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Wie funktioniert eine Wiederaufarbeitungsanlage - WAA ?

In einem Kernreaktor entsteht Wärme durch Kernspaltung eines spaltbaren Urankerns, wobei pro Spaltakt zwei Bruchstücke mit enorm hoher Energie entstehen. Tritt dieser Prozeß mehrfach auf, so führt das zu einem Gemisch von verschiedenen Bruchstücken (Spaltprodukten). Pro Sekunde finden in einem typischen Kernreaktor etwa 5*1019 Spaltungen statt. Manche dieser Spaltprodukte verursachen eine Vergiftung des Brennstoffs, weil sie die für die Kernspaltung notwendigen Neutronen wegfangen, und je länger so ein Brennstoff in einem Reaktor ist, so sinkt auch der Gehalt an spaltbaren Material, d.h. der Wirkungsgrad geht so weit zurück, daß die Brennelemente ersetzt werden müssen.

Nach dem Entladen aus dem Reaktor sind die Brennelemente noch hochradioaktiv, weshalb sie unter Wasser gehandhabt werden und erst einmal in der Nähe des Reaktors aufbewahrt werden. Nach einer gewissen Abklingzeit können die Brennelemente in ein Zwischenlager verbracht werden. Normalerweise nach etwa 10 Jahren sind sie so weit abgeklungen, daß man sie einer Wiederaufarbeitungsanlage zuführen kann. Das ist wirtschaftlich interessant und ressourcenschonend, weil man während der Bestrahlung im Reaktor spaltbares Plutonium erzeugt und nicht abgebranntes Uran in den Brennstoffkreislauf zurückführen kann. Normaler Kernbrennstoff besteht zu etwa 3-4 % aus dem spaltbaren Isotop Uran-235, der Rest ist hauptsächlich Uran-238, welches im Neutronenfeld eines Reaktors durch Neutroneneinfang spaltbares Plutonium-239 bildet.

Der Kernbrennstoff ist gasdicht in einem Hüllrohr eingeschweißt, welches gewöhnlich aus einer Zirkoniumlegierung besteht. Zusammen mit der Halterung für mehrere Hüllrohre bildet das das gesamte Brennelement. Dieses muß nach dem Auspacken aus dem Transportbehälter mit einer mechanischen Schere oder Säge zerkleinert werden. Alle diese und die folgenden Verfahrensschritte werden in einer WAA vollautomatisch hinter dicken Betonabschirmungen mit Bleiglasfenstern vorgenommen, um die Bedienmannschaften nicht unnötiger Strahlung auszusetzen. Aus den mechanisch zerkleinerten Teilen wird der Kernbrennstoff mit konzentrierter Salpetersäure herausgelöst. Anschließend wird die Salpetersäurekonzentration eingestellt und eine Extraktion durchgeführt.

Eine Extraktion ist ein chemisch-physikalischer Prozess, der Löslichkeitsunterschiede chemischer Verbindungen in zwei nicht miteinander mischbaren Lösungsmitteln nutzt.

In der Wiederaufarbeitung hat sich eine Lösung von etwa 30% Tributylphosphat (TBP) in Kerosin bewährt. Kerosin (Flugzeugkraftstoff) ist nicht mit Wasser mischbar. Das Extraktionsmittel TBP hat nun die Eigenschaft Uran und Plutonium zu binden. Der Vorgang sieht im einzelnen nun so aus, daß die wäßrige Phase (der in Salpetersäure gelöste Kernbrennstoff) mit der organischen Phase (TBP in Kerosin) in einem Mischer (oder einer pulsierenden Gegenstromkolonne) kommen und da drin intensiv vermischt werden. Somit wird ein intensiver Kontakt zwischen beiden, nicht mischbaren Phasen erreicht und der im Extraktionsmittel besser lösliche Stoff (hier Plutonium und Uran) „herausgelöst“. Nach Beendigung des Mischvorgangs trennen sich die Phasen sofort wieder und man kann sie einfach voneinander separieren.

In der organischen Phase ist dann das Uran und das Plutonium, in der wäßrigen Phase verbleiben die Spaltprodukte. Die wäßrige Lösung kann eingedampft werden und die Spaltprodukte werden später verglast (in die Oxide überführt). Der nächste Verfahrensschritt muß nun die Trennung von Plutonium und Uran sein. Dies gelingt durch eine chemische Reduktion des Plutoniums, wobei die Valenz (Oxidationszahl) des Plutonium geändert wird. Als Reduktionsmittel dient Hydrazinhydrat, das in der Chemie gut bekannt ist.

Das dadurch entstehende Pu(III)-Ion wird mit 1-2 molarer Salpetersäure aus der organischen Phase rückextrahiert. In einem dritten Schritt wird dann das Uran in 0,01 molare Salpetersäure rückextrahiert. In weiteren Extraktionszyklen, die jeweils aus 2 bis 3 Schritten bestehen, werden Uran und Plutonium weiter gereinigt. Dazu wird Uran(IV) verwendet, daß die niedrige Oxidationsstufe des Pu(III) hält.

Die Dekontaminationsfaktoren, gegeben durch das Verhältnis der Spaltproduktaktivität im bestrahlten Brennstoff zu der im abgebrannten Uran bzw. Plutonium nach der WAA, müssen 106 bis 107 betragen, die Ausbeuten möglichst nahezu bei 100%. Das organische Extraktionsmittel wird anschließend von Radiolyseprodukten gereinigt und rezykliert, d.h. erneut eingesetzt.

Endprodukte dieses Prozesses sind Uranylnitrat (UO2(NO3)2*6H2O) als Lösung (ggf. auch UO2) und eine Plutoniumlösung, die weiter zu PuO2 verarbeitet wird. Das ist sehr einfach, da sich das Plutonium sehr leicht als Oxalat fällen läßt. Dieser Niederschlag wird gewaschen, getrocknet und anschließend zu Plutoniumoxid geglüht.

Der beschriebene Prozess wird „PUREX“-Verfahren (Plutonium und Uranium Recovery by Ex traction) genannt und ist auch für Brennstoffe aus schnellen Brütern geeignet.

Ich hatte im Dezember 2000 die Möglichkeit 2 Tage die Wiederaufarbeitungsanlage in La Hague (Frankreich) zu besuchen und dort wirklich alles zu besichtigen. Von dieser Reise sind auch die umfangreichen Bilder.

 

 Beim Zerschmeiden und Auflösen werden neben nitrosen Gasen auch gasförmige Spaltprodukte wie I-129 und Kr-85 sowie das Tritium frei.. Iod wird an silberhaltigen Filtern zurückgehalten, Tritium durch Oxidation in tritiumhaltiges Wasser überführt und dann zum Großteil wieder in den Auflöser zurückgeführt. Die anderen Stoffe werden an großen Absorberfiltern sicher rückgehalten.

 Radiolyse ist ein physikalisch-chemischer Vorgang bei dem durch radioaktive Strahlung chemische Verbindungen zerstört werden. Das organische Molekül TBP ist in diesem Fall sehr anfällig, daß seine chemischen Bildungen durch radioaktive Teilchenstahlung oder g-Strahlung zerstört werden können.