebau oder auch in unterirdischen Bergwerken abgebauten Erz muss zunächst aufbereitet werden. Es wird gebrochen, gemahlen und ausgelaugt. Nach weiteren Arbeitsgängen erhält man schließlich ein über 70%iges Urankonzentrat, den sogenannten „Yellow cake“ oder „Gelber Kuchen“.Reines Natururan ist für Kernkraftwerke ungeeignet, da es nur zu 0,7% aus spaltbarem U-235 und zu 99,3% aus dem etwas schwereren, nicht spaltbarem U-238 besteht. Die in Deutschland eingesetzten Kernkraftwerke benötigen einen Brennstoff, der etwa 3% U-235 enthält, und auf diese Konzentration muss das Uran angereichert werden. Da sich die beider Uranisotope chemisch nicht voneinander unterscheiden, wird zur Anreicherung ihr Gewichtsunterschied genutzt. Zunächst verwandelt man das Uran mit Hilfe von Fluor in ein Gas, das Uranhexafluorid (UF6), also eine Verbindung von Uran und Fluor. Für die Trennung der Beiden Uranisotope gibt es nun verschiedene Verfahren.Beim Trenndrüsenverfahren wird das UF6-Gas in winzigen Drüsen beschleunigt und halbkreisförmig umgelenkt. Die dabei auftretenden Fliehkräfte drücken das U-238-haltige Gas stärker nach außen, so dass es vom leichteren U-235 Gas abgesondert werden kann. Durch diesen Verfahren kann allerdings keine vollständige Trennung erreicht werden. Setzt man allerdings mehrere von den beschriebenen halbrundungen hintereinander, so bekommt man schließlich ein Gas, das genügend U-235-Atome hat.Beim Gasdiffusionsverfahren wird das UF6-Gas durch Membranen gedrückt. Das leichtere U-235 wandert dabei schneller durch die Poren der Membrane als das schwerere U-238. Das führt ebenfalls zu einer teilweisen Trennung.Beim Zentrifugenverfahren wird das Gas in einer sehr schnellen Zentrifuge geschleudert. Die Fliehkräfte drücken wiederum das U-238 an die Wand und das U-235 sammelt sich in der Mitte. Wiederum erreicht man eine Trennung von U-235 und U-238. Auch hier sind mehrere hintereinandergesetzte Zentrifugen notwendig, um die erforderliche Anreicherung zu erhalten.

Herstellung von BrennelementenDie Brennstäbe der Kernkraftwerke enthalten Tabletten oder Pellets aus Urandioxid (UO2). Dieses muss zunächst aus dem angereicherten UF6-Gas gewonnen werden und wird dann zu Tabletten von ca.1,5 cm Dicke und 1cm Durchmesser gepresst. Diese Maße können von Kraftwerk zu Kraftwerk und von Land zu Land unterschiedlich sein. Die rohen Presslinge werden auf 1700°C erhitzt und erhalten so die nötige Festigkeit und Dichte. Danach werden sie auf 1/10000 mm genau bearbeitet und in die Hüllrohre gesteckt. Zur besseren Wärmeübertragung wird Helium in die Hüllrohre geleitet, dass nie ganz mit Pellets aufgefüllt werden kann, da beim nuklearen Zerfall Gase entstehen, die einen gewissen Platz benötigen, den man als Spaltgasraum gezeichnet.Die gefüllten und gasdicht verschlossene Hüllrohre bilden die Brennstäbe, die zusammen mit den Regelstäben zu Brennelementen zusammengesetzt werden, die von Fall zu Fall sehr verschieden aufgebaut sein können. So findet man bei Siedewasserreaktoren oft 7x7 Brennstäbe, die zu einem Brennelement gebündelt sind, die Druckwasserreaktoren 15x15 oder 20x20 Stäbe. Auch die Lage der Regelstäbe kann von Reaktor zu Reaktor sehr verschieden sein.

