US Energy Information Administration – EIA – Unabhängige Statistik-und Analyse – (Deutsch)

Der Kernbrennstoff-Zyklus besteht aus front-end-Schritte zur Vorbereitung von Uran für Kernreaktoren und back-end-Schritte, um sicher zu verwalten, aufbereiten und entsorgen—oder ausgegeben—aber immer noch hoch radioaktiven Brennelemente.

Uran ist der am weitesten verbreitete Brennstoff von Kernkraftwerken zur Kernspaltung. Kernkraftwerke verwenden eine bestimmte Art von Uran-U-235-als Brennstoff, da seine Atome leicht auseinandergespalten werden können., Obwohl Uran etwa 100-mal häufiger vorkommt als Silber, ist U-235 bei etwas mehr als 0,7% des natürlichen Urans relativ selten. Urankonzentrat wird von Uranerz in Uranmühlen oder aus einer Aufschlämmung in In-situ-Auslaugungsanlagen getrennt. Es wird dann in Umwandlungs-und Anreicherungsanlagen verarbeitet, was den U-235-Gehalt für kommerzielle Kernreaktoren auf 3% -5% erhöht, und in Reaktorbrennstoffpellets und Brennstäben in Reaktorbrennstoffherstellungsanlagen zu Reaktorbrennstoffpellets und Brennstäben verarbeitet.,

Kernbrennstoff wird in Reaktoren geladen und verwendet, bis die Brennelemente hochradioaktiv werden und zur vorübergehenden Lagerung und eventuellen Entsorgung entfernt werden müssen. Die chemische Verarbeitung von abgebranntem Brennstoffmaterial zur Rückgewinnung aller verbleibenden Produkte, die in einer neuen Brennstoffanordnung erneut gespalten werden könnten, ist technisch machbar, in den USA jedoch nicht zulässig.,

Das vordere Ende des nuklearen Brennstoffkreislaufs

Exploration

Der Kernbrennstoff-Zyklus beginnt mit der exploration nach Uran und die Entwicklung von Minen für die Gewinnung von Uran-Erz. Eine Vielzahl von Techniken werden verwendet, um Uran zu lokalisieren, wie luftgetragene radiometrische Untersuchungen, chemische Probenahme von Grundwasser und Böden, und Explorationsbohrungen, um die zugrunde liegende Geologie zu verstehen., Sobald sich Uranerzvorkommen befinden, verfolgt der Minenentwickler in der Regel engere Abstände bei der Füllung, oder Entwicklungsbohrungen, um festzustellen, wie viel Uran verfügbar ist und was es kosten könnte, es zurückzugewinnen.

Uranabbau

Wenn sich Erzvorkommen befinden, die wirtschaftlich wiederherstellbar sind, besteht der nächste Schritt im Brennstoffkreislauf darin, das Erz mit einer der folgenden Techniken abzubauen:

• unterirdischer Bergbau
• Tagebau
• in-place (in-situ) Lösungsabbau
• heap Leaching

Vor 1980 waren die meisten US-amerikanischen, uran wurde unter Verwendung von Tagebau-und unterirdischen Bergbautechniken hergestellt. Heute wird das meiste US-Uran unter Verwendung einer Lösungs-Mining-Technik hergestellt, die üblicherweise als In-situ-Leach (ISL) oder In-situ-Recovery (ISR) bezeichnet wird. Dieser Prozess extrahiert Uran, das die Sand-und Kiespartikel von Grundwasserreservoirs bedeckt. Die Sand – und Kiespartikel werden einer Lösung mit einem leicht erhöhten pH-Wert unter Verwendung von Sauerstoff, Kohlendioxid oder Natronlauge ausgesetzt. Das Uran löst sich im Grundwasser auf, das aus dem Reservoir gepumpt und in einer Uranmühle aufbereitet wird., Beim Auslaugen von Haufen wird eine saure flüssige Lösung auf Haufen zerkleinerten Uranerzes gesprüht. Die Lösung läuft durch das zerkleinerte Erz ab und laugt Uran aus dem Gestein aus, das unter dem Stapel zurückgewonnen wird. Heap Leaching wird in den USA nicht mehr verwendet.

Uranmahlen

Nachdem das Uranerz aus einem Tagebau oder einer unterirdischen Mine gewonnen wurde, wird es in einer Uranmühle zu Urankonzentrat raffiniert. Das Erz wird zerkleinert, pulverisiert und zu einem feinen Pulver gemahlen. Dem feinen Pulver werden Chemikalien zugesetzt, die eine Reaktion hervorrufen, die das Uran von den anderen Mineralien trennt. Das Grundwasser aus dem Bergbau wird durch ein Harzbett zirkuliert, um das Uran zu extrahieren und zu konzentrieren.,

Trotz des Namens ist das konzentrierte Uranprodukt typischerweise eine schwarze oder braune Substanz namens yellowcake (U3O8). Abgebautes Uranerz liefert typischerweise ein bis vier Pfund U3O8 pro Tonne Erz oder 0,05% bis 0,20% Yellowcake. Das feste Abfallmaterial aus Gruben-und unterirdischen Bergbaubetrieben wird als Mühlenablagerungen bezeichnet. Das verarbeitete Wasser aus dem Lösungsbergbau wird in das Grundwasserreservoir zurückgeführt, wo der Abbauprozess wiederholt wird.,

Uranumwandlung

Der nächste Schritt im Kernbrennstoffkreislauf besteht darin, Yellowcake in einer Konverteranlage in Uranhexafluorid (UF6) – Gas umzuwandeln. Drei Formen (Isotope) von Uran kommen in der Natur vor: U-234, U-235 und U-238. Aktuelle US-Kernreaktorkonstruktionen erfordern eine stärkere Konzentration (Anreicherung) des U-235-Isotops, um effizient arbeiten zu können. Das in der Konverteranlage erzeugte Uranhexafluoridgas wird als natürliches UF6 bezeichnet, da die ursprünglichen Konzentrationen von Uranisotopen unverändert sind.,

Urananreicherung

Nach der Umwandlung wird das UF6-Gas in eine Anreicherungsanlage geleitet, wo die einzelnen Uranisotope getrennt werden, um angereichertes UF6 mit einer Konzentration von 3% bis 5% an U-235 zu erzeugen.

