Test mit Neutronenbeschuss

Lässt sich die Endlagerzeit von Atommüll verkürzen?

Von Manfred Lindinger
26.11.2021
, 22:01
Castorbehälter mit radioaktivem Müll in einem Zwischenlager
Wohin mit dem ganzen radioaktiven Abfall aus Kernkraftwerken? In Belgien entsteht ein Demonstrationsreaktor, der das Entsorgungsproblem zum Teil lösen könnte.
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Auch wenn Ende des kommenden Jahres hierzulande die letzten sechs der ehemals 17 Kernkraftwerke vom Netz gehen, werden die radioaktiven Relikte einer einst blühenden Kernenergiewirtschaft noch für lange Zeit erhalten bleiben. Denn auf die Frage „Wohin mit dem radioaktiven Abfall?“ gibt es bis heute keine wirklich zufriedenstellenden Antworten. Weltweit wächst der Berg abgebrannter Brennstäbe um rund 260.000 Tonnen pro Jahr. 17.000 Tonnen liegen allein in Deutschland in Abklingbecken oder verglast in Castorbehältern in Zwischenlagern und harren einer ungewissen Zukunft. Denn noch immer ist kein geeignetes Endlager gefunden, in dem die langlebigsten Abfallprodukte der Kernspaltung tief in der Erde sicher verstaut werden können – und das mindestens für eine Million Jahre, wie es das deutsche Standortauswahlgesetz fordert. Danach haben die Radionuklide die Aktivität von natürlichem Uran erreicht und gelten als unbedenklich. Einzig in Finnland wird es in drei Jahren ein Endlager für radioaktiven Abfall geben. In der Anlage Onkalo auf der Insel Olkiluoto sollen in 500 Meter Tiefe zumindest 6500 Tonnen langlebige Radionuklide Platz finden.

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Verschärft wird das Problem dadurch, dass sich weltweit derzeit 50 neue Kernkraftwerke im Bau befinden. Entsprechend wird die Menge brisanten Abfalls weiter wachsen. Da klingt eine Idee verlockend, die wie moderne Alchemie anmutet: die Transmutation von langlebigem hoch radioaktivem Abfall in Substanzen mit deutlich kürzeren Halbwertszeiten, indem man sie mit schnellen Neutronen aus einem Beschleuniger bestrahlt. Statt hunderttausende Jahre, so die Vorstellung, würde der radioaktive Abfall dann nur noch tausend Jahre lang strahlen. Die Endlagerzeit verkürzte sich somit auf einen vergleichsweise überschaubaren Zeitraum. Auch die Menge des einzulagernden Abfalls könnte dadurch deutlich verringert werden.

Was bislang nur im Labor funktioniert – dem Physik-Nobelpreisträger Carlo Rubbia war es in den Neunzigerjahren gelungen, radioaktives Plutonium durch Neutronen umzuwandeln, die mithilfe eines Beschleunigers produziert wurden –, soll nun in Belgien erstmals auf seine großtechnische Machbarkeit hin erprobt werden. Nahe der Stadt Mol entsteht auf dem Gelände der Kernforschungsanlage SCK-CEN derzeit die europäische Transmutationsanlage „Myrrha“. Sie besteht, wenn sie – wie geplant – in rund zehn Jahren fertiggestellt sein wird, im Wesentlichen aus einem rund 400 Meter langen Linear-Beschleuniger für Protonen samt Neutronenquelle und einem unterkritischen Kernreaktor.

Bild: F.A.Z.-Grafik

Das Prinzip klingt einfach (siehe Grafik): Protonen, die in dem Teilchenbeschleuniger auf hohe Energien gebracht werden, schlagen aus einem speziellen Material schnelle Neutronen heraus (Spallation). Diese neutralen Kernbausteine treffen in dem Reaktor auf die Brennelemente mit dem radioaktiven Abfall und induzieren Kernspaltungen. Dabei entstehen Radionuklide, deren Halbwertszeiten deutlich kürzer sind als die der langlebigen Radionuklide in den Brennelementen.

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Die großen Hürden von Myrrha

Als Brennstoffe sollen Plutonium sowie die minoren Actiniden Neptunium, Americium und Curium verwendet werden – Elemente, die als unerwünschte Nebenprodukte in einem konventionellen Kernreaktor in großen Mengen entstehen. Die Isotope sind äußerst langlebig und als Alpha-Strahler radiotoxisch. Sie erzeugen starke Strahlenschäden, wenn sie freigesetzt und über die Atemluft oder über die Nahrungskette in den Körper gelangen.

