Kommentar | 21.01.2013

Pro Transmutation

Ein Lichtblick im Dunkel der Endlagerung?

Was den Atommüll zu reduzieren verspricht, sollte erforscht werden - auch die Transmutation, sagt Wolfgang Eberhardt. Schließlich tragen wir die Verantwortung für unsere strahlenden Hinterlassenschaften.

Mehr zum Thema finden Sie auf unserer Sonderseite "Transmutation"

Wolfgang Eberhardt

Die Transmutation von chemischen Elementen ist ein lange währender Traum der Menschheit. Im Mittelalter gab es unzählige Versuche, zum Beispiel Blei in Gold umzuwandeln. Viele Scharlatane versuchten mit der Idee der Transmutation zu Geld und Ruhm zu kommen, jedoch waren alle Aktivitäten der Alchemie in dieser Richtung Fehlschläge.

Seit der Entdeckung der Radioaktivität und deren Nutzung ist jedoch der wissenschaftliche Hintergrund der Transmutation von Elementen bekannt und auf eine solide physikalische Basis gestellt. Bei der Kernspaltung, zum Beispiel von Uran-235, dem für Reaktoren wichtigen Brennstoff, spaltet sich der Urankern in zwei leichtere Kerne wie Strontium und Xenon unter gleichzeitiger Emission von Neutronen auf. Die Neutronen erzeugen Wärme durch Streuung und können wiederum mit dem Uran zu schwereren Elementen wie Plutonium reagieren (transmutieren).

Zusätzlich zum Weg des radioaktiven Zerfalls können die Kernreaktionen auch durch Bestrahlung mit Neutronen gezielt stimuliert werden. Im Kernreaktor führt dieses zum beschleunigten Zerfall, zur so genannten Kettenreaktion, oder auch zum Erbrüten von Transuranen, die im "natürlichen" Spektrum der Elemente nicht vorhanden sind. Das Plutonium ist hier ein bekanntes Beispiel. Die Energie der Neutronen spielt dabei eine wesentliche Rolle: Langsame Neutronen führen eher zur Erbrütung schwererer Elemente, während energiereiche, schnelle Neutronen eher zur induzierten Kernspaltung führen.

Dieses ist der Hintergrund des Vorschlags, den hochaktiven nuklearen Abfall, vor allem die Transurane, in einem speziellen, beschleunigergetriebenen Reaktor in leichtere, weniger aktive oder toxische Elemente zu transmutieren. Der Bau einer solchen Versuchsmaschine wird derzeit in Belgien als europäisches Projekt (MYRRHA) in Angriff genommen. Die Funktionsweise beruht darauf, dass ein Protonenstrahl auf ein spezielles Target gelenkt wird, ein so genanntes Spallationstarget, das sich tief im Inneren eines Kernreaktors befindet. Dieses Target ist so ausgewählt und konstruiert, dass insbesondere schnelle, energiereiche Neutronen erzeugt werden. Ohne diesen zusätzlichen Neutronenfluss ist der Reaktor unterkritisch, das heißt, es findet nur der normale radioaktive Zerfall, aber keine Kettenreaktion statt. Dieses ist ein nicht zu unterschätzendes, essenzielles Sicherheitsmerkmal dieses Reaktortyps.

Der Brennstoff des Reaktors besteht aus dem hochaktiven Abfall, der umgewandelt werden soll. Das heißt, aus dem normalen Abfall der "abgebrannten" Brennelemente wird das Uran und Plutonium herausgelöst, da es in normalen Kernreaktoren weiter als Brennstoff eingesetzt werden kann, und nur der hauptsächlich aus Transuranen bestehende gefährliche, hochaktive Restabfall wird in den Reaktor eingebracht, um dort verbrannt zu werden.

