So könnte man Atommüll recyceln – Transmutation

Dieser hoch radioaktive Abfall, der nur rund fünf Prozent des gesamten Atommüll-Volumens 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.

Etwa ein Prozent der Elemente aus den alten Brennstäben ließe sich mit Transmutation umwandeln, zum Beispiel Plutonium, Americium, Neptunium und Curium, auch als Transurane bekannt. Sie strahlen besonders lange haben also eine lange Lebensdauer, die sich durch die Transmutation verkürzen ließe. Und sie 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 die Langlebigkeit von Atommüll deutlich reduzieren

Transmutation bringt zunächst mehrere Vorteile:

• Auch nach der Transmutation strahlt der radioaktive Atommüll noch, die Radioaktivität klingt aber schneller ab: Die Transmutation führt dazu, dass die Strahlung des auf diese Weise behandelten Atommülls nach 500 bis 1000 Jahren auf das Niveau von natürlich vorkommendem Uranerz abgeklungen ist.
• Damit reduziert sich 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. Ein Knackpunkt: Nach der Transmutation strahlt der Abfall zunächst stärker, weil durch die Umwandlung mehr kurzlebige Spaltprodukte entstehen – aber dazu