In den Vereinigten Staaten wurden zwei Arten von Urananreicherungsprozessen eingesetzt: gasförmige Diffusion und Gaszentrifuge. Die Vereinigten Staaten verfügen derzeit über eine funktionierende Anreicherungsanlage, die ein Gaszentrifugenverfahren einsetzt., Angereichertes UF6 wird in Kanistern versiegelt und abkühlen und erstarren gelassen, bevor es mit dem Zug, LKW oder Lastkahn zu einer Kernreaktorbrennstoffmontageanlage transportiert wird.

Atomic vapor laser isotope separation (AVLIS) und molecular laser isotope separation – (MLIS) sind neue Bereicherung Technologien, die derzeit in der Entwicklung. Diese laserbasierten Anreicherungsprozesse können höhere anfängliche Anreicherungsfaktoren (Isotopentrennung) als die Diffusions-oder Zentrifugenprozesse erzielen und angereichertes Uran schneller als andere Techniken erzeugen.,

Uranumwandlung und Herstellung von Kernbrennstoffen

Sobald das Uran angereichert ist, kann es in Kernbrennstoff umgewandelt werden. In einer Kernbrennstoffherstellungsanlage wird das UF6 in fester Form zu gasförmiger Form erhitzt, und dann wird das UF6-Gas chemisch zu Urandioxidpulver (UO2) verarbeitet. Das Pulver wird dann komprimiert und zu kleinen keramischen Brennstoffpellets geformt. Die Pellets werden gestapelt und zu langen Metallrohren mit einem Durchmesser von etwa 1 Zentimeter zu Brennstäben abgedichtet. Die Brennstäbe werden dann zu einer Brennstoffbaugruppe zusammengebündelt., Je nach Reaktortyp hat jede Brennstoffbaugruppe etwa 179 bis 264 Brennstäbe. Ein typischer Reaktorkern fasst 121 bis 193 Brennelemente.

Am Reaktor

Sobald die Brennstoffbaugruppen hergestellt sind, transportieren Lastwagen sie zu den Reaktorstandorten. Die Brennstoffanordnungen werden vor Ort in Frischbrennstofflagerbehältern gelagert, bis die Reaktorbetreiber sie benötigen. In diesem Stadium ist das Uran nur leicht radioaktiv, und im Wesentlichen ist die gesamte Strahlung in den Metallrohren enthalten., Typischerweise wechseln Reaktorbetreiber etwa ein Drittel des Reaktorkerns (40 bis 90 Brennelemente) alle 12 bis 24 Monate aus.

Der Reaktorkern ist eine zylindrische Anordnung der Brennstoffbündel, die etwa 12 Fuß im Durchmesser und 14 Fuß hoch ist und in einem Stahldruckbehälter mit mehreren Zoll dicken Wänden eingeschlossen ist. Der Reaktorkern hat im Wesentlichen keine beweglichen Teile außer einer kleinen Anzahl von Steuerstäben, die zur Regulierung der Kernspaltungsreaktion eingesetzt werden. Wenn Sie die Brennstoffanordnungen nebeneinander platzieren und Wasser hinzufügen, wird die Kernreaktion ausgelöst.,

Die back-end of nuclear fuel cycle

die Zwischenlagerung und Endlagerung in den Vereinigten Staaten

Nach dem Einsatz im Reaktor-Brennelemente sich stark radioaktiv und müssen entfernt werden und gespeichert unter Wasser in den Reaktor Website in einer Brennelemente-Becken für mehrere Jahre., Obwohl die Spaltreaktion aufgehört hat, gibt der abgebrannte Brennstoff weiterhin Wärme aus dem Zerfall der radioaktiven Elemente ab, die bei der Spaltung der Uranatome entstanden sind. Das Wasser im Pool dient sowohl dazu, den Kraftstoff zu kühlen als auch die Freisetzung von Strahlung zu blockieren. Von 1968 bis Juni 2013 wurden 241.468 Brennelemente entladen und in 118 kommerziellen Kernreaktoren in den Vereinigten Staaten gelagert.

Innerhalb weniger Jahre kühlt der abgebrannte Brennstoff im Becken ab und kann in einen Trockenfass-Vorratsbehälter am Kraftwerksgelände verbracht werden., Immer mehr Reaktorbetreiber lagern ihren älteren abgebrannten Brennstoff nun in diesen speziellen Beton-oder Stahlbehältern mit Luftkühlung im Freien. Erfahren Sie mehr über die Lagerung abgebrannter Brennstoffe.

Der letzte Schritt im Kernbrennstoffkreislauf ist die Sammlung abgebrannter Brennelemente aus den Zwischenlagern zur endgültigen Entsorgung in einem permanenten unterirdischen Endlager. Die Vereinigten Staaten haben derzeit kein permanentes unterirdisches Endlager für hochradioaktiven Atommüll.

Zuletzt aktualisiert: 27.05.2020