Arbeitsprinzipien eines AtomkraftwerkesAtomkraftwerke nutzen genau wie Kohlekraftwerke die Energie von Wasserdampf, um Turbinen zu betreiben. Der Reaktor spielt dabei die Rolle des befeuerten Kessels. Die Wärme entsteht durch die Spaltung von Atomkernen.Die Atomkerne der Pellets, die sich in den Brennstäben im Reaktorblock des Kernkraftwerkes befinden, werden mit Neutronen beschossen. Dabei entstehen bis zu drei neue Neutronen, die wiederum Atomkerne spalten können. Mit dieser Kettenreaktion wird in kurzer Zeit viel Wärme freigesetzt. Es gibt verschiedene Reaktormodelle:Bei Leichtwasserreaktoren werden die Brennstäbe mit Wasser gekühlt, das bremst die zu Anfang sehr schnellen Neutronen so weit, dass die Kernspaltung ablaufen kann (Moderation). Die Leistung des Reaktors lässt sich mit Steuerstäben regulieren. Sie verändern die Neutronenmenge, die für die Spaltung notwendig ist. Beim Anfahren des Reaktors werden die Steuerstäbe langsam aus dem Reaktorkern gezogen, zum Abschalten müssen sie vollständig hineingefahren werden.In Deutschland sein vor allem Druckwasserreaktoren im Betrieb. Solche Reaktoren haben einen Primärkreislauf und einen Sekundärkreislauf. Der Druck im Primärkreislauf ist so hoch, dass trotz der hohen Temperatur das Wasser nicht verdampfen kann, sondern seine Wärme mit Hilfe des Dampferzeugers an den Sekundärkreislauf abgibt. Im Sekundärkreislauf steht das Wasser unter einem geringerem Druck, so das es sich zu Dampf umwandeln kann und dieser die Turbinen antreiben kann.

Bei den Siedewasserreaktoren verdampft das Kühlwasser beim Druckfluss durch den Reaktorkern. Der Dampf wird direkt über die Turbine geliefert. Im Gegensatz zum Druckwasserreaktor ist der Dampf radioaktiv, deshalb können Dampfleitungen, Turbinen und Generatoren radioaktive Ablagerungen haben.

Transport von ausgebrannten BrennstäbenBei der Kernspaltung im Reaktor entstehen mittelgroße Atomkerne, die hoch radioaktiv sind. Ein ausgedientes Brennelement enthält große Mengen dieser Stoffe, aber auch U-235-Reste und Plutonium. Wenn man die Zusatzstoffe außer acht lässt, so enthält ein ausgebrannter Brennstab ungefähr 3% hoch radioaktive Spaltproduckte, 95% U-238, 1% U-235 und knapp 1% Plutonium, das aus dem U-238 erbrütet wurde. Strengste Sicherheitsvorkehrungen sind notwendig, damit diese Stoffe nicht in die Umwelt gelangen können. In der BRD geht man dabei folgendermaßen vor: Nach dem Entladen aus dem Reaktor werden die Brennelemente für einige Zeit in einem mit Wasser gefüllten Abklingbecken im Reaktorgebäude gelagert. Hier lässt ihre Radioaktivität langsam nach und die Wärmeentwicklung wird geringer. Danach müssen dir Brennelemente abtransportiert werden. Hierfür wurden Spezialbehälter mit fast 50cm dicken Außenwänden entwickelt. Durch sie werden die gefährlichen Stoffe sicher vor der Außenwelt abgeschirmt, auch unter den hohen Belastungen eines Unfalls.Die Behälter müssen unter anderem einen Fall aus 9m Höhe auf einen harten Boden ebenso aushalten wie ein 30 Minuten langes Feuer. Selbst einen Sturz auf einen Dorn aus 1.2m Höhe und der Aufprall eines abstürzenden Düsenjets dürfen ihm nichts ausmachen. In einem solchen bis zu 120 Tonnen schweren Behälter können bis zu neun Brennelemente entweder zwischengelagert oder zu einer Wiederaufbereitungsanlage transportiert werden. Zur Zeit verlassen pro Jahr ca. 250t verbrannte Kernbrennstoffe die deutschen Kernkraftwerke, eine sehr große Anforderung an alle Firmen, die an der Entsorgung beteiligt sind.

