Wiederaufarbeitung

Zweck und Brennstoffkreislauf

Wiederaufarbeitung, auch Wiederaufbereitung (englisch nuclear reprocessing), ist die chemische Trennung von Stoffen aus abgebrannten Brennelementen von Kernreaktoren. Sie gehört zum Brennstoffkreislauf der Kerntechnik. Dabei werden vor allem die Kernbrennstoffe Uran und Plutonium von radioaktiven Spaltprodukten getrennt. Die Stoffe werden in wiederverwertbare Anteile sowie hoch-, mittel- und schwachradioaktive Abfälle aufgeteilt.

Im offenen Brennstoffkreislauf wird abgebrannter Brennstoff nach einer mehr Jahrzehnte dauernden Zwischenlagerung zur Abkühlung direkt in einem tiefengeologischen Endlager entsorgt. Im geschlossenen Brennstoffkreislauf werden Uran und Plutonium abgetrennt und erneut als Brennstoff genutzt. Mehrere Wiederaufarbeitungszyklen sind mit den derzeit verwendeten Reaktoren jedoch nicht wirksam möglich. Frankreich praktiziert teilweise einen geschlossenen Kreislauf: Plutonium wird mit Uran zu MOX-Brennstoff (Mischoxidbrennstoff) gemischt; abgebrannter MOX-Brennstoff wird für eine spätere Nutzung in modernen Reaktoren gelagert.

Wiederaufarbeitung kann den Uranbedarf senken und hochradioaktive Abfälle verringern. Zugleich ist sie technisch anspruchsvoll, kostspielig und wegen des abgetrennten, für Kernwaffen nutzbaren Plutoniums sicherheitspolitisch umstritten.

Ablauf und wichtige Verfahren

Die Zusammensetzung abgebrannter Brennelemente hängt von ursprünglicher Urananreicherung und Einsatzdauer im Reaktor ab. Brennelemente aus Leichtwasserreaktoren bestehen zu etwa 96 % aus Uran, überwiegend Uran-238, und zu etwa 0,9 % aus Plutonium.

Zunächst werden Brennelemente mechanisch zerschnitten; dieser Teil heißt „Head-end“. Hüll- und Strukturmaterial aus Zirkalloy und Edelstahl wird vom Brennstoff getrennt. Der Brennstoff wird in heißer Salpetersäure gelöst. Uran, Plutonium und Spaltprodukte gehen dabei in Lösung, feste Rückstände werden gefiltert und als radioaktiver Abfall behandelt. Radioaktive Gase und Aerosole werden in Filter- und Waschsystemen behandelt.

Das verbreitete PUREX-Verfahren (Plutonium-Uranium Recovery by Extraction) trennt Uran, Plutonium, höhere Actinoide und Spaltprodukte durch Extraktion. Es verwendet Tributylphosphat, (C₄H₉O)₃PO, verdünnt mit 70 Prozent C₁₂–₁₄-Alkanen, etwa Kerosin. Mehrere Extraktionszyklen erlauben eine fast vollständige Trennung. PUREX entstand in den 1950er Jahren aus zunächst militärisch entwickelten Verfahren und ist bisher nicht durch andere Verfahren über Prototypen und Versuche hinaus ersetzt worden.

Für aus Thorium-232 erbrütetes Uran-233 wurde THOREX entwickelt. Beim DUPIC-Prozess kann Brennstoff aus Druckwasserreaktoren in CANDU-Reaktoren genutzt werden, ohne Uran oder Plutonium abzutrennen; gegebenenfalls entfernt Erhitzen leichtflüchtige Spaltprodukte. Pyrometallurgische Verfahren nutzen Elektrolyse und trennen Uran zusammen mit Plutonium und höheren Actinoiden als Gemisch, was die Isolierung waffenfähigen Plutoniums erschwert. Als Vorteil wird außerdem genannt, dass die restlichen radioaktiven Abfälle nur circa 500 Jahre aufbewahrt werden müssen. Laufwellen- und Dual-Fluid-Reaktor befinden sich im Konzeptstadium; ein Laufwellenreaktor wurde noch nicht gebaut.

Produkte und Abfälle

Abgetrenntes Plutonium wird zivil meist zu Uran/Plutonium-Brennelementen, also MOX-Brennelementen, verarbeitet und in Leichtwasserreaktoren eingesetzt. Dies geschieht beispielsweise in Frankreich und geschah in Deutschland und Japan. In Großbritannien wird Plutonium mangels Recyclingmöglichkeiten gelagert. Brutreaktoren könnten Plutonium wesentlich effizienter nutzen, haben sich weltweit aber nur begrenzt durchgesetzt, etwa im Kernkraftwerk Belojarsk.

Abgetrenntes Uran wird bisher nur in geringem Umfang recycelt. Unerwünschte Isotopenspuren machen seine Weiterverarbeitung aufwendig und derzeit unwirtschaftlich.

Radioaktive Spaltprodukte und höhere Actinoide liegen nach dem Partitioning zunächst als hochradioaktive Lösung in gekühlten Edelstahltanks vor. Für Zwischen- und Endlagerung müssen sie verfestigt werden. Bei der Verglasung (Vitrifizierung) wird die Lösung eingetrocknet, die Feststoffe mit glasbildenden Stoffen gemischt und zu Glasblöcken geschmolzen; das nicht radioaktive Lösungsmittel wird frei und kann erneut verwendet werden. Hüllmaterial und Klärschlämme werden überwiegend zementiert.

