Wozu überhaupt Wiederaufarbeitung?

Das Ziel der Wiederaufarbeitung von Atommüll – manchmal auch Wiederaufbereitung genannt – ist es, die verschiedenen Stoffe, die in abgebrannten Brennstäben enthalten sind, voneinander abzutrennen. Vor allem in den 1970er und 1980er Jahren hielt man die Wiederaufarbeitung für eine viel versprechende Methode, um den Verbrauch an Uran überschaubar zu halten und trotzdem große Mengen von Atomstrom zu erzeugen. In der Folge erwies sich diese Hoffnung jedoch als teurer und problematischer als zunächst gedacht.

Ursprünglich stammt das Konzept der Wiederaufarbeitung aus der militärischen Nutzung. Das Uran in Brennstäben ist ein Gemisch: Zum größten Teil besteht es aus dem schlecht spaltbaren Uran-238 und nur zu wenigen Prozent aus dem leicht spaltbaren Uran-235. In natürlich vorkommendem Uran ist der Anteil von Uran-235 sogar noch geringer. Er beträgt weniger als ein Prozent. Um einen Reaktor zu betreiben, muss man diesen Anteil nur leicht erhöhen. Um eine Atombombe zu bauen, benötigt man jedoch entweder hochangereichertes Uran-235 mit einem Anteil von über 80 Prozent oder möglichst reines Plutonium-239.

Der Weg zu einer Atombombe führt also entweder über große Anreicherungsanlagen für Uran-235 oder über die Gewinnung von Plutonium-239. Da Letzteres in der Natur nicht vorkommt, muss es in Kernreaktoren erbrütet werden. Der Prozess läuft im Grunde von ganz allein ab: Bei den Kernspaltungen im Reaktor werden laufend Neutronen frei, die dann ihrerseits weitere Uran-235-Kerne spalten. Manchmal werden die Neutronen jedoch auch von einem Uran-238-Kern eingefangen, der sich daraufhin in das sehr gut spaltbare Plutonium-239 umwandelt. Wird dieser von einem weiteren Neutron getroffen, kann er sich entweder spalten oder das Neutron einfangen, wodurch noch schwerere Stoffe entstehen.

Wenn man die Brennstäbe nach einiger Brennzeit wieder aus dem Reaktor entfernt, so sind drei verschiedene Arten von Substanzen in ihnen enthalten: erstens das übrig gebliebene Uran-238 sowie das noch unverbrauchte Uran-235, das zwar zu einem gewissen Prozentsatz "abgebrannt" ist, sich aber nach einer erneuten Anreicherung wieder als Brennstoff nutzen lässt. Zweitens die so genannten Transurane, also alle Stoffe, die schwerer als Uran sind und die durch die Anreicherung mit Neutronen entstanden sind. Der wichtigste hiervon ist Plutonium. Die dritte Art von Stoffen sind die Spaltprodukte. Wenn Uran-235 oder Plutonium-239 gespalten werden, zerfallen sie in eine Vielzahl leichterer Atomkerne. Ebenso wie die Transurane sind diese Stoffe hoch radioaktiv. Sie besitzen sehr unterschiedliche Halbwertszeiten von Sekundenbruchteilen bis zu Millionen von Jahren.

Wie funktioniert Wiederaufarbeitung?

Bei der Wiederaufarbeitung zerschneidet man die stark strahlenden Brennstäbe in entsprechend geschützten Anlagen in kleine Stücke und löst die Inhaltsstoffe mit Hilfe von Säuren und Lösungsmitteln in komplexen chemischen Verfahren heraus. Ein gebräuchliches Verfahren ist etwa der so genannte PUREX-Prozess, bei dem heiße Salpetersäure zum Einsatz kommt. Dadurch lassen sich vor allem Uran und Plutonium gut zurückgewinnen. Die Abtrennung der anderen Stoffe ist heute noch nicht mit der gewünschten hohen Reinheit möglich. Dies liegt unter anderem daran, dass sehr viele verschiedene Stoffe mit unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften vorliegen.

Wenn die Brennstäbe nur kurze Zeit im Reaktor waren, lässt sich auf diese Weise hochreines Plutonium-239 gewinnen. Dies ist das Standardverfahren für den Bau von Atombomben. Sind die Brennstäbe über einen längeren Zeitraum abgebrannt – in Kernkraftwerken üblicherweise drei Jahre –, dann haben sich durch die ständige Neutronenbestrahlung so viele unterschiedliche Isotope gebildet (wie etwa Plutonium-240 oder Plutonium-241), dass dieses Material kaum noch bombentauglich ist. Die großen Lagervorräte an Plutonium, die sich mittlerweile weltweit angesammelt haben, stellen dennoch ein Sicherheitsrisiko dar.

Man kann das Plutonium aber auch in so genannte Mischoxid-Brennelemente packen. Diese bestehen aus einer Mischung von Uran und Plutonium und lassen sich in Kernkraftwerken verfeuern. Auf diese Weise kann man aus einer bestimmten Menge an Natururan über den wiederholten Prozess des Erbrütens von Plutonium aus Uran und der Abtrennung aus den Brennstäben sehr viel mehr Energie herausholen als ohne Wiederaufarbeitung. Spezielle hierfür optimierte Reaktortypen wie der Schnelle Brüter haben sich auf Grund technischer Schwierigkeiten bislang zwar nicht durchgesetzt, international wird aber an neuen Konzepten geforscht.

Was kann Wiederaufarbeitung leisten – was nicht?

