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Entsorgung von Kernbrennstoffen



Der Anteil der Kernenergie an der Stromerzeugung beträgt heute weltweit etwa 17 Prozent, 433 Kernkraftwerke sind in Betrieb. In Deutschland produzieren 19 Kernkraftwerke rund ein Drittel des elektrischen Stroms. Beim Betrieb von Kernkraftwerken fallen hochradioaktive abgebrannte Brennelemente an. Diese enthalten außer dem Hauptbestandteil Uran noch Spaltprodukte und Transuranelemente, insbesondere Plutonium. Experten rechnen bis zum Jahr 2000 weltweit mit etwa 220000 Tonnen abgebranntem Kernbrennstoff, die rund 1400 Tonnen Plutonium enthalten. In Deutschland werden rund 8300 Tonnen mit 82 Tonnen Plutonium erwartet.

Die sichere Entsorgung radioaktiver Abfälle und damit ihre nachhaltige Entfernung aus der Biosphäre ist zum Schutz heutiger und zukünftiger Generationen unerläßlich. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, Endlager in tiefen geologischen Formationen einzurichten. Sie sollen sicherstellen, daß aufgrund der dort vorliegenden geophysikalischen und -chemischen Bedingungen eine Ausbreitung (Migration) der radioaktiven Elemente in die Biosphäre für alle Zeit unterbleibt. Da einige Radionuklide sehr lange Halbwertszeiten aufweisen, sind für die Sicherheit der Endlager Zeiträume zu berücksichtigen, die weit in die Zukunft reichen. Diese lassen sich aus den Radiotoxizitätsindizes ableiten, die ein Maß für die schädlichen Auswirkungen der Radionuklide auf den Menschen sind. In den ersten 100 Jahren tragen vor allem die Spaltprodukte zur Radiotoxizität bei, dann nimmt die Bedeutung von Plutonium (dessen wichtigstes Isotop, das Plutonium-239, eine Halbwertszeit von 24110 Jahren besitzt) und anderen Actiniden (das sind die 14 Elemente mit den Ordnungszahlen 90 bis 103) zu. Die Forschung zur Langzeitsicherheit von Endlagern muß sich folglich auf das geochemische Verhalten langlebiger Radionuklide konzentrieren, um ihre räumliche und zeitliche Ausbreitungswahrscheinlichkeit zu bewerten.

International werden heute zwei Entsorgungswege beschritten: Einerseits werden die abgebrannten Brennelemente als Abfall betrachtet, in Großbehälter verpackt und – über eine Zwischenlagerung – ins Endlager gebracht (direkte Endlagerung). Andererseits erfolgt deren Wiederaufbereitung mit dem Ziel, Uran und Plutonium für die weitere Energiegewinnung zu rezyklieren. Dabei entstehen hochradioaktive flüssige Abfälle, die nach dem Einschmelzen in Glas (Verglasung) ebenfalls zwischen- und später endgelagert werden. Hochradioaktive Abfälle, wie abgebrannte Brennelemente und Glasprodukt aus der Wiederaufbereitung, machen nur etwa 5 Prozent des gesamten Volumens der radioaktiven Abfälle aus, sie enthalten aber 99 Prozent des bei der Kernenergiegewinnung anfallenden Radioaktivitätsinventars. Welcher Entsorgungsweg beschritten wird, hängt von ökonomischen und politischen Faktoren ab. In Deutschland sind beide Varianten gesetzlich zugelassen. Als Endlager für hochradioaktive Abfälle ist der Salzstock Gorleben vorgesehen, der zur Zeit auf seine Eignung überprüft wird.

Mehrere aufeinanderfolgende technische und natürliche Barrieren (Multibarrierensystem) sollen den sicheren Einschluß der radioaktiven Abfälle im Endlager gewährleisten. Sie müssen verhindern, daß beispielsweise durch Wasserzutritt langlebige Radionuklide freigesetzt werden und früher oder später in die Biosphäre gelangen. Die innerste (technische) Barriere ist das Abfallgebinde, bestehend aus Abfallprodukt und Behälter. Dann folgt eine geotechnische Barriere aus Verfüllmaterial, das heißt ausgewählte Mineralstoffe für die verbliebenen Hohlräume in den Einlagerungskammern, und untertägige Damm- und Abschlußbauwerke. Die geologische Barriere schließlich bilden das umgebende Wirtsgestein (in Gorleben ist es Salz) und das Deckgebirge über dem Endlager.

