Wie lange bleibt ein Brennstab im Reaktor und was passiert mit ihm danach?
Wie lange bleibt ein Brennstab im Reaktor und was passiert mit ihm danach? Mfg
3 Antworten
Wonach du fragen möchtest ist der so genannte Brennstoffzyklus. Der Brennstoffzyklus ist von Reaktor zu Reaktor unterschiedlich. Die wichtigsten Variablen sind in diesem Zusammenhang der Abbrand des Brennstoffs, sprich wie effizient er abgebrannt wird und die Menge des spaltbaren Materials, dass sich im Kern befindet.
Bei deutschen Anlagen beträgt dieser Brennstoffzyklus meistens drei Jahre. Sprich jedes Jahr wird bei der Revision ein Drittel des Kerns ausgetauscht, sodass der Reaktorkern immer die gleiche Leistung erreicht damit auch der Verbraucher, in Kernkraftwerken wäre es die Turbine, in Kernheizwerken Industrien und Heizungsanlagen die über Fernwärme angekoppelt sind, immer mit voller und gleicher Leistung betrieben werden können.
Nachdem ein Brennelement aus dem Reaktor entnommen wurde ist es zumindest in Deutschland üblich diese in den Abklingbecken fünf Jahre lang zulagern. Nach dieser Zeitspanne haben sie noch eine Temperatur von rund 200°C und können damit in einen CASTOR-Behälter umgeladen werden. Per Gesetz müssen eine bestimmte Zeitperiode über Jahrzehnten diese Behälter vor Ort in einem Zwischenlager bleiben. Deutschland favorisiert die direkte Endlagerung, damit kommen die Brennelemente so wie sie sind in das Endlager.
Der alternative Weg nach dem Abklingbecken wäre, dass ein Transportbehälter beschafft werden würde und die Brennelemente in eine Aufbereitungsanlage kommen. Dort wird das bisher ungenutzte Plutonium 239, dass bei der Spaltung nebenbei entsteht und selbst spaltbar ist heraus gefiltert, da man es wiederverwenden kann. Ebenso wird das Uran 238 vom wirklichen Abfall entfernt, bei einem Brennstab sind das rund 95 bis 98% der Masse (je nach Anreicherung), dass man ebenfalls wiederverwenden kann, beispielsweise in Brutmänteln von Brutreaktoren. Dort wird durch Transmutation aus Uran 238 durch Transmutation Plutonium 239, dass wie wir wissen spaltbar ist und für Kernkraftwerke erneut verwendet werden kann. Der Rest der in der Wiederaufbereitungsanlage übrig bleibt wird Endgelagter, das sind vom gesamten Brennstab rund zwei bis vier Prozent.
Kommen wir noch zu den Breutelementen die im Brutreaktor eingesetzt wurden und nun statt das ursprüngliche Uran 238 das Plutonium 239 beinhalten. Diese kommen auch in eine Wiederaufbereitungsanlage. Während das Plutnioum 239 wieder separiert wird kommt das nicht mutierte Uran 238 wider in die Brutelemente mit herein. Übrigens ist es auch möglich radioaktive Abfälle so zu mutieren um damit ihre Halbwertszeit zu verkürzen indem man sie zu anderen Stoffen Transmutiert. Das wird aber im kommerziellen Sinne nicht gemacht. Das Plutnium kommt jedenfalls in Form von Brennstofftabletten erneut in ein Brennelement das als MOX-Element bekannt ist. Hier ist auch das Plutonium dass bereits beim ersten Aufbereiten abgetrennt wurde dabei. Hier gibt es eine Mischung aus Plutonium und Uran. Da Plutonium nicht die üblichen zwei Neutronen sondern drei bei einer Spaltung freisetzt, müssen die Reaktoren standardmäßig Borsäure im Primärkühlmittel haben. Nach dem Einsatz im Reaktor würde sich der Prozess mit dem Abklingbecken und der Wiederaufbereitungsanlage wiederholen, das ist mehr oder weniger endlos, bis die Spaltprodukte wirklich alle im Endlager sind - oder in der Zukunft mutiert wurden.
Das ist das Leben eines frischen Brennelements in allen Variationen, ich hoffe das ist ausführlich genug! ;)
Ein Brennstab hält schon ein paar Jahre, da da hochangereichtes Uran drin enthalten ist, was auch mehrere Jahre genutzt werden kann.
Ein oder zweimal im Jahr werden die Stäbe im Reaktor ausführlich überprüft und dann in einem entsprechenden Abklingbecken erst einmal noch Monate lang abkühlen lassen. Im Betrieb werden die bis zu mehrere hunder Grad warm.
Nachdem sie dem Abklinkbecken entnommen werden können, kommen sie in einen Castor-Behälter (englisch für "cask for storage and transport of radioactive material") gesteckt und an eine Wiederaufbereitungsanlage geschickt. Eine solche gibt es weltweit nur in LA Hague bei Cherbourg/Frankreich oder Sallafield in England.
Dort werden die Stäbe auseinandergenommen, die einzelnen Pellets daraus entsprechend gereinigt und wieder mit neuem Uranmaterial aufgefüllt, und dann wieder zum Kraftwerk zurückgeschickt. Das kann man ein oder zweimal pro Stab durchführen, bevor die Wirksamkeit des Stabes nicht mehr ausreichend hergestellt werden kann.
