MOX-Brennelement

Kopfbereich eines Brennelementes. Ausschnitt links: Uran-Tabletten (Pellets) in den Brennstäben

Als Mischoxid-Brennelemente, kurz: MOX-Brennelemente (MOX = Mischoxid), werden in der Kerntechnik Brennelemente bezeichnet, die im Gegensatz zu Brennelementen aus reinem Urandioxid ein weiteres Oxid enthalten. Meist handelt es sich dabei um Plutoniumdioxid, seltener um Thoriumdioxid. Das Herstellungsverfahren von MOX-Brennelementen ähnelt dem von Urandioxid-Brennelementen. Weil Plutonium wegen der stärkeren Radioaktivität viel gefährlicher als Uran ist, sind deutlich größere Sicherheitsvorkehrungen zu treffen. Die Verarbeitung erfolgt in abgeschirmten, luftdichten Umschließungen (Handschuhkastentechnik) und ist weitgehend automatisiert. Die Zumischung an Plutonium liegt im unteren Prozentbereich, das Nuklearforum Schweiz nennt 7–8 %. ^[1]

Beschreibung

Plutonium entsteht unvermeidlich in jedem mit Uranbrennstoff betriebenen Kernreaktor. Werden die abgebrannten Brennelemente wiederaufgearbeitet, was in Deutschland anfangs verboten und zwischenzeitlich in begrenzter Menge möglich war (siehe Atomwaffensperrvertrag), wird Plutonium üblicherweise aus verschiedenen Gründen abgetrennt: speziell wegen seiner extrem hohen Halbwertszeit und wegen seiner stärkeren Radioaktivität.

Es gibt auf der Welt einen Überschuss an Plutonium, seit die beiden Supermächte sich auf eine massive nukleare Abrüstung geeinigt haben (siehe unten).

Plutonium kann in Form von MOX-Brennstoff in Kernreaktoren eingesetzt und dort zur Energieerzeugung genutzt werden. Bei Leichtwasserreaktoren ist dies eine Option, bei Brutreaktoren eine Notwendigkeit, denn die dort benötigte hohe Neutronenausbeute der Kernspaltung wird nur mit einem genügend hohen Plutonium-239-Anteil im Brennstoff (und Spaltung durch schnelle, nichtmoderierte Neutronen) erreicht.

Spätestens seit der Nuklearkatastrophe von Fukushima ab März 2011 wurde allgemein bekannt, dass MOX-Brennelemente in 21 französischen, in zehn der damals 17 deutschen Kernreaktoren und in einigen in Japan zum Einsatz kamen.^[2] Insgesamt enthielten Anfang des Jahres 2011 rund 30 thermische Reaktoren in Europa (Belgien, Schweiz, Deutschland und Frankreich) MOX und weitere 20 erhielten die Erlaubnis dazu.^[3] Eine Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen zur Herstellung von MOX erfolgt hauptsächlich in Großbritannien und Frankreich, in einem geringeren Ausmaß in Russland, Indien und Japan. In China gibt es Planungen für Schnelle Brüter und Wiederaufarbeitungsanlagen. Die USA betreiben – mit Unterbrechungen aufgrund einer möglichen Verwendung des Plutoniums in Nuklearwaffen – seit längerem entsprechende Wiederaufbereitungsanlagen.

Reaktor 3 in Fukushima enthielt seit August 2010 auch MOX-Brennnelemente. Zum Zeitpunkt seiner Explosion^[4] waren von insgesamt 548 Brennelementen 32 MOX.

Hersteller

Große Anlagen zur Herstellung von MOX-Brennelementen sind bzw. waren unter anderem

• in Frankreich (Anlage Melox, Nuklearanlage Marcoule),
• in Belgien die Franco Belge de Fabrication de Combustible bei Dessel (eine Tochterfirma von Areva NP) und
• in Großbritannien (Sellafield MOX Plant bei Sellafield).