Nach Wiederaufarbeitung kann der hochradioaktive Abfall nur etwa 20 % des ursprünglichen Volumens einnehmen. Seine Wärmeabgabe ist zunächst höher, sinkt aber schneller; nach etwa 30 Jahren ist sie um etwa 70 % gesunken. Für ein unterirdisches Endlager bleibt die Temperatur entscheidend: Selbst nach 100 Jahren Abkühlung verringert sich das benötigte Lagerplatzvolumen nur um etwa die Hälfte. Zusätzlich entstehen erhebliche Mengen schwach- und mittelradioaktiver Abfälle, etwa aus Anlagenbetrieb, Stilllegung und MOX-Herstellung.

Anlagen und Entwicklung

Eine Wiederaufarbeitungsanlage (WAA) ist eine großtechnische Anlage, die abgebrannte Brennelemente chemisch in verwertbares spaltbares Material, besonders Uran und Plutonium, und nicht weiter verwertbaren radioaktiven Abfall trennt. Die Abfälle werden am Standort konditioniert und später an die Kunden zurückgeliefert. Im zivilen Bereich stehen rund 5000 tSM/a Kapazität zur Verfügung: 2900 tSM/a für Leichtwasserreaktor-Brennstoff und 2100 tSM/a für andere Brennstoffe.

Wichtige Anlagen liegen oder lagen in La Hague in Frankreich, Sellafield in Großbritannien, Majak in Russland, Tōkai und Rokkasho in Japan sowie in Indien. In La Hague verarbeitet UP2-800 französische Brennelemente, UP3 abgebrannte Leichtwasserreaktor-Brennelemente ausländischer Kunden. Die Anlage Rokkasho ist seit 1993 im Bau; Sicherheitsüberprüfungen wurden im Mai 2020 behördlich abgenommen, der Betrieb war nach Daten von 2020 für 2024 geplant. In Sellafield dienten B205 Magnox-Brennelementen und THORP oxidischen Brennstoffen; beide Anlagen befanden sich Stand 2023 im Rückbau beziehungsweise in Stilllegung.

Die Verfahren entstanden ursprünglich für militärische Zwecke. In den 1940er Jahren wurde Uran-238 in Reaktoren durch Neutroneneinfang in spaltbares Plutonium-239 umgewandelt und chemisch abgetrennt. Mit der friedlichen Nutzung der Kernenergie ab den 1950er Jahren wurden Anlagen auch für zivile Zwecke gebaut.

Deutschland besitzt keine kommerzielle WAA. Die WAK in Karlsruhe arbeitete von 1971 bis 1990 etwas mehr als 200 t Kernbrennstoff auf und befindet sich im Rückbau. Die geplante WAA Wackersdorf wurde 1985–1989 wegen Protesten nicht verwirklicht. Deutsche Betreiber ließen bis 2005 insgesamt 6.244 t Kernbrennstoff in La Hague und Sellafield aufarbeiten; hochradioaktive Abfälle werden vertragsgemäß zurücktransportiert. JUPITER in Jülich ging wegen eines Auslegungsfehlers der Brennelemente nie in Betrieb.

Politik, Umwelt und Wirtschaft

Frankreich, Japan, Russland, die Ukraine, Großbritannien, Indien, Bulgarien und die Niederlande nutzen Wiederaufarbeitung als Teil ihres nationalen Brennstoffkreislaufs. Deutschland und Belgien stellten auf einmalige Brennstoffnutzung um. Die Entscheidung hängt unter anderem von militärischen Ambitionen, politischer Kultur, geologischen Bedingungen, Energiepolitik und verfügbaren natürlichen Ressourcen ab. Kanada hat wegen des Einsatzes von Natururan in CANDU-Reaktoren wenig Anreiz zur Wiederaufarbeitung.

Bei der Auflösung des Brennstoffs können unter anderem ¹²⁹I, ⁸⁵Kr, ¹⁴C und ⁹⁹Tc freigesetzt werden. Trotz Fangsystemen gelangen schwach radioaktive gasförmige und flüssige Abfälle innerhalb genehmigter Grenzwerte in die Umgebung. Lebenszyklusanalysen zufolge sind geschlossene Kreisläufe wegen geringeren Uranabbaus und weniger Aktivitäten am Anfang des Kreislaufs umweltseitig besser als Kreisläufe ohne Wiederaufarbeitung; fortschrittliche Reaktoren und Verfahren könnten diesen Vorteil verstärken.

Ein geschlossener Kreislauf spart gegenüber dem offenen Kreislauf 10–20 % der natürlichen Uranressourcen. Brutreaktoren könnten die Reichweite theoretisch um Jahrhunderte verlängern, befinden sich aber noch im Versuchsstadium. Gegner verweisen darauf, dass Uran auf absehbare Zeit ausreichend verfügbar sei und auch höhere Preise Wiederaufarbeitung nicht wirtschaftlich machten. Studien zufolge ist Wiederaufarbeitung durchschnittlich 5–20 % teurer als der offene Kreislauf. Bei gegenwärtigen Uranpreisen ist direkte Entsorgung in der Regel günstiger.

Ein zentrales Risiko ist Proliferation, also die Verbreitung waffenfähigen Materials. Separiertes Plutonium ist nur schwach radioaktiv und leichter transportierbar als das stark mit Spaltprodukten verunreinigte Plutonium in abgebrannten Brennelementen. Indien nutzte 1974 abgetrenntes Plutonium für seine Atombombe Operation Smiling Buddha. Überwachungssysteme, Kameras, Siegel und Inspektionen sollen unbemerkte Abzweigungen verhindern; Atomwaffensperrvertrag, IAEA-Sicherheitsmaßnahmen, Exportkontrollen und internationale Vereinbarungen ergänzen dies. In Deutschland wird der Betrieb von Wiederaufarbeitungsanlagen nach Atomgesetz nicht genehmigt; auch die Schweiz verbietet Wiederaufarbeitung und Brennelementtransporte.