Die Versorgung im Brennstoffkreislauf

Unter Versorgung versteht man den Weg des Urans von der Erzgewinnung bis zur Anlieferung der fertigen Brennelemente im Kernkraftwerk. Die Nutzung der Kernenergie ist auch in naher Zukunft nicht durch die Verfügbarkeit der Kernbrennstoffe (Uran) limitiert. Laut Angaben des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) betragen die Reichweiten der Uranvorräte ca. 240 Jahre bei einem konstanten welt-weiten jährlichen Verbrauch von ca. 65.000 Tonnen Uran.

Die einzelnen Versorgungsstufen sind:

• Suche, Abbau und Konzentrierung des Uranerzes,
• Konversion und Anreicherung und
• Herstellung der Brennelemente

Brennelement-Herstellung

• Das Urandioxid wird zu Tabletten gepresst und zu einer Keramik gesintert.
• Die Tabletten werden in die Brennstäbe gefüllt und gasdicht eingeschlossen:

Viele Brennstäbe bilden ein Brennelement.

Beschreibung der Grafik:

In der Abbildung ist der Aufbau zylinderförmiger Brennstäbe im Längsschnitt wiedergegeben. Die Stäbe haben z. B. bei einem der heute üblichen Siedewasserreaktoren eine Länge von 4,17 m und einen äußeren Durchmesser von ca. 11 mm. Die Umhüllung besteht aus einer gasdichten Zirkonium-Legierung mit einer Wandstärke von 0,65 mm. Die Brennstäbe werden im Betrieb durch Wasser gekühlt.

Die aus Urandioxid gepressten, gesinterten und geschliffenen Brennstoff-Tabletten (sog. Pellets) befinden sich in dem mit Endkappen verschlossenen Rohr. Eine Druckfeder drückt von oben auf die Pellets und hält sie in einer Säule fest zusammen. Der dadurch oberhalb des Kernbrennstoffs geschaffene Raum, dient zur Sammlung der bei der Kernspaltung entstehenden Edelgase und der leicht flüchtigen Spaltprodukte.

Brennelemente

Im Aufbau und in der Anzahl der enthaltenen Brennstäbe unterscheiden sich die Brennelemente je nach Reaktortyp.Beispiel für einen Druckwasser-Reaktor mit einer elektrischen Nettoleistung von 1300 MW (Megawatt):

• 193 Brennelemente
• 240-300 Brennstäbe pro Element
• Urangehalt pro Element ca.530 kg

Beispiel für einen Siedewasser-Reaktor mit einer elektrischen Nettoleistung von 1300 MW (Megawatt):

• 840 Brennelemente
• 81-100 Brennstäbe pro Element
• Urangehalt pro Element ca. 175 kg

Die Einsatzzeit der Brennelemente im Reaktor beträgt 3-4 Jahre. Der jährliche Nachladebedarf an Uran beträgt etwa 30 Tonnen.

Was leisten die Brennelemente

Die Wärmeenergie, die ein Brennelement im Laufe seiner Einsatzzeit im Reaktor erzeugt, nennt man Abbrand. Als Maßeinheit dafür dient die Wärmefreisetzung in Megawatt-Tagen pro Tonne Brennstoff = MWd/t.

• Der durchschnittliche Abbrand für ein Leichtwasserreaktor-Element liegt bei etwa 50.000 - 60.000 MWd/t.
• Bei der Umwandlung von Wärme in Strom werden pro Tonne Brennstoff rund 400 - 500 Mio. Kilo-wattstunden Strom erzeugt.

Als ein Teil der Versorgung ist auch die Rückführung von Uran und Plutonium aus der Wiederaufarbeitung anzusehen, welches wieder zu Brennstoff verarbeitet wird:

• Es entsteht ein Mischbrennstoff aus Uran und Plutonium, bei dem das spaltbare Plutonium das spaltbare U-235 ersetzt.
• Die Herstellung von Mischoxid-Brennelementen (MOX) gleicht im Prinzip der Brennelement-Produktion aus frischem Natururan, verläuft aber wegen der Radiotoxizität des Plutoniums unter erhöhten Sicherheitsbedingungen.