Im August 2011, wenige Monate nach dem Beginn der Nuklearkatastrophe von Fukushima, gab die britische Atomaufsichts-Behörde bekannt, dass das Sellafield Mox Plant 2011 stillgelegt werden würde. Seit der Katastrophe in Fukushima habe sich die Marktsituation verändert, weil die künftige Nachfrage aus Japan unsicher sei. Außerdem sollten die Kosten für die britischen Steuerzahler - bisher 1,4 Milliarden Euro - minimiert werden.^[5]

In Japan plante im Jahr 2010 die Firma Japan Nuclear Fuel Limited eine Anlage namens J-MOX; der Baubeginn wurde genehmigt (Stand März 2010).^[6] Kleine Anlagen arbeiten in der Nähe des Kernkraftwerk Tōkai (120 km nordöstlich von Tokio) und in Majak (Russland).

Für Atommächte, die Plutoniumbomben haben und diese vernichten wollen, ist das Herstellen von MOX-Elementen eine Möglichkeit, das Plutonium mit seiner langen Halbwertszeit loszuwerden: „Beseitigt werden kann das Plutonium nur in Form einer Endlagerung nach einer Vermischung mit anderen atomaren Abfällen oder durch eine Umarbeitung in MOX-Elemente.“^[7]

Die USA und Russland haben sich 2010 darauf geeinigt, ihre Bestände an Waffenplutonium um je 34 Tonnen zu verringern. Diese Menge reicht, um etwa 17.000 Bomben zu bauen. Das Protokoll unterzeichneten im April 2010 die Außenminister Hillary Clinton und Sergei Lawrow in Washington; der Vertrag wurde am 20. Mai 2011 von Russland ratifiziert.^[8] Die 2010 geschätzten Kosten betrugen 2,5 Milliarden Dollar; davon übernehmen die USA 400 Mio. Dollar und andere G-8-Staaten weitere Millionen.^[7]

Deutschland

1991 verbot das Hessische Umweltministerium die Fertigung in Hanau-Wolfgang. Anfang 1992 warnte ein Gutachten der Gesellschaft für Reaktorsicherheit (Köln) vor den Gefahren von MOX-Elementen und bestätigte damit Warnungen des Öko-Instituts (Darmstadt).^[9]

1995 stellte Siemens den Neubau einer größeren Anlage ein.^[10]

In den Jahren 2000 bis 2008 wurden in insgesamt neun (der damals 17) deutschen Kernkraftwerken Mischoxid-Brennelemente aus der Wiederaufarbeitung zusammen mit herkömmlichen Uran-Brennelementen eingesetzt.^[11] Die Brennelemente verbleiben im Durchschnitt für vier Jahre im Reaktorkern.^[11] Bislang (Stand Februar 2011) fanden aus französischen Wiederaufarbeitungsanlagen 51 Rücktransporte von MOX-Brennelementen nach Deutschland statt.^[12] Ein Antrag für den Transport von 16 MOX-Brennelementen über den Seeweg von britischen Sellafield ins Kernkraftwerk Grohnde wurde seitens E.ON im Februar 2011 zurückgezogen.^[13], aber im September und November 2012 umgesetzt.

Im Rahmen der Revisionen 2009 (?) und April 2012 wurden in Grohnde keine MOX-Brennelemente eingesetzt.

Die deutschen Kernkraftwerkbetreiber haben für den Zeitraum 2009 bis 2016^veraltet die Fertigung und Lieferung von 170 t Mischoxid, das entspricht etwa 648 Brennelementen, mit den britischen und französischen Wiederaufarbeitungsanlagen vereinbart.^[11] Im März 2012 genehmigte das Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) einen Transport von Mox-Brennelementen vom britischen Sellafield MOX Plant zum AKW Grohnde. Laut Betreiber E.ON sollen bei der Revision im April 2012 die Mischoxid-Brennelemente aber noch nicht zum Einsatz kommen.^[14] Am Morgen des 24. September 2012 erreichten acht Brennelemente aus Sellafield das KKW Grohnde.^{[15] [16]}