„Wenn man diese Radionuklide loswerden könnte, wäre schon viel gewonnen“, sagt Walter Tromm vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Tromm entwickelt und untersucht mit seinen Kollegen im Flüssigmetalllabor unter anderem die Kühlflüssigkeit, eine Blei-Wismut-Schmelze, für den Myrrha-Reaktor. Das Gemisch hat den Vorteil, dass es für schnelle Neutronen durchlässig ist und effizient kühlt. Dazu muss es die Brennelemente in dem Myrrha-Reaktor gleichmäßig umströmen. Tromm ist sicher, dass das funktionieren wird.

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Wesentlich schwieriger sei die Aufbereitung der Brennelemente. „Diese müssen, damit die Transmutation effizient abläuft, eine hohe Konzentration an minoren Actiniden aufweisen“, sagt Tromm. Während es für die Aufbereitung von Plutonium etablierte Verfahren gibt, ist die chemische Abtrennung der Actiniden aus ausgebrannten Brennstäben in hoher Reinheit und Konzentration deutlich schwieriger. Die Elemente sind chemisch sehr ähnlich und haben einen Anteil von nur 0,1 Prozent am Abbrand. Noch gibt es für Myrrha keine geeigneten Brennelemente, die zudem lizenziert sind.

Illustration der künftigen beschleunigerinduzierten Transmutationsanlage Myrrha in Belgien: Rechts das Reaktorgebäude, links die lange Halle für den Teilchbeschleuniger.
Illustration der künftigen beschleunigerinduzierten Transmutationsanlage Myrrha in Belgien: Rechts das Reaktorgebäude, links die lange Halle für den Teilchbeschleuniger. Bild: Myrrha

Die rund 400 am Aufbau der Transmutationsanlage beschäftigten Wissenschaftler von 30 europäischen Instituten – darunter das KIT, das Forschungszentrum Jülich, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und die Universität Frankfurt – haben noch genügend Entwicklungszeit. Denn vor dem Reaktor soll der Teilchenbeschleuniger fertiggestellt werden, der energiereiche Protonen auf die eigentliche Neutronenquelle im Inneren des Reaktors lenkt, einen Tank gefüllt mit flüssigem Blei und Wismut. Der Myrrha-Beschleuniger wird sich von den Anlagen an den Forschungszentren deutlich unterscheiden. Denn er muss äußerst zuverlässig seinen Protonenstrahl liefern, um ausreichend schnelle Neutronen für die Kernspaltung produzieren zu können.

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Im Betrieb darf der Protonenstrahl nicht länger als drei Sekunden ausfallen, sonst enden die neutroneninduzierten Kettenreaktionen, und der Reaktor fährt runter. Das hat zwar den Vorteil, dass der Reaktor, anders als konventionelle Kernkraftwerke, nie in den kritischen Bereich gelangen kann. „Für den Transmutationsbetrieb ist ein längerer Ausfall aber unpraktisch“, sagt Tromm. Alle zentralen Komponenten des Teilchenbeschleunigers müssen deshalb eine hohe Redundanz aufweisen. Fällt ein System aus, muss das andere sofort einspringen. Deshalb wird Myrrha über zwei Protonenquellen und zwei dem eigentlichen Linearbeschleuniger vorgeschaltete Vorbeschleuniger (Injektoren) verfügen.

„Die Anlage ist hochkomplex und wird etwa 100 Megawatt an thermischer Energie liefern. Dreißig Prozent werden als Strom für den Betrieb des Teilchenbeschleunigers benötigt“, sagt Tromm. Im Betrieb wird Myrrha, deren Kosten sich auf 1,6 Milliarden Euro belaufen, mindestens ein Jahr lang ununterbrochen laufen. So lange wird die Transmutation der Brennelemente dauern. Danach erfolgt die Wiederaufarbeitung des Brennstoffs. Und die Transmutation beginnt von Neuem.

Ein leistungsfähiger Nachfolger von Myrrha mit einem Reaktor im Gigawattbereich, könnte auf diese Weise jedes Jahr den radioaktiven Abfall mehrerer Kernkraftwerke entschärfen, schätzt Tromm. Der überschüssige Strom könnte in das Netz eingespeist werden. Auf ein Endlager für die produzierten Radionuklide und die nicht transmutierbaren Spaltprodukte aus den Kernkraftwerken – die Isotope Jod-129, Technetium-99, Chlor-36 – wird man aber dennoch nicht verzichten können.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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