Für jede dieser Barrieren müssen die geochemischen Prozesse untersucht und beurteilt werden, die zur Freisetzung oder Rückhaltung von Radionukliden führen. Szenarien für das geologische Langzeitverhalten von Endlagern zeigen, daß eine Ausbreitung von Radionukliden nur über Wasser als Transportmedium möglich ist. Tritt Wasser mit endgelagerten Abfällen in Kontakt, können sich die Abfallprodukte mit der Zeit teilweise auflösen; begleitet wird dieser Prozeß von der Bildung neuer fester Mineralphasen aus Korrosionsprodukten der Abfälle und der umgebenden Geomatrix. Radionuklide werden dabei aus dem Abfallprodukt herausgelöst und können in die neuen Festphasen eingebaut und dadurch immobilisiert werden. Das Ausmaß von Freisetzung und Rückhaltung wird durch das geochemische Milieu bestimmt, da Radionuklide einer Vielzahl von Prozessen unterworfen sein können, wie zum Beispiel Redoxreaktionen, Hydrolyse, Komplexierung, Sorption und Desorption, Remineralisation oder Kolloidbildung. Für die einzelnen Barrieren läßt sich das Ausmaß der Mobilisierung beziehungsweise Immobilisierung berechnen und damit die Freisetzung von Radionukliden entlang jeder Barriere quantitativ bewerten.

In Deutschland betreiben verschiedene Institutionen Forschung zum Nachweis der Langzeitsicherheit von Endlagern (zum Beispiel das Bundesamt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Hannover, die Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit, Köln, das Institut für Sicherheitsforschung und Reaktortechnik am Forschungszentrum Jülich, das Institut für Nukleare Entsorgungstechnik und die Projektträgerschaft Entsorgung, beide am Forschungszentrum Karlsruhe). Einige interdisziplinäre Forschungsprojekte werden von der Europäischen Kommission koordiniert und in enger Zusammenarbeit mit zahlreichen europäischen Forschungseinrichtungen durchgeführt. Dabei gehen die Wissenschaftler der Frage nach, wie sich abgebrannte Brennelemente und hochradioaktives Glas unter den im Endlager vorliegenden Bedingungen verhalten. Auch die Migration langlebiger Radionuklide unter Berücksichtigung der geochemischen Verhältnisse der einzelnen Barrieren wird untersucht. Der Nachweis des sicheren Einschlusses der radioaktiven Abfälle in einem Endlager über sehr lange Zeiträume kann nicht experimentell, sondern nur rechnerisch geführt werden. Hierfür sind Rechenmodelle erforderlich, die sich auf experimentelle Forschungsergebnisse stützen.

Am Institut für Nukleare Entsorgungstechnik des Forschungszentrums Karlsruhe untersuchen wir das geochemische Verhalten langlebiger Radionuklide, insbesondere der Transuranelemente, unter den im Nah- (technische und geotechnische Barriere) und Fernbereich (geologische Barriere) eines Endlagers vorhandenen Bedingungen. Die experimentellen Ergebnisse fließen in geochemische Modelle ein, die, gekoppelt mit weiteren Modellen zum Radionuklidtransport über den Wasserpfad, eine quantitative Aussage zur Ausbreitung langlebiger Radionuklide erlauben. Diese Ergebnisse tragen maßgeblich dazu bei, einen wissenschaftlich fundierten Nachweis für die Langzeitsicherheit eines Endlagers zu erbringen. Die Forschung zur sicheren Entsorgung radioaktiver Abfälle ist deshalb ein Bestandteil der gesellschaftlichen Vorsorge und liefert einen wichtigen Beitrag zur umweltverträglichen Nutzung der Kernenergie.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 2 / 1999, Seite 946
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
2 / 1999

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 2 / 1999

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