Brennelementefabrik

Eine Brennelementefabrik ist eine kerntechnische Anlage zur Herstellung von Brennelementen für Kernkraftwerke. Die Brennelemente besitzen je nach dem Reaktortyp, in dem sie eingesetzt werden, unterschiedliche Zusammensetzung und Gestalt. Meist enthalten sie als Kernbrennstoff Uran in oxidischer Form (z. B. in Leicht- und Schwerwasserreaktoren) oder in metallischer Form (Magnox-Reaktoren). Manche Brennelemente enthalten als Spaltmaterial jedoch auch Thorium (z. B. bei Hochtemperaturreaktoren) oder Uran-/Plutonium-Mischoxid (MOX). Letzteres wird in Schnellen Brütern, aber auch in Leichtwasserreaktoren eingesetzt.

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Fertigung von Uranbrennelementen

Die weltweit meisten Kernkraftwerke sind Leichtwasserreaktoren. Diese benötigen für ihren Betrieb angereichertes Uran in oxidischer Form. Um dieses zu erhalten, wird angereichertes Uranhexafluorid (UF₆) zunächst zu UO₂ konvertiert. Zur Anwendung kommen nasse (AUC, ADU) oder trockene (IDR) Verfahren. Bei den Nassverfahren wird die Konversion durch eine chemische Reaktion mit Flüssigkeiten bewirkt. Das dabei entstehende Zwischenprodukt gibt dem Verfahren seinen Namen: Beim ADU-Verfahren entsteht als Zwischenprodukt Ammoniumdiuranat, beim AUC-Verfahren Ammoniumuranylcarbonat. Im Unterschied dazu werden beim trockenen IDR-Verfahren (Integrated Dry Route) keine Flüssigkeiten eingesetzt. Die Konversion findet in einem Ofen bei hoher Temperatur statt. Das jeweils anfallende Pulver wird zu Tabletten (Pellets) von 2-3 cm Länge und 1 cm Durchmesser gepresst. Diese werden bei etwa 1.700 °C zu keramischem Material gesintert, mechanisch nachbearbeitet (geschliffen) und in 4 bis 5 m lange Hüllrohre aus Zirkaloy gefüllt. Die Enden der Hüllrohre werden zugeschweißt. Eine größere Anzahl von Einzelstäben (bis zu 250) werden zu einem Brennstabbündel, d. h. zu einem Brennelement, zusammengefügt. Diesen Vorgang nennt man Assemblierung. In manchen Anlagen werden alle diese Teilschritte an einem Ort durchgeführt, andere Anlagen übernehmen nur bestimmte Verfahrensschritte, indem sie Zwischenprodukte weiterverarbeiten (z. B. Assemblierung von Brennstäben) oder selbst ein Zwischenprodukt (z. B. Uranpulver) herstellen, das in einer anderen Anlage weiterverarbeitet wird.

Fertigung von MOX-Brennelementen

Brennelemente, die neben Urandioxid auch Plutoniumdioxid enthalten, werden Mischoxid-Brennelemente oder MOX-Brennelemente genannt. Wegen der Anwesenheit von Plutonium müssen bei der Herstellung von MOX-Brennelementen besondere Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden. Alle Fertigungsschritte werden in gasdichten Umschließungen und in weiten Teilen fernbedient durchgeführt. Die einzelnen Verfahrensschritte ähneln denen bei der Fertigung von Uran-Brennelementen.

Brennelementfertigung in Deutschland

In Deutschland ist heute nur noch eine einzige Brennelementfabrik in Betrieb. Sie befindet sich in Lingen (Niedersachsen) und wird von der Firma Areva betrieben. Die Areva ist jedoch in drei Betriebsstätten aufgegliedert, unter anderem ein Werk in Duisburg (NRW) welches die Hüllrohre herstellt und eines in Karlstein (Bayern), welches die Komponenten (Kopf und Fußteile eines Brennelementes) herstellt. Das Werk in Lingen ist für den Zusammenbau der Brennelemente zuständig. In der Anlage werden fertige Brennelemente für Druck- und Siedewasserreaktoren hergestellt.

Früher befand sich ein Zentrum der Brennelementfertigung in Hanau (Hessen). In vier verschiedenen Anlagen wurden unterschiedliche Arten von Brennelementen hergestellt. Die Firma Siemens produzierte in getrennten Betriebsteilen sowohl Uran- als auch MOX-Brennelemente, NUKEM stellte Brennelemente für Forschungsreaktoren her und HOBEG betrieb eine Anlage zur Herstellung von Brennelementen für Hochtemperaturreaktoren.

Ende der achtziger Jahre, als noch von einer großtechnischen Wiederaufarbeitung abgebrannter Brennelemente in Deutschland ausgegangen wurde, begann Siemens am Standort Hanau mit dem Bau einer neuen, wesentlich größeren und moderneren Brennelementfabrik für MOX-Brennelemente, die aber nie in Betrieb genommen wurde. Die Anlage sollte das bei der Wiederaufarbeitung anfallende Plutonium zu MOX-Brennelementen verarbeiten, um diese anschließend wieder in den Reaktoren einzusetzen. Das Genehmigungsverfahren geriet in den politischen Streit über die Zukunft der Kernenergie, so dass Siemens schließlich 1995 vornehmlich aus wirtschaftlichen Gründen auf die Betriebsgenehmigung für die zu 95 % fertig gestellte Anlage verzichtete. Stattdessen schlossen die deutschen Kraftwerksbetreiber Verträge mit Brennelementherstellern in Frankreich (Cogema) und England (BNFL) ab. Die wichtigsten Komponenten wurden in Container verpackt. Im Jahr 2001 scheiterte ein Verkauf nach Russland. Ein weiterer Versuch, die Anlage zum Preis von 50 Mio. Euro an China zu verkaufen, endete nach heftigen politischen Kontroversen im Jahr 2004, indem China auf die Lieferung verzichtete. Die Herstellungskosten der Anlage werden auf etwa 700 Mio. Euro geschätzt.

Brennelementfertigung im Ausland

In zahlreichen Ländern sind Anlagen zur Brennelementfertigung in Betrieb. Die angewandten Verfahren hängen dabei stark von der Art der Brennelemente ab, die dort gefertigt werden.

Bei der Herstellung von Leichtwasserreaktor-Brennelementen unterscheiden sich die Prozesse hauptsächlich im Verfahren zur Umwandlung von UF₆ in UO₂. Unterschiede bestehen weiterhin im Umfang der von einer einzelnen Anlage durchgeführten Teilproduktionsschritte. So werden z. B. in manchen Anlagen nur UO₂-Pulver oder -Pellets gefertigt, während andere den Teilschritt der Assemblierung übernehmen. Die wichtigsten Anlagen zur Fertigung von Uranbrennelementen befinden sich in

• Belgien (Dessel)
• Frankreich (Romans)
• Großbritannien (Springfield)
• Japan (Tōkai, Yokosuka, Kumatori)
• Kasachstan (Ust-Kamenogorsk)
• Russland (Elektrostal, Nowosibirsk)
• Schweden (Västeras)
• Spanien (Juzbado)
• Südkorea (Daejeon)
• USA (Columbia, Richland, Wilmington)

MOX-Brennelemente werden in folgenden Ländern hergestellt:

• Belgien (Dessel)
• Frankreich (Marcoule)
• Großbritannien (Sellafield)
• Japan (Tōkai)

Siehe auch: Kernenergie