Die "abgebrannten" Brennelemente dieses Transmutationsreaktors enthalten dann im idealen Fall keine Transurane mehr, und dieser Abfall muss deshalb nicht mehr 100 000 Jahre, sondern nur noch etwa 3000 Jahre sicher gelagert werden, bis die Aktivität genügend abgeklungen ist. Technisch gesehen wird man hier einen weiteren Separationsprozess einschalten, in dem unterhalb einer gewissen Schwelle die verbliebenen Transurane erneut abgetrennt werden. Mit jedem Transmutationsschritt wird nicht nur die Menge des Abfalls reduziert, sondern vor allem seine radiotoxische Qualität. Dieser Kreis kann mehrfach durchlaufen werden. Die zusätzliche Separation des Abfalls beinhaltet natürlich auch weitere Sicherheitsrisiken.

Zerfall des Atommülls mit und ohne Transmutation
  Zerfall des Atommülls mit und ohne Transmutation

Die Radiotoxizität abgebrannter Brennstoffe, gemessen in Sievert pro Tonne Schwermetall, wird stets auf diejenige von Natururan bezogen. Im Fall von Plutonium ist sie nach über 100 000 Jahren auf dessen Niveau abgesunken, im Fall der minoren Aktiniden nach rund 10 000 Jahren und bei Spaltprodukten bereits nach einigen hundert Jahren (Grafik links).

Unterschiedliche Rezyklierungsszenarien verändern das Bild (Grafik rechts). Durch einmalige Wiederaufarbeitung (blaue Kurve) wird nach rund 10 000 Jahren das Niveau von Natururan erreicht. Durch P&T verbessert sich dieser Wert noch: Im realen Betrieb könnten sich Werte einstellen, die zwischen der orangefarbenen und der roten Kurve liegen. Die Radiotoxizität der hoch radioaktiven Bestandteile des Atommülls wäre dann bereits nach einigen tausend Jahren auf das Niveau von Natururan gefallen.

Als Endresultat steht jedoch fest: Eine Reduktion der Abfallmenge und insbesondere der Abfalllagerzeit des nach der Transmutation verbleibenden Restabfalls von 100 000 auf einige tausend Jahre würde eine wesentliche Verbesserung der Situation darstellen, mit deren Lösung die Menschheit insgesamt konfrontiert ist.

Die Abwärme, die bei diesem Transmutations- beziehungsweise nuklearen Verbrennungsprozess entsteht, kann dann wie in einem konventionellen Kernreaktor zur Stromerzeugung der gesamten Anlage verwandt werden. Rechnungen zeigen, dass mehr Strom produziert werden kann, als für den Betrieb der gesamten Anlage benötigt wird.

Reaktorbau trotz "Atomausstieg"?

Macht es Sinn, jetzt einen neuen Reaktortyp zu entwickeln, nachdem wir in Deutschland gerade den Ausstieg aus der Kernenergie beschlossen haben?

Die europäische Demonstrationsanlage MYRRHA ist ein Forschungsprojekt, das die physikalisch-technologische Machbarkeit des Transmutationskonzepts belegen soll. Als solches Forschungsprojekt ist es unverzichtbar und wird wesentliche Erkenntnisse liefern, die für die Umsetzung des Transmutationskonzepts zur Abfallbeseitigung der Nukleartechnik unerlässlich sind. Insofern ist für dieses Projekt die Antwort auf die eben aufgeworfene Frage ein eindeutiges und nachdrückliches "Ja".

Ein Erfolg des MYRRHA-Projekts bedeutet jedoch auch, dass danach in Europa und weltweit mehrere solcher Anlagen gebaut werden müssten, wenn damit das Abfallproblem angegangen werden soll. Wie viele solche Anlagen benötigt werden und was diese an Investitionen erfordern werden, ist derzeit noch offen. Dieses hängt insbesondere auch von den Anlagenparametern und der Skalierbarkeit der Prozesse ab.

Spätestens seit dem Reaktorunfall in Fukushima ist in Deutschland die Stromerzeugung mit Kernreaktoren gesellschaftlich nicht mehr akzeptiert. Deshalb hat die Bundesregierung auch den Ausstieg aus der Kernenergie beschlossen und die kurz vorher beschlossene Laufzeitverlängerung der Kernkraftwerke rückgängig gemacht. Bis zum Jahr 2022 sollen die letzten noch in Betrieb befindlichen Kernkraftwerke in Deutschland abgeschaltet werden.

