1. Abbau uranhaltigen Erzes in Minen

Uran ist ein natürlich vorkommendes Metall, das in bestimmten Gesteinen enthalten ist. Es wird in Minen abgebaut – entweder im Tagebau, Untertagebau oder durch den sogenannte Lösungsbergbau (In-situ-Leaching-Verfahren). Wichtige Förderländer sind z. B. Kanada, Australien, Kasachstan und Niger.

2. Extraktion des Urans aus dem Gestein und Konversion des Uranhexafluorids

Der Urangehalt der abgebauten Erze beträgt typischerweise 0,2 %. Nach dem Abbau des Uranerzes wird es in speziellen Anlagen chemisch behandelt, um das Uranoxid (U₃O₈) herauszulösen. Es entsteht das Handelsprodukt „Yellow Cake", das etwa 70 bis 75 % Uran enthält. Das im Yellow Cake enthaltene Uran weist die natürliche Isotopenzusammensetzung von 0,7 % U-235 und 99,3 % U-238 auf.

Damit das Uran für die Anreicherung geeignet ist, wird der Yellow Cake in Uranhexafluorid (UF₆) überführt. Dieser Schritt findet in sogenannten Konversionsanlagen statt.

3. Anreicherung des Urans

Natürliches Uran besteht hauptsächlich aus Uran-238 (ca. 99,3 %) und zu einem kleinen Teil aus Uran-235 (ca. 0,7 %). Für den Einsatz in den meisten Kernkraftwerken wird Uran mit einem Anteil von 3 bis 5 % des spaltbaren Isotops U-235 benötigt. Deshalb muss das Uran an U-235 angereichert werden. Dazu wird zunächst Uranhexafluorid in die Gasphase überführt und anschließend in Zentrifugen angereichert. Das Anreicherungsverfahren nutzt den Massenunterschied zwischen dem Uranhexafluoridmolekülen U-235 und U-238 um diese beiden Komponenten zu trennen. Das Produkt der Anreicherungsanlage ist Uranhexafluorid, dessen U-235 Anteil ca. 3 bis 5 % beträgt.

4. Fertigung der mit Kernbrennstofftabletten gefüllten Brennelemente

In einer Brennelementefabrik wird das Uranhexafluorid mittels chemischer Reaktionen in Urandioxid (UO₂) konvertiert. Das UO₂ wird getrocknet, zu einem feinen Pulver verarbeitet und anschließend zu kleinen, zylinderförmigen Pellets gepresst. Diese Pellets werden bei über 1.700 °C gesintert (gebrannt), wodurch sie sehr fest und widerstandsfähig werden. Die fertigen Uran-Pellets werden in metallische Hüllrohre aus einer speziellen Zirkonium-Legierung gefüllt. Man erhält so einzelne Brennstäbe, die zu Brennelementen zusammengesetzt werden. Brennelemente eines Druckwasserreaktors enthalten ca. 500 Kilogramm Uran, Brennelemente eines Siedewasserreaktors ca. 200 Kilogramm Uran.

 Derzeit sind in Deutschland die nachfolgend aufgeführten Anlagen zur Versorgung mit Kernbrennstoffen in Betrieb.

• Urananreicherungsanlage in Gronau 
• Brennelementefabrik in Lingen.

Diese Einrichtungen erfüllen eine wesentliche Funktion in der Produktion und Bereitstellung von Brennstoffen für Kernkraftwerke.

Die Einsatzzeit der Brennelemente im Reaktor beträgt in der Regel drei bis vier Jahre. Aufgrund der Kernspaltungen nimmt der Anteil des spaltbaren U-235 ab, und es entstehen radioaktive Spaltprodukte sowie nennenswerte Mengen des neuen, zum Teil spaltbaren Kernbrennstoffs Plutonium. Alle Tätigkeiten zur Behandlung, Aufarbeitung und Beseitigung der abgebrannten Brennelemente werden zusammenfassend als Entsorgung bezeichnet.

Zwei Arten der Entsorgung abgebrannter Brennelemente werden international verfolgt:

1. Wiederaufarbeitung mit Rückgewinnung und Wiederverwendung der nutzbaren Anteile Plutonium und Uran:

In einer nuklearen Wiederaufarbeitungsanlage werden abgebrannte Brennelemente aus Kernkraftwerken behandelt, um verwertbare Materialien zurückzugewinnen – vor allem Uran und Plutonium. Diese Stoffe können erneut als Brennstoff verwendet werden. 

Zunächst werden die Brennelemente in heiße Säurebäder gegeben, um das Metall aufzulösen. Dabei werden die verschiedenen Bestandteile chemisch voneinander getrennt. Das zurückgewonnene Uran kann für neue Brennelemente genutzt werden, Plutonium wird häufig für sogenannte Mischoxid-Brennstoffe (MOX) eingesetzt. 

Der verbleibende hochradioaktive Abfall wird zwar reduziert, jedoch nicht vollständig eliminiert. Daher ist es erforderlich, ihn über viele tausend Jahre hinweg sicher zu lagern. 

Die Wiederaufarbeitung stellt einen technisch anspruchsvollen Prozess dar, der mit sicherheitstechnischen Risiken einhergeht.

oder

2. direkte Endlagerung:
Hier wird das gesamte Brennelement einschließlich des darin noch enthaltenen Urans und Plutoniums nach einer Zwischenlagerung zum Zerfall der kurzlebigen Radionuklide und damit verbundener Reduzierung der zerfallsbedingten Wärmeentwicklung als radioaktiver Abfall entsorgt. Dazu werden in einer Konditionierungsanlage die Brennelemente zerlegt, in endlagerfähige Gebinde verpackt und dann als radioaktiver Abfall endgelagert.

Aufgrund gesetzlicher Vorgaben ist in Deutschland seit 2005 nur noch die direkte Endlagerung abgebrannter Brennelemente zulässig.

In Deutschland sind

• zentrale und dezentrale Brennelementzwischenlager sowie
• eine (Pilot-) Konditionierungsanlage in Gorleben

als Anlagen zur Kernbrennstoffentsorgung in Betrieb.

Um den bestmöglichen Standort in Deutschland für ein Endlager hochradioaktiver Abfälle zu finden, findet unter Aufsicht des BASE ein mehrstufiges Suchverfahren statt. In diesem Endlager sollen auch die abgebrannten Brennelemente aus deutschen Reaktoren in tiefen Gesteinsschichten sicher eingeschlossen werden.