Zwischenlagerung: Mit Sicherheit in die Verlängerung

18.07.2018

GRS untersucht Sicherheitsaspekte der längerfristigen Zwischenlagerung von abgebrannten Brennelementen und anderen hochradioaktiven Abfällen

Behälter im Zwischenlager Nord (Quelle: EWN GmbH)Für hochradioaktive Abfälle, wie beispielsweise abgebrannte Brennelemente und verglaste Abfälle aus der Wiederaufarbeitung, wird in Deutschland im Rahmen des Standortauswahlverfahrens ein Endlager gesucht. Bis ein solches Endlager zur Verfügung steht, werden die Abfälle in Zwischenlagern in so genannten Transport- und Lagerbehältern aufbewahrt. Derzeit geht man davon aus, dass die Abfälle länger als bislang geplant zwischengelagert werden müssen, da mit Ablauf der derzeitigen Betriebsgenehmigungen der Zwischenlager noch kein Endlager betriebsbereit sein wird. Welche Sicherheitsaspekte bei einer solchen längerfristigen Zwischenlagerung relevant sein können, damit befassen sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der GRS im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte.    

Zwischenlagerung in Deutschland

In Deutschland gibt es 16 Zwischenlager, davon befinden sich 12 sogenannte dezentrale Zwischenlager unmittelbar an den Kraftwerksstandorten. Hier werden abgebrannte Brennelemente aus den Leistungsreaktoren gelagert. Drei weitere zentrale Zwischenlager befinden sich in Ahaus, Gorleben und bei Lubmin. Das Zwischenlager Ahaus nimmt beispielsweise auch Kernbrennstoffe aus Forschungsreaktoren auf. In Gorleben lagern überwiegend verglaste Abfälle aus der Wiederaufarbeitung deutscher Brennelemente und Behälter mit abgebrannten Brennelementen. Im Zwischenlager Nord in Lubmin lagern Brennelemente aus den dortigen Reaktoren sowjetischer Bauart, sowie verglaste Abfälle aus der Wiederaufarbeitungsanlage Karlsruhe. Das Zwischenlager in Jülich nimmt eine Sonderstellung ein. Dort werden die Brennstoffkugeln aus dem ehemaligen Jülicher Versuchsreaktor AVR gelagert.

Betreiber der Standortzwischenlager sind die jeweiligen Energieversorgungsunternehmen. Die zentralen Zwischenlager werden seit 2017 von der bundeseigenen Gesellschaft für Zwischenlagerung (BGZ) betrieben. Eine Ausnahme bildet das Zwischenlager Nord, welches vom ebenfalls bundeseigenen Entsorgungswerk für Nuklearanlagen (EWN) betrieben wird. 2019 werden auch die dezentralen Standortzwischenlager in die Verantwortung der BGZ übergehen. Das Bundesamt für kerntechnische Entsorgungssicherheit (BfE) ist für die Genehmigungen der Zwischenlager verantwortlich. Die Aufsicht über den ordnungsgemäßen Betrieb wird von den Behörden des betreffenden Bundeslandes wahrgenommen.

Die Zwischenlager in Deutschland sind als Trockenlager konzipiert. Brennelemente werden nach dem Einsatz im Reaktor zunächst mehrere Jahre im Nasslager des Kernkraftwerks eingestellt. Wenn die Aktivität und die Nachzerfallswärme ausreichend abgeklungen sind, ist eine Einlagerung in Transport- und Zwischenlagerbehälter (meist CASTOR®- oder TN®-Behälter) möglich. Die Behälter werden unter Wasser beladen, entwässert und der Behälterinnenraum wird getrocknet. Anschließend werden die Behälter mit einem Doppeldeckel luftdicht verschlossen. Die Behälter sind mit dem Inertgas Helium befüllt. Durch das reaktionsträge Gas werden Korrosionseffekte auf ein Minimum begrenzt.

Die bauliche Umsetzung von Zwischenlagern erfolgt nach dem sogenannten STEAG- oder dem WTI-Konzept. Beide Konzepte sehen eine Hallenkonstruktion aus Stahlbeton vor. Eine bauliche Ausnahme bildet das Zwischenlager am Standort Neckarwestheim, bei dem ein Tunnelkonzept in einem ehemaligen Steinbruch umgesetzt wurde. Bei den Konzepten STEAG und WTI wird die vom eingelagerten Kernbrennstoff ausgehende Wärmeleistung über eine Naturzugkühlung abgeführt. Naturzug heißt, dass die Belüftung des Lagerraums und der Behälter über Öffnungen in den Hallenwänden erfolgt.