Auch die Wissenschaft muss hieraus lernen, dass es zwar in unserer hochtechnologisierten Welt gelingt, die technischen Risiken zu berechnen und weitestgehend auszuschließen, dass aber der menschliche Faktor in vielen Fällen, vom Verkehrsunfall bis zum Flugzeugabsturz oder Reaktorunfall, das weitaus größere Risiko darstellt, das auch viel schwieriger auszuschließen ist. In der Beurteilung dieser Risiken spielt es natürlich auch eine Rolle, wie viele Menschen diesem Risiko ausgesetzt werden. In Deutschland könnten von einem Reaktorunfall Millionen von Menschen geschädigt werden, in einem wesentlich weniger dicht besiedelten Land wie in Russland oder den USA sieht diese Bewertung deutlich anders aus.

Weltweite Atommüllmenge wächst und wächst

Trotz dieser wesentlichen Bedenken stellt sich auch die Frage, wie die Situation in Deutschland und weltweit bewertet werden muss, wenn die Erforschung und, sofern es sich als technologisch skalierbar und machbar erweist, die Umsetzung der Transmutation in der Abfallprozessierung nicht verfolgt wird. Hier ist natürlich der erste Schritt schon mit MYRRHA als europäischem Projekt in Angriff genommen, und die Umsetzung kann und sollte erst dann diskutiert werden, wenn die Resultate und Erkenntnisse von MYRRHA und den dieses Projekt begleitenden Forschungsaktivitäten vorliegen.

Seit dem Beginn der militärischen und zivilen Nutzung der Kernenergie haben wir eine große Menge an hochradioaktivem Abfall produziert, für den wir die Verantwortung haben. Durch diese Nutzung wurde sowohl die Menge als auch die Gefährlichkeit des radioaktiven Materials auf der Erde erhöht. Weltweit sind derzeit mehr als 400 Kernkraftwerke in Betrieb, und diese Zahl wird weiter anwachsen. Insbesondere auch die (streng geheime) militärische Nutzung radioaktiver Elemente und Prozesse hat und wird leider auch in Zukunft noch große Mengen an hochaktivem Abfall beitragen. Die nukleare Gefahr kennt jedoch keine politischen Grenzen. Ein Kernkraftwerk nahe an der Grenze oder der Abfall, der aus der zivilen oder militärischen nuklearen Nutzung, zum Beispiel in Frankreich, produziert und angesammelt wurde, stellt auch eine Gefahrenquelle für die Menschen in Deutschland dar. Einzig und allein die Entfernung von der Quelle beinhaltet eine gewisse relative Sicherheit, wobei jedoch die Erfahrungen aus Tschernobyl und mit Vulkaneruptionen zeigen, dass sich die Schadstoffe weltweit sehr schnell ausbreiten, sobald diese in die Atmosphäre gelangen.

Auf Deutschland bezogen haben wir bisher rund 14 000 Tonnen hochradioaktiven Abfall angesammelt, der für mindestens 100 000 Jahre "sicher" gelagert werden muss, bis die Radioaktivität durch den natürlichen Zerfall entsprechend abgeklungen ist. Diese Menge an hochradioaktivem Abfall wird durch den Rückbau der stillgelegten Kraftwerke sowie deren weiteren Betrieb bis 2022 noch deutlich weiter anwachsen. Darüber hinaus wird auch weiterhin durch die Nutzung in Wissenschaft und Forschung, Medizin und Technologie radioaktiver Abfall in deutlich geringeren Mengen in Deutschland produziert werden, selbst wenn es keine Stromerzeugung mit Kernkraft in Deutschland geben wird. Wir haben als Gesellschaft die Verantwortung, dass wir uns selbst, unsere Umwelt und Nachbarn und insbesondere auch unsere Nachkommen vor Schaden bewahren.