Weiterverarbeitung der ausgebrannten BrennelementeIn einem Kraftwerk werden jährlich ein drittel der Brennelemente gegen Neue ausgetauscht. Bei einem großen Kraftwerk mit 1300MW verlassen Jahr für Jahr 30t Uran den Reaktor, bis Anfang 2000 sind in der BRD ca. 11000t Uran zusammengekommen. Da diesen Material mit lebensbedrohenden Spaltprodukten verseucht ist, aber auf der anderen Seite wertvolle, wiederverwendbare spaltbare Kerne enthält, ist die Entsorgung und Bearbeitung der ausgedienten Brennelemente aus Umwelt-, aber auch aus Kostengründen äußerst wichtig.Dabei geht man folgendermaßen vor: Nach dem ersten, etwa 1jährigen Aufenthalt der Brennelemente in den Abklingbecken der Kernkraftwerke kommen diese in Zwischenlager. Die Brennelemente verbleiben dabei in ihren Transportbehältern, wo sie absolut sicher gelagert sind und kaum Strahlung nach außen abgeben können. Danach werden die Brennstäbe in einigen Ländern wie Frankreich (La Hague) und Großbritannien (Sellafield), wie man sagt, wiederaufgearbeitet. Der noch Brauchbare Brennstoff wird dabei zurückgewonnen und der Produktion neuer Brennelemente beigeführt. Die gefährlichen Spaltproduckte werden abgesondert und für alle Zeiten in Endlager gelagert. Natürlich ist es auch möglich, die abgebrannten Brennelemente ohne Wiederaufbereitung in Endlagern zu verstauen.

WiederaufbereitungslagerWiederaufbereitungslager sind Anlagen, in denen die ausgebrannten Brennelemente in ihre verschiedenen Bestandteile zerlegt werden. Besonders müssen die radioaktiven Abfälle abgesondert und die Brennstoffe Uran und Plutonium wiedergewonnen werden. Neben nicht gespaltenen U-235 Kernen enthalten die Brennstäbe auch noch Plutonium, das aus U-238 erbrütet und als Kernbrennstoff verwendbar ist. Die ausgedienten Brennelemente werden nach ihrem Aufenthalt im Abklingbecken des Kraftwerks und im Zwischenlager in ihren Transportbehältern zur Wiederaufbereitungsanlage gebracht. Sie sind dann immer noch hoch radioaktiv und müssen durch dicke Betonwände oder Bleiglasfenster vom Bedienungspersonal getrennt werden. Die Brennstäbe werden zunächst zerkleinert und in Salpetersäure gelöst. Uran, Plutonium und die Spaltproduckte lösen sich dabei fast völlig auf, die zerkleinerten Hülsen der Brennstäbe bleiben zurück. Dann werden die Hülsen einzementiert und sicher gelagert.In einer Folge von chemischen Prozessen werden nun Uran, Plutonium und die Spaltprodukte in drei Produktionsströme aufgeteilt und so voneinander getrennt. Uran und Plutonium werden nach weiteren Trennungs- und Reinigungsvorgängen in eine Fabrik zur Herstellung neuer Brennelemente transportiert. Die Radioaktiven Abfälle werden dann verpackt und für die Endlagerung vorbereitet.

AtommüllDie Abfälle der Atomanlagen, also der Forschungsinstitute, Kernkraftwerke und Wiederaufbereitungsanlagen, haben verschiedene Gefärlichkeitsstufen. Schwachaktive Abfälle in fester und flüssiger Form werden zunächst durch Eindampfen, Pressen oder Verbrennen auf ein möglichst kleines Volumen verringert. Danach werden sie in Fässern einzementiert. Mittelaktive Abfälle, z.B. die zerkleinerten Metallhülsen der Brennstäbe, zementiert man ebenso in Fässer ein.Hochaktive Abfälle müssen mit besonderer Sorgfalt entwertet werden. Das sind besonders die in Salpetersäure gelösten Spaltprodukte. Sie geben 99% der Strahlung des gesamten Atommülls ab. Für diese Lebensgefährlichen Substanzen wurde ein Verglasungsverfahren entwickelt. Die hochradioaktiven Lösungen werden zunächst konzentriert und chemisch umgewandelt. Danach werden die Abfälle bei 1150°C mit Glaspulver verschmolzen und damit untrennbar zum Bestandteil des Glases, das in dickwandigen Edelstahlbehältern abgefüllt wird.Bei einer Wiederaufbereitungsanlage fällt pro Tonne Uran etwa 130 l hoch radioaktiver Abfall in Form eines Glasblockes, 5 Fässer zu je 400 l mit mittelaktivem Abfall und 15 Fässer mit schwach aktivem Müll an. Die Stoffe müssen für immer sicher verstaut werden, da sie auch nach Generationen eine große Gefahr darstellen.