Während das Lagergebäude in erster Linie einen Schutz vor Witterungseinflüssen sowie eine zusätzliche Abschirmung darstellt, müssen die Behälter nicht nur unter Lagerbedingungen, sondern auch bei extremen Belastungen unter Unfallbedingungen ihre Schutzfunktion aufrechterhalten.

Transportbehälterlager am Zwischenlager Ahaus (Quelle: Dietmar Rabich / Wikimedia Commons / “Ahaus, Transportbehälterlager -- 2014 -- 2321” / CC BY-SA 4.0)

Arbeiten der GRS zum Thema Zwischenlagerung

Die Betriebsgenehmigungen der Zwischenlager sind für 40 Jahre erteilt. So endet die Frist für das Zwischenlager Gorleben beispielsweise im Jahr 2034, die für das Zwischenlager Grohnde im Jahr 2042. Für eine Verlängerung der Zwischenlagerdauer muss ein neues Genehmigungsverfahren durchlaufen werden. Darin muss nachgewiesen werden, dass die Sicherheitsanforderungen auch weiterhin erfüllt sind. Übergeordnet bedeutet das, dass die sogenannten Schutzziele eingehalten werden. Diese umfassen den sicheren Einschluss des radioaktiven Inventars, die Abfuhr der Nachzerfallswärme, die Einhaltung der Unterkritikalität und die Vermeidung unnötiger Strahlenexposition. Konkret spielen im Hinblick auf eine Verlängerung der Betriebsgenehmigung insbesondere Alterungsprozesse eine Rolle, die das eingelagerte radioaktive Inventar sowie das Material der Behälter über die Jahre verändern. Neben technischen Fragestellungen werden auch betriebliche Aspekte, wie beispielsweise die Personalplanung oder die Dokumentation und der Wissenserhalt über längere Zeiträume betrachtet.

Die GRS befasst sich in mehreren Vorhaben mit den Sicherheitsaspekten der längerfristigen Zwischenlagerung. Im Rahmen von Arbeiten für das Bundesumweltministerium liegt das Hauptaugenmerk dabei auf der Frage, ob sich der Sicherheitsstandard der Zwischenlager über den geplanten Zeitraum von 40 Jahren hinaus aufrechterhalten lässt. Dazu untersucht und bewertet die GRS sicherheitsrelevante Aspekte – auch anhand eigener Berechnungen – und spricht bei Bedarf Empfehlungen aus. Darüber hinaus werden Optionen für zusätzliche Überwachungsmaßnahmen beziehungsweise Untersuchungsmethoden geprüft. Die GRS arbeitet dabei mit Partnern wie dem Öko-Institut, dem TÜV Nord EnSys und der Bundesanstalt für Materialprüfung zusammen.

Bislang geht man davon aus, dass die Brennelemente für die Endlagerung nochmals in andere Behälter umverpackt werden. Dazu ist es jedoch wichtig, dass die Brennelemente intakt und handhabbar sind. Im Auftrag des Ministeriums für Wirtschaft und Energie entwickelt die GRS Methoden und Softwareprogramme, die eine Simulation der längerfristigen Lagerung mit allen thermo-mechanischen Prozessen erlauben. Mit Hilfe der Simulationen lassen sich u. a. die Einflüsse von Temperatur und mechanischer Belastung auf die Brennelemente bestimmen. Durch Erweiterung des in der GRS entwickelten Simulationscodes TESPA-Rod lassen sich Prognosen zur Integrität der Brennelemente über längere Zeiträume ableiten.

Die GRS beteiligt sich zum Thema Zwischenlagerung auch aktiv am internationalen Erfahrungsaustausch und hat unter anderem im Juni 2018 einen Workshop organisiert, zu dem sich mehr als 60 Experten aus dem In- und Ausland trafen. Im Fokus standen dabei insbesondere die technischen Aspekte, die für eine verlängerte Zwischenlagerung von Bedeutung sein können.

Weiterführende Informationen

Interaktive Übersichtskarte des Bundesamts für kerntechnische Entsorgungssicherheit (BfE) zur Zwischenlagerung (ergänzt 9/2018)

Informationen des Bundesamts für kerntechnische Entsorgungssicherheit (BfE) zur Zwischenlagerung

Betreiber der dezentralen Zwischenlager: Gesellschaft für Zwischenlagerung (BGZ)

Empfehlung der Entsorgungskommission „Leitlinien für die trockene Zwischenlagerung bestrahlter Brennelemente und Wärme entwickelnder radioaktiver Abfälle in Behältern“

Bericht Deutschlands zur sechsten Überprüfungskonferenz im Mai 2018 auf den Seiten des BMU