Logo Wissenschaft im Dialog Wissenschaft im Dialog

Zurück zu „Wie?So!“

Gibt es Ansätze, die Halbwertszeit von Atommüll zu verkürzen? Lässt sich Atommüll zur Energiegewinnung nutzen, kann man also eine Art Atommüllrecyclingkraftwerk bauen?

19. November 2010

  • E Technik

Gibt es Ansätze, die Halbwertszeit von Atommüll zu verkürzen?
Lässt sich Atommüll zur Energiegewinnung nutzen, kann man also eine Art Atommüllrecyclingkraftwerk bauen? 

Ja, es gibt Ansätze, hochradioaktiven langlebigen Abfall so zu behandeln, dass seine Strahlung deutlich schneller abklingt. Das Verfahren heißt Abtrennung und Umwandlung, im Fachjargon „Partitioning und Transmutation“: Die hochradioaktiven Bestandteile werden zunächst aus den abgebrannten Brennstäben herausgelöst, zu neuen “Brennelementen“ umgearbeitet und dann durch Beschuss mit sehr energiereichen Neutronen in andere Stoffe umgewandelt. Diese haben kürzere Halbwertszeiten oder sind sogar stabil, also nicht mehr radioaktiv.

Im Labor konnten alle wesentlichen Schritte dieses Verfahrens bereits durchgeführt werden. Ob es auch in der großtechnischen Anwendung funktioniert, soll in einer experimentellen Pilotanlage (MYRRHA) im belgischen Kernforschungszentrum in Mol erprobt werden. Das Verfahren könnte nach Meinung vieler Wissenschaftler die Menge des hochradioaktiven Abfalls aus Kernkraftwerken, der sicher endgelagert werden muss, reduzieren und die Dauer der Endlagerung drastisch verkürzen.

Hochradioaktive Atome in Brennstäben

In heute üblichen Kernkraftwerken wird das Isotop Uran 235 für die Energiegewinnung genutzt. Isotope sind Atome einer Elementsorte. Sie haben alle die gleiche Anzahl an positiv geladenen Teilchen (Protonen) in ihren Kernen, unterscheiden sich aber durch die Zahl der neutralen Teilchen (Neutronen) dort. Der Kern des Uran 235 etwa enthält 92 Protonen und 143 Neutronen, bei Uran 238 sind es ebenfalls 92 Protonen, aber 146 Neutronen. Dringt ein weiteres Neutron in den Kern des Uran 235 ein, wird das Isotop instabil und zerfällt. Es entstehen zwei leichtere Atomkerne und zwei bis drei einzelne Neutronen. Die ebenfalls frei werdende Wärmeenergie wird zur Stromerzeugung genutzt.

Treffen die losgelösten Neutronen auf ein weiteres Uran 235, läuft erneut eine Kernspaltung ab. Es kommt zur Kettenreaktion, die bei kontrolliertem Verlauf die Wärme- und Stromerzeugung im Kernkraftwerk sicher stellt. Die Neutronen können aber auch auf andere Uran-Isotope treffen, die ebenfalls in den Brennstäben enthalten sind, etwa auf Uran 238. Auch dann kommt es zu Umwandlungsprozessen. Es entstehen andere hochradioaktive Atome, vor allem Plutonium, Neptunium, Americium und Curium.

Umwandlung in weniger strahlende Isotope

Etwa ein Prozent der abgebrannten Brennstäbe besteht aus diesen hochradioaktiven Isotopen. Sie strahlen sehr lange und haben Halbwertszeiten zwischen zehntausenden und hunderttausenden Jahren. Beim Zerfall senden sie unter anderem Alpha-Strahlung aus, die bei Aufnahme in den menschlichen Körper die Zellen stark schädigt. Das Verfahren der Transmutation soll diese Stoffe in Isotope umwandeln, deren Radioaktivität deutlich schneller abklingt.

Dazu müssen sie zunächst, etwa durch chemische Reaktionen, aus den Brennstäben herausgelöst werden. Die abgetrennten Isotope werden zu neuen „Brennelementen“, so genannten Transmutationselementen, verarbeitet und in einer Transmutationsanlage mit sehr energiereichen Neutronen bestrahlt. Dadurch kommt es, ganz ähnlich wie im Kernkraftwerk, zur Kernumwandlung und zur Spaltung der Isotope. Es entstehen Isotope mit geringeren Halbwertszeiten.