Die Aufbereitungsanlage kann aber auch entsprechend die Menge verringern, wenn die Stäbe gar nicht mehr nutzbar sind. Dann werden die Stäbe im Castor wieder zurückgeschickt, aber das Ende der Reise ist dann das Zwischenlager, entweder in Ahaus oder Gorleben. Das aber nur für deutsche Brennstäbe.
@ crazyrat: danke für Deine Antwort, aber leider sind da einige falsche Aussagen.
in konventionellen KKW arbeitet man mit schwach angereichert Uran-235 (um 4% im Vergleich zu militärischer Nutzung fast 100%).
Der Reaktor-Kessel wird eigentlich nur einmal im Jahr zur Revision geöffnet, um abgebrannte Brennelemente (etwa nach 3-5 Jahren) zu entnehmen oder andere Brennelemente im Abklingbecken zu prüfen und dann umgesetzt wieder in den Reaktor zu geben.
Nicht nur die Franzosen (La Hague) oder die Briten (Sallafield) haben einer Wiederaufbereitungs-Anlage für abgebrannte Brennelemente, sondern Indien (Trombay, Tarapur, Kalpakkam), Japan (Tokai), Russland (Majak/Tomsk), USA (Savannah River Site), Nord Korea . Auch in der BRD wurde in Karlruhe ein Prototyp betrieben. Leider wurde die nukleare Wiederaufbereitung auf deutschen Hoheitsgebiet und die Ausfuhr zur Wiederaufbereitung im Ausland unter den Grünen/SPD 2005 gesetzlich verboten. Aus diesem Grund müssen deutsche Brennelemente vollständig endgelagert werden.
Einmal bestrahlte Brennelement-Stäbe werden/können nicht rezykliert werden, da die Neutronen-Strahlung das Hüllrohr stark aktiviert hat. Diese Brennstab-Hüllrohre werden zerschnitten in Beton gegeben und müssen vielleicht für etwa 300 Jahre abseits gelagert werden, bis die Radioaktivität abgeklungen ist (nur 300 Jahre, da die Neutronen-Aktivierung recht kurzlebige Radio-Nuklide erzeugt). Was jedoch rezykliert wird ist das Uran selbst. Etwa 96 gewichts-% sind nachher immer noch Uran-238, was ein sehr-sehr schwach radioaktives Material ist (Halbwertszeit vom 4,5 mal 10^9 Jahre). In der Wiederaufbereitung macht man quasi eine Mülltrennung. Man trennt die sehr hoch radioaktiven Spaltprodukte (etwa 2-3 gewichts-%) vom relativ harmlosen Uran-238 und vom restlichen Spalt-Stoff Uran-235 und dem Plutonium-Isotopen-Gemisch ab (siehe Wikipedia "Wiederaufbereitung").
Sorry, ist nicht böse gemeint ;-)
Das ist unterschiedlich. Es kommt darauf an mit welcher Leistung er gefahren wurde. Dann werden in einem Reaktor nicht alle Brennstäbe ausgetauscht, denn es müssen in jedem neuner-Pack Stäbe ein alter Stab in der mitte sein, denn die starke Neutronenstrahlung des alten Stabes setzt die Kettenreaktion der äusseren 8 Stäbe erst in Gang, denn die Kritikalität neuer Brennstäbe ist zu gering. Dann sitzen zwischen den Stäben auch noch Steuerstäbe bzw. Steuerleisten, die je nach Leistungsbedarf rauf und runter gefahren werden. Die Stäbe "brennen" also von unten nach oben ab, dabei erbrüten sie auch noch andere Isotope wie zB. Cäsium, Americium, usw, deren Anteil sich auch noch auf die Lebensdauer auswirkt. Manche Isotope verlängern sie, manche verkürzen sie. Sicher aber ist: wenn die Steuerstäbe fast ganz ausgefahren sind und der Reaktor seine Höchstleistung nicht mehr erreicht, dann müssen sie raus in ein Abklingbecken, weil sonst 1. zu viele andere, unerwünschte Stoffe erbrütet werden und 2. die Reaktorleistung niedriger wird bei höherer Strahlungs- und damit Materialbelastung. Nach der Lagerung im Abklingbecken werden die Brennstäbe wieder aufbereitet, dazu wird das darin enthaltene Uran bzw. Plutonium wieder extrahiert, also in Säure aufgelöst und (bei Uran) in die Gasphase überführt (Uranhexafluorid) und das noch enthaltene U239 bzw. U235 mittels einer Gaszentrifuge ausgeschleudert. Die verwertbaren Isotope werden wiederum in Zirkoniumstäbe verschweißt und wieder im Kernkraftwerk verwendet. Dies ist jetzt erstmal ein kurzer Überblick. Es kommt auch noch drauf an, die wievielfache Kritikalität des Kernbrennstoffs im Reaktor vorhanden ist. Die Standardbaureihe der russischen Atom-Eisbrecher haben rund 230 kg Brennmaterial an Bord und sie müssen alle 6 Jahre 150 kg Brennmaterial austauschen. Die Reaktoren liefern eine Dauerleistung von 250.000 PS....6 Jahre Lang mit 180 kg Brennstoff. Das ist Power...Im Kraftwerk Biblis wurden in 25 Jahren 4 oder 5 mal der Reaktor geöffnet um einen Teil der Brennelemente zu erneuern.