Aus der 'Länderumfrage zur Entsorgung abgebrannter Brennelemente aus den Kernkraftwerken in der Bundesrepublik Deutschland' zum Stand 31. Dezember 2010 teilte die Bundesregierung die Vertragsmengen für die Fertigung von MOX-Brennelementen mit, die von den Betreibern zu diesem Zeitpunkt abgeschlossen waren (Pu_fiss = spaltbares Plutonium-239 und -241): ^[17]

• Neckarwestheim, Block 2: 28 Brennelemente, ab 2016, 660 kg Pu_fiss
• Isar, Block 2: 48 Brennelemente, 2011–2014, 1176 kg Pu_fiss
• Gundremmingen, Blöcke B und C: 112 Brennelemente, 2018, 865 kg Pu_fiss
• Grohnde: 16 Brennelemente, 2012, 264 kg Pu_fiss
• Emsland: 12 Brennelemente, 2011, 298 kg Pu_fiss sowie 28 Brennelemente 2017–2019, 693 kg Pu_fiss
• Brokdorf: 36 Brennelemente, 2013–2015, 750 kg Pu_fiss
• Summe: 4.706 kg Pu_fiss

In der gleichen Antwort teilte die Bundesregierung auch mit, wie viele MOX-Brennelemente von 2001 bis zum 5. August 2011 nach Deutschland importiert wurden.^[18]

Japan

Der weltweit erste Einsatz von MOX-Brennelementen erfolgte in einem japanischen Prototyp, und zwar im Kernkraftwerk Fugen seit März 1978. Im Jahre 1995 beschloss die Regierung, keine Reaktoren dieses Typs mehr zu bauen, da die Kosten im Vergleich zu Leichtwasserreaktoren zu hoch waren. Im März 2003 wurde dieser Reaktor stillgelegt.

Im November 2009 wurden zum ersten Mal in Japan MOX-Elemente in einem kommerziellen Kernkraftwerk eingesetzt, nämlich im Reaktor 3 des Kernkraftwerk Genkai. "Endlich haben wir diesen Punkt erreicht", äußerte Shojiro Matsuura, Präsident der Nuclear Safety Commission of Japan.^[19]

Davor hatten zahlreiche Pannen, Unfälle und Erdbebenschäden das Misstrauen in die Atomindustrie vergrößert und den ersten MOX-Einsatz um viele Jahre verzögert.^[20]

Am 8. März 2010 begann der Reaktor 3 des Kernkraftwerk Ikata (Präfektur Ehime) die Stromerzeugung mit MOX-Brennelementen^[21] und den Reaktor 3 von Fukushima I. Letzterer erhielt im August 2010 32 MOX-Brennelemente (von insgesamt 548 Brennelementen).^[22]

Bei der Nuklearkatastrophe von Fukushima kam es im März 2011 zu Kernschmelzen in den Reaktorblöcken 1, 2 und 3 der Anlage. Dabei wurde auch Plutonium freigesetzt.^[19] Block 3 explodierte auch.^[23]

Davor war geplant, MOX-Elemente bis 2015 landesweit in 16 bis 18 Kernreaktoren einzusetzen. Als Nächstes wollten die Stromversorger Shikoku Denryoku und Chūbu Denryoku MOX benutzen.^[20]

Schweiz

In der Schweiz wird MOX seit 1978 im Kernkraftwerk Beznau und seit 1997 im Kernkraftwerk Gösgen eingesetzt. ^[24]

Vereinigte Staaten

Die Vereinigten Staaten bauen für 4,86 Milliarden US-Dollar eine neue MOX-Anlage am Savannah River in South Carolina. Die Produktion soll in den Jahren 2016-2018 beginnen und 43 Tonnen Plutonium aus dem Atomwaffenarsenal verwerten. ^[25] Obwohl die Tennessee Valley Authority (TVA) und Duke Energy Interesse an der Nutzung von MOX-Brennelementen aus der Umwandlung von Waffen-Plutonium haben, erklärte TVA (derzeit der wahrscheinlichste Kunde) im April 2011, dass sie bis zu einer Entscheidung abwarten wolle, welche Erkenntnisse es zu dem Zusammenhang zwischen dem Einsatz von MOX und dem Reaktorunfall von Fukushima Daiichi gebe. ^[26]

Einzelnachweise