Lagerung von Atommüll

Die beste Möglichkeit radioaktive Abfälle für Jahrtausende sicher zu lagern, ist die Unterbringung dieser hochgefährlicher Stoffe in unterirdischen Salzstöcken. Die Fässer mit schwach aktiven Abfällen werden in Steinsalzkammern gebracht und lagenweise mit Salz abgedeckt. Ist so ein Raum voll aufgefüllt, wird er versiegelt. Bei den mittelaktiven Rückständen, die sich ebenfalls in Fässern befinden, ist schon mehr Vorsicht nötig. Für sie ist eine spezielle Kammer im Salzstock vorgesehen, die nicht betreten werden kann und mit Kameras überwacht wird. Die Abfälle werden in Betonabschirmbehältern in diesen Raum gesetzt. Die Endlagerung der hochaktiven Abfälle im Salzstock wird so vorgenommen, dass die verglasten und in Edelstahlhüllen eingeschmolzenen Abfälle in 1000m Tiefe in Bohrlöcher untergebracht werden, welche danach wieder verschmolzen werden. Steinsalzarten sind für die Endlagerung besonders geeignet, weil das Salz absolut dicht sein soll, so dass keine Radioaktivität in die Umwelt, z.B. ins Grundwasser gelangen kann.

Rentabilität der KernenergieWenn man den gesamten Brennstoffkreislauf und spätere Folgekosten, wie sie z.B. bei der Stillegung alter Kernkraftwerke anfallen, betrachtet, kann leicht der Eindruck entstehen, die Kernenergie ist unbezahlbar. Eine Studie der Universität Essen kommt jedoch zu dem Ergebnis, dass eine kWh Atomstrom etwa so teuer ist, wie eine aus Braunkohle gewonnene kWh, aber billiger als Strom aus Steinkohle. Die Verhältnisse ändern sich leicht, wenn man unterschiedliche Betriebsdauern der Kernkraftwerke berechnet, jedoch sagt die Studie eindeutig aus, dass die Kernenergie mit anderen Kraftwerktypen mithalten kann. Ähnlich ist es in England, wo ein Stromkostenverhältnis Kernkraft zu Kohle 16,6 : 18,5 angegeben wird und in Japan, wo dieses Verhältnis 11 : 15 beträgt. In Frankreich, wo sich besonders viele Kernkraftwerke befinden, beträgt das Stromkostenverhältnis Kernkraft zu Kohle 19 : 31. Diese Angaben stehen skeptischen Aussagen der Öko-Industrie gegenüber, die von sehr hohen Stillegungs- und Wiederaufbereitungskosten ausgeht. Nach diesen Studien ist der Atomstrom 2/3 teurer als der, der aus Kohlekraftwerken gewonnen wird. Dieses Ergebnis steht allerdings im Gegensatz zu den Aussagen unabhängiger Universitätsinstitute. Jedoch sind die Erfahrungen mit der Wiederaufbereitung und der Demontage von Kernkraftwerken noch so gering, dass wohl erst die Historiker nach einigen Jahrhunderten den wirklichen Preis einer Kilowattstunde Atomstrom kennen werden, zumal man die Folgekosten eventuell Katastrophen nicht einschätzen kann. Nach heutiger Erkenntnis und menschlichem Ermessen dürfte dieser Preis jedoch etwa dem des Kohlestroms entsprechen.

Quelle:Organisation:GreenpeaceInternet:HEW-SchulinformationBuch:BrockhausBuch:Fischer KollegBuch:Vom Faustkeil zum LaserstrahlBuch:Physik (Gerthsen Vogel)