So könnte man Atommüll recyceln – Transmutation

Atommüll ist nicht gleich Atommüll. Der Begriff umfasst schwach radioaktiven Abfall wie kontaminierte Schutzkleidung, mittel radioaktiven Abfall, etwa Teile aus dem Kraftwerk wie Rohre oder Isolationselemente, und hoch radioaktiven Atommüll: Damit sind in der Regel die abgebrannten Brennstäbe aus den Reaktoren gemeint, die sehr lange strahlen, während ihres Zerfalls viel Wärme erzeugen und deshalb in tonnenschweren Behältern aus Stahl und Gusseisen, dem Castor, gelagert werden.

Dieser hoch radioaktive Abfall, der nur rund 10 Prozent des gesamten Atommülls ausmacht, aber 99 Prozent seiner Radioaktivität erzeugt, ließe sich noch weiter nutzen: mit Transmutation. Bei dem Verfahren wird hochradioaktiver, langlebiger Atommüll mit sehr energiereichen, schnellen Neutronen beschossen, gespalten und in Isotope mit deutlich kürzerer Lebensdauer verwandelt. So zumindest das Grundprinzip der Transmutation, das 1964 erstmals beschrieben wurde.

Zwar lässt sich nur ein Bruchteil (1 Prozent) der Elemente aus den alten Brennstäben  mit Transmutation umwandeln, doch es sind genau die problematischen: Plutonium, Americium, Neptunium und Curium, auch als Transurane bekannt. Sie geben besonders viel radioaktive Strahlung ab, haben eine lange Lebensdauer und gehören zu den Stoffen, für die es am schwierigsten ist, ein sicheres Endlager zu finden. Vor der Transmutation müssen diese Transurane durch chemische Prozesse aus dem Brennstab herausgelöst werden.

Transmutation könnte Halbwertszeit von Atommüll reduzieren

Auch nach der Transmutation strahlt der radioaktive Atommüll noch, aber deutlich weniger: Denn die Halbwertszeit des nuklearen Abfalls lässt sich durch das Verfahren auf 500 bis 1000 Jahre reduzieren – und damit auch die Zeit, die der Abfall in einem sicheren Endlager verbringen müsste. Zur Erinnerung: Für den unbehandelten Atommüll wird nach Endlagern gesucht, die den Abfall eine Million Jahre beherbergen.

Wenn durch Umwandlung weniger hoch radioaktive Elemente im Abfall sind, bräuchte man dafür auch weniger Platz im Endlager. Durch Transmutation, so schätzen Wissenschaftler, ließe sich das Volumen hoch radioaktiver, Wärme entwickelnder Abfälle um ein Drittel auf etwa 9500 Kubikmeter reduzieren. Zwar bräuchte man stattdessen mehr Platz für schwach und mittelradioaktiven Abfall – 400.000 statt 300.000 Kubikmeter . Hierfür sind aber nicht so strenge Sicherheitsvorkehrungen nötig, ein Lager hierfür wäre einfacher zu finden.

Zwei verschiedene Varianten der Transmutation

In der Praxis sind zwei verschiedene Anwendungen der Transmutationstechnologie denkbar, die sich vor allem darin unterscheiden, wie die für die Transmutation notwendigen schnellen Neutronen erzeugt werden. Die erste Option wäre eine Transmutationsanlage, die den hoch radioaktiven Atommüll umwandelt, die Halbwertszeit der strahlenden Isotope deutlich reduziert und somit den nuklearen Abfall entschärft – ein sogenanntes beschleunigerbetriebenes System.

Ein wichtiger Bestandteil dieser Anlage ist ein Teilchenbeschleuniger, der Neutronen erzeugt. Damit Transmutation überhaupt stattfinden kann, werden schnelle Neutronen benötigt, die auf den hoch radioaktiven Abfall geschossen werden, um diesen zu spalten. Der Vorteil: In Transmutationsanlagen würde – anders als in Kernreaktoren, die zur Energiegewinnung eingesetzt werden – keine sich selbst erhaltende Kettenreaktion stattfinden, die im schlimmsten Fall einen nuklearen Unfall verursachen könnte. Der Nachteil: Energie ließe sich mit dieser Methode nicht gewinnen.