Dieser Müll ist in doppelter Hinsicht für Menschen oder Umwelt gefährlich: Erstens ist er sehr stark radioaktiv strahlend, und zweitens sind insbesondere die Transurane und ihre Verbindungen hochgiftig, so dass geringste Mengen ausreichen würden, das Trinkwasser zu verseuchen. Eine "sichere" Lagerung bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Kontakt dieser Stoffe mit der lebenden Umwelt oder mit Menschen ausgeschlossen wird. Dieses bedeutet nicht nur eine technische Sicherheit gegen eine unkontrollierte Freisetzung der Stoffe; auch der beabsichtigte Zugriff durch terroristische oder kriminelle Aktivitäten muss ausgeschlossen werden.

Alternative Endlager

In Deutschland wurde bisher das Konzept der Einlagerung in einem Salzstock verfolgt, während andere Länder, wie zum Beispiel Schweden oder die Schweiz, Lagerstätten in Granit beziehungsweise Ton verfolgen. Die Erfahrungen mit der Einlagerung im Salzbergwerk Asse in Deutschland haben gezeigt, wo die Problematik dieses Konzepts, nicht nur technisch und geologisch, sondern insbesondere auch wieder im Bereich des menschlichen Handelns liegt. Wenn man einen Zeitraum von mehr als 100 000 Jahren vor Augen hat, dann ist keine dieser Lagerstätten und keines dieser Konzepte absolut sicher. Technisch stellt insbesondere das Eindringen von Wasser, das die eingelagerten radioaktiven Stoffe aus einem nicht mehr intakten Behälter herauslösen und unkontrolliert verbreiten kann, eine Gefahrenquelle dar. Geologische Veränderungen der Gesteinsschichten, in die der Abfall deponiert wurde, lassen sich über einen solchen Zeitraum auch nicht absolut ausschließen.

Neben der geologischen und technischen Sicherheit erfordern sichere Zwischen- und Endlager auch stabile politisch-soziale Verhältnisse über den entsprechenden Zeitraum. Dieser Aspekt wird bisher nur wenig diskutiert, aber es gibt historisch betrachtet keine Gesellschaft, die über 100 000 Jahre stabil war. Die Gefahr eines Missbrauchs einer solchen Lagerstätte in Zeiten politischer Instabilität ist keinesfalls zu vernachlässigen.

Das Fazit dieser Betrachtungen ist: Es gibt kein absolut sicheres Endlager für Atommüll. Unter diesem Aspekt ist eine Reduktion der notwendigen Lagerungszeit ein wesentlicher, wenn nicht unersetzlicher Beitrag zur Sicherung des Nuklearabfalls.

Wenn das Konzept der Abtrennung und Transmutation, das nicht nur die Abfallmenge, sondern insbesondere die nötige Einlagerungszeit von 100 000 Jahren drastisch auf einen fast überschaubaren Zeitraum von etwa 3000 Jahren reduzieren kann, großtechnisch umsetzbar und skalierbar ist, dann stellt dieses einen wesentlichen Fortschritt in der Behandlung dieses weltweiten Sicherheitsrisikos für die Menschheit dar. Diese Ansicht wird auch von der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) geteilt. Dieses wäre ein wichtiger Schritt, unserer Verantwortung gegenüber unseren Nachfahren nachzukommen, die wir mit dem bisher angehäuften radioaktiven Abfällen über Hunderttausende von Jahren belasten.

Die Frage, ob eine Transmutationsanlage auch in Deutschland gebaut werden sollte, kann und sollte man jedoch erst nach Abschluss der jetzt mit dem europäischen Projekt MYRRHA begonnenen Forschungs- und Demonstrationsphase diskutieren.

Lesen Sie dazu auch den Kontra-Kommentar "Transmutation dürfte das Atommüllproblem nicht lösen" von Wolfgang Liebert

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© Spektrum.de
Wolfgang Eberhardt

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