Verkürzte Endlagerung

Das Verfahren der Abtrennung und Umwandlung kann mehrfach wiederholt werden. Nur die dann übrig bleibenden „Reste“ sowie Bestandteile, die bei der Abtrennung der hochradioaktiven Isotope aus den abgebrannten Brennstäben der Kernkraftwerke übrig bleiben, müssten sicher endgelagert werden. Dies wäre allerdings nicht über sehr lange geologische Zeiträume von mehreren hunderttausend Jahren erforderlich, wie bei den unbehandelten Brennelementen aus Kernkraftwerken. Stattdessen würde eine Endlagerung über einen historischen Zeitraum von etwa 500 Jahren ausreichen.

Obwohl die Neutronen in einer solchen Transmutationsanlage aufwändig erzeugt werden müssen, produziert die Anlage mehr Energie, als sie für ihren Betrieb benötigt. Die restliche Energie könnte also zur Stromerzeugung eingesetzt werden. Dient die Anlage auch nicht in erster Linie diesem Zweck, so könnte man doch von einem „Atommüllrecyclingkraftwerk“ sprechen.

Pilotanlage in 20 Jahren

Noch ist dies allerdings Zukunftsmusik und viele Fragen, etwa zur Abtrennung der hochradioaktiven Isotope, zur Brennstoffherstellung, zur Materialwahl und zur Neutronenerzeugung, müssen noch geklärt werden. Bis eine erste Demonstrationsanlage ihren Betrieb aufnimmt, dürften noch an die 20 Jahre vergehen.

Angesichts der internationalen Renaissance der Kernenergie sehen viele Wissenschaftler in diesem Verfahren jedoch eine wichtige Alternative zur direkten Endlagerung, die unter dem Gesichtspunkt der Rückholbarkeit auch wissenschaftlich vorangetrieben und technisch umgesetzt werden muss. Zurzeit werden weltweit 57 neue Kernkraftwerke in 14 Ländern gebaut.

Wie funktioniert eine Transmutationsanlage?

Eine Transmutationsanlage besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten: einem Protonenbeschleuniger, einem so genannten Spallationstarget und dem „Brennelement“ mit den hochradioaktiven Isotopen.

Die ersten beiden Komponenten dienen der Erzeugung sehr energiereicher Neutronen. Protonen aus dem Beschleuniger rasen mit hohen Geschwindigkeiten auf das Spallationstarget, das aus einem schweren flüssigen Metall besteht. Beim Aufprall zerplatzen die Metallatome und pro Proton werden bis zu 50 Neutronen freigesetzt. Mit diesen sehr energiereichen Neutronen werden die umzuwandelnden Isotope in den um das Spallationstarget angeordneten „Brennelementen“ beschossen. Durch Kernumwandlung und Kernspaltung entstehen Isotope mit leichteren Kernen. Diese haben eine weitaus geringere Radiotoxizität (das ist die gesundheitliche Gefährdung für den Menschen) und eine kürzere Halbwertszeit.

Kein GAU

Anders als beim Leichtwasserreaktor (das ist der heute am häufigsten verwendete Kernkraftwerkstyp) stammen die energiereichen Neutronen nicht aus einer sich selbst erhaltenden Kettenreaktion. Vielmehr müssen sie extern erzeugt werden. Wird der Protonenstrahl, der die Neutronen aus dem Spallationstarget herausschlägt, abgeschaltet, entstehen keine weiteren Neutronen, die Spaltung stoppt. Die Gefahr eines Kernschmelzunfalls (auch GAU genannt), bei dem die Kettenreaktion außer Kontrolle gerät und der Reaktor „durchbrennt“, besteht also nicht. Bestehen bleibt jedoch die grundsätzliche Gefahr der Proliferation, also der Herstellung und Weitergabe von Material zum Atombombenbau. Aufgrund der hohen Strahlung und Giftigkeit der Transmutations-Brennelemente, die nur mit Robotern gehandhabt werden können, scheint ein Missbrauch jedoch unwahrscheinlich. 

Die Frage wurde beantwortet von Dr.-Ing. Joachim Knebel, Karlsruher Institut für Technologie und Sprecher des Helmholtz-Programms Nukleare Sicherheitsforschung.

(Redaktion WiD: urs)