Die Wiederaufarbeitung taugt vor allem zur Gewinnung von Uran und Plutonium. Man kann mit bestimmten Verfahren aber auch die verschiedenen Anteile im Atommüll aus den abgebrannten Brennstäben herausfiltern. Der verbleibende Inhalt dieser Brennstäbe, die Transurane und die Spaltprodukte, machen den hoch radioaktiven Atommüll aus.

Die Hoffnung einiger Wissenschaftler, das Atommüllproblem zu verringern, besteht darin, zunächst die verschiedenen Stoffe im hoch radioaktiven Atommüll möglichst sauber zu trennen. Anschließend könnte man vielleicht eines Tages die langlebigen Stoffe per Transmutation in kurzlebigere umwandeln. Dann würde man keine Endlager mehr benötigen, die über den unabsehbaren Zeitraum von einer Million Jahren sicher sein müssten – sondern lediglich über etwa 1000 Jahre.

Hierzu benötigt man jedoch eine Wiederaufarbeitung, die die verschiedenen Substanzen extrem gut separieren kann. Gegenwärtig ist dies noch nicht möglich. So bleibt in den abgetrennten Stoffen immer noch ein gewisser Prozentsatz an anderen Substanzen enthalten. Die Wiederaufarbeitungstechnologie bedarf weiterer Fortschritte, um eine solche Behandlung von Atommüll zu ermöglichen.

Da der hoch radioaktive Atommüll im Vergleich zu den leicht oder mittelradioaktiven Stoffen mit weitem Abstand der gefährlichste ist, hegen einige Wissenschaftler die Hoffnung, dessen Menge deutlich reduzieren zu können. Zu den leicht- oder mittelradioaktiven Stoffen zählen unter anderem auch medizinische oder in der Wissenschaft und Industrie genutzte Substanzen. Sie müssen ebenfalls sicher gelagert werden, stellen jedoch eine sehr viel geringere Gefahr dar als abgebrannte Kernbrennstoffe.

Welche Gefahren birgt die Wiederaufarbeitung?

Brennstäbe sind aus hochfestem Material gefertigt, das alle Stoffe im Innern zurückhalten soll. Bei der Wiederaufarbeitung von Brennstäben werden diese zerschnitten und in ihre Einzelteile aufgelöst. Hierdurch gelangen zunächst alle Produkte der Kernspaltung in die Lösung beziehungsweise entweichen als Gas. Da bei der Kernspaltung ein wildes Gemisch unterschiedlichster Elemente entsteht, ist auch die chemische Behandlung entsprechend komplex. Einige Spaltprodukte – wie etwa radioaktive Edelgase – lassen sich auch nicht mit Filtern zurückhalten, sondern entweichen über hohe Schornsteine in die Umwelt, wo sie durch die Luft stark verdünnt werden.

Andere radioaktive Abfälle werden über die Abwässer ins Meer geleitet, wie etwa bei den Wiederaufarbeitungsanlagen in La Hague und Sellafield. Solange die Grenzwerte nicht überschritten werden, stellen diese Abfälle keine konkrete Gesundheitsgefährdung dar.

Der Prozess der Wiederaufarbeitung ist jedoch teuer und technologisch sehr komplex. Wiederholt ist es in Wiederaufarbeitungsanlagen zu Unfällen gekommen, bei denen Mitarbeiter hohen Strahlenbelastungen ausgesetzt wurden oder Radioaktivität jenseits der Grenzwerte freigesetzt wurde.

Abgesehen von den Strahlengefahren bereitet es starke Bedenken, dass bei der Wiederaufarbeitung große Mengen an Plutonium anfallen. Zwar taugt dieses Material, wenn es aus zivilen Kraftwerken stammt, nicht besonders gut für den Bau von Atombomben. Doch könnte es eventuell für eine vergleichsweise schwache und schwer kontrollierbare, wenngleich immer noch verheerende Bombe durchaus ausreichend sein. Teilweise hat man deshalb auch das teuer per Wiederaufarbeitung gewonnene Plutonium wieder mit Spaltprodukten "verdünnt", um es hierfür untauglich zu machen.

Welche Rolle spielt sie in der globalen Nuklearwirtschaft und Energiepolitik?

Aus den genannten Gründen geht die Nuklearwirtschaft weltweit zunehmend dazu über, abgebrannte Brennstäbe nach einer gewissen Abklingzeit direkt in CASTOR-Behälter zu packen und sie zwischen- und eines Tages vielleicht endzulagern. Auch die Wirtschaftlichkeit spricht im Augenblick nicht für die Wiederaufarbeitung.

Denn derzeit ist die Wiederaufarbeitung für zivile Zwecke nicht lukrativ. Das Uran und seine Anreicherung sind auf dem Weltmarkt so günstig zu haben, dass der höchst aufwändige Prozess der Wiederaufarbeitung schlicht unrentabel ist. Ökonomisch ist es da sinnvoller, die Brennelemente neu anzufertigen.

Zumindest im Augenblick. Wenn in Ländern wie China und Indien zahlreiche neue Kernkraftwerke ans Netz gehen und die Nachfrage nach Uran steigt, während die großen Uranminen sich zunehmend erschöpfen, könnte die Wiederaufarbeitung auch wirtschaftlich attraktiver werden. Gegenwärtig ist sie weniger ein Wirtschaftsfaktor als ein geostrategisches Instrument, mit dessen Hilfe sich einerseits militärische Programme betreiben und andererseits die Vorräte an zivilem Nuklearbrennstoff strecken lassen.