Transmutation im Reaktor

In den alten Brennstäben steckt jedoch noch jede Menge Energie, die durch Kernspaltung freigesetzt werden kann. Anwenden ließe sich diese zweite Option in reaktorbetriebenen Systemen – etwa in Leistungsreaktoren, auch als „schnelle Brüter“ bekannt. Diese Reaktoren schaffen es, die schnellen Neutronen, die bei jeder üblichen Kernspaltung entstehen, am Leben zu erhalten. Denn hier wird statt Wasser – wie es in den meisten zurzeit betriebenen Reaktoren der Fall ist – metallisches Natrium als Kühlmittel eingesetzt, das die Neutronen, wenn sie entstehen, nicht abbremst.

Mit den am „Leben gehaltenen“ schnellen Neutronen lässt sich auch in Brutreaktoren der Atommüll – also Plutonium und die Transurane Neptunium, Americium und Curium – umwandeln. Aber nicht nur das: Auch das stabile Isotop Uran-238, das ebenfalls in großen Mengen (~ 95 Prozent) als Abfall in den alten Brennstäben steckt, kann mit den schnellen Neutronen gespalten werden: und zwar in Plutonium, das durch weiteren Neutronenbeschuss transmutiert werden kann. Bei diesen Umwandlungsprozessen wird Energie freigesetzt, die der schnelle Brüter einfangen kann.

Der Atommüll aus den Brennstäben  wird in Leistungsreaktoren, also unter Energiegewinnung, recycelt. Anders als in Transmutationsanlagen (beschleunigerbetriebenes System) kann in Leistungsreaktoren (reaktorbetriebenes System) allerdings eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion entstehen, die einen Reaktorunfall zumindest theoretisch möglich macht.

Transmutation könnte die Halbwertszeit und somit die Lagerung von hoch radioaktiven Abfällen deutlich reduzieren – und je nach eingesetzter Technologie dabei sogar Energie erzeugen. Auch der Flächenbedarf für die Lagerung des hoch radioaktiven Abfalls würde sich durch Transmutation reduzieren, was die Standortwahl für ein Endlager erleichtern könnte.

Aber: Auch mit Transmutation wäre ein Endlager für hoch radioaktive Abfälle nach wie vor notwendig. Denn die für die Transmutation geeigneten Spaltprodukte lassen sich nie zu 100 Prozent umwandeln. Außerdem gibt es eine beachtliche Menge an hoch radioaktivem Abfall, der bereits verglast ist und somit nicht mehr umgewandelt werden könnte. Auch für Abfälle, die nur schwach bis mittelradioaktiv sind, wäre ein Ort zur sicheren Verwahrung notwendig. Hinzu kommt, dass reaktorbetriebene Systeme während ihrer Laufzeit weitere schwach und mittelradioaktive Abfälle erzeugen würden.

Heißt: Um die Suche nach einem passenden Endlager werden sowohl Deutschland als auch andere Länder nicht herumkommen. Es stellt sich lediglich die Frage: Soll unser nuklearer Abfall ohne Behandlung für eine Million Jahre in ein – bisher nicht existentes – Endlager? Oder könnte ein Teil des Atommülls transmutiert werden – mit Technologien, die viel Geld kosten und in absehbarer Zeit nicht zur Verfügung stehen?

Unabhängig davon, wie die (politische) Entscheidung ausfällt, sollte sich Deutschland wenigstens an der Erforschung der Transmutation  beteiligen. Denn bis die Einlagerung des Atommülls – laut Plan im Jahr 2075 – beginnt, ist auf dem Gebiet auch in Deutschland Forschungsexpertise gefragt. Auch neue Ideen, wie man langlebige radioaktive Spaltprodukte entschärfen kann, gilt es, weiter zu erforschen. Zum Beispiel mit laserbasierten Verfahren. Erste Experimente dazu gibt es bereits von Gérard Mourou und Donna Strickland, den Nobelpreisträgern aus dem Jahr 2018. Ob dieser Ansatz auch technisch machbar ist, bleibt  zu prüfen.

Autorin: Lara Schwenner