Wie Brennelemente gelagert werden

Bis zu sieben Jahre bleibt ein Brennelement in einem Reaktor, dann muss es ersetzt werden. Die abgebrannten Brennelemente sind nach ihrem Einsatz im Reaktor aber sehr heiss und müssen in einem Zwischenlager über Jahre gekühlt werden. Dies geschieht in speziellen Wasserbecken bei den Kernkraftwerken. Unmittelbar nach  dem Unfall in Fukushima hat das ENSI die Kernkraftswerkbetreiber angewiesen, die Sicherheit der Brennelementlagerbecken zu überprüfen. Bis Ende August müssen die Kraftwerksbetreiber Vorschläge unterbreiten, wie die vom ENSI monierten Mängel behoben werden können.

Brennelemente bestehen aus einem Bündel von vielen dünnen Brennstäben. Diese wiederum sind jeweils mit mehreren hundert Brennstofftabletten, meist Uranoxyd in Form zylindrischer Pellets, gefüllt. Die etwa einen Zentimeter grossen Pellets enthalten den Kernbrennstoff mit spaltbaren Nukliden (wie Uran-235). Die Brennelemente werden im Reaktordruckbehälter zur Energiegewinnung eingesetzt. Dort produzieren sie infolge der kontrollierten Kernspaltung Wärme.

Die Brennelemente werden während vier bis sieben Jahren im Reaktor eingesetzt. Nachher werden sie aus dem Reaktordruckbehälter entladen.

Die verbrauchten Brennelemente erzeugen aber auch nach der Entladung wegen des so genannten Nachzerfalls weiterhin Wärme, wenn auch in wesentlich geringerem Masse als beim Leistungsbetrieb im Reaktordruckbehälter. Deshalb müssen die verbrauchten Brennelemente noch über Jahre gekühlt werden. Dies geschieht in speziellen Brennelementelagerbecken der Kernkraftwerke.

Brennelementlagerbecken

Während der jährlichen Inspektion werden ein Teil der Brennelemente vom Reaktordruckbehälter in das Brennelementlagerbecken umgeladen. Das Umladen der abgebrannten Brennelemente sowie die Lagerung erfolgen unter Wasser. Das Wasser dient einerseits der Abschirmung der radioaktiven Strahlung und andererseits der Kühlung der Brennelemente. Im Lagerbecken werden die Brennelemente von mehreren Metern Wasser bedeckt.

Permanent gekühlt

Um eine Aufheizung des Lagerbeckens zu vermeiden, muss die von den Brennelementen produzierte Nachzerfallswärme laufend abgeführt werden. Deshalb ist eine dauernde und zuverlässige Kühlung der Brennelementlagerbecken erforderlich – egal ob das Kernkraftwerk (respektive der Reaktor) in Betrieb steht oder ob es abgestellt ist. Selbst nach der Stilllegung eines KKW müssen die abgebrannten Brennelemente noch über mehrere Jahre weiter in den separat betriebenen Brennelementlagerbecken gekühlt werden.

Vom Lagerbecken ins Trockenlager

Nachdem die Aktivität und somit die Wärmeproduktion der abgebrannten Brennelemente soweit abgeklungen ist, dass die Brennelemente nicht mehr mit Wasser gekühlt werden müssen, können sie aus dem Brennelementlagerbecken entladen und in ein Zwischenlager überführt werden. Dies erfolgt frühestens nach etwa fünf Jahren. Anschliessend werden sie in massive Transport- und Lagerbehälter umgeladen und ins Zwischenlager transportiert. Auch hier produzieren sie noch Wärme. Die Wärmemenge ist aber so gering, dass die Behälter nicht mehr mit Wasser sondern nur mit der umgebenden Luft gekühlt werden.

Wo stehen die schweizerischen Brennelementlager?

Jedes schweizerische Kernkraftwerk hat an seinem Standort mindestens ein wassergekühltes Brennelementlagerbecken.

Zur Trockenlagerung der älteren, stark abgeklungenen Brennelemente betreiben die schweizerischen Kernkraftwerke zwei Zwischenlager: das eine steht beim KKW Beznau und dient der Lagerung von Beznauer Brennelementen; das zweite ist das zentrale Zwischenlager der ZWILAG in Würenlingen und nimmt abgebrannte Brennelemente und hochaktive Abfälle aller schweizerischen Kernkraftwerke und Forschungsinstitute auf.

Lehren aus Fukushima

Eine ungenügende Kühlung der Brennelemente oder gar der Ausfall der Kühlung sowohl im Reaktordruckbehälter als auch in den Brennelementlagerbecken kann zu schwerwiegenden Konsequenzen führen, wie z.B. zum Platzen der Brennstabhüllrohre oder Schmelzen des Brennstoffs. Dies war der Fall beim japanischen Kernkraftwerk Fukushima-Daiichi.

Im Nachgang zum Unfall in Fukushima stellten sich anhand erster Erkenntnisse Fragen zu den Brennelementlagerbecken.

Deshalb forderte das ENSI in seiner Verfügung vom 18. März 2011 die Betreiber der schweizerischen KKW auf,  die Sicherheitssituation der Brennelementbecken zu überprüfen.

Folgende Fragen mussten die Betreiber umgehend beantworten:

• Ist die Kühlmittelversorgung für die Sicherheits- und Hilfssysteme aus einer diversitären, erdbeben-, hochwasser- und verunreinigungssicheren Quelle gesichert (Zusatzversorgung über Grundwasserbrunnen)?
• Sind anfällige ausserhalb des Primärcontainments befindliche Brenneiementlagerbecken genügend gegen externe und interne Einwirkungen geschützt?
• Ist die Brennelementbeckenkühlung eine besonders geschützte Sicherheitsfunktion und kann sie über das gebunkerte Notstandsystem versorgt und gesteuert werden?

Nach der Prüfung der Berichte hat das ENSI verschiedene Schwachstellen bei den Brennelementlagerbecken identifiziert. Die Betreiber müssen deshalb bis Ende August 2011 dem ENSI Vorschläge einreichen, wie die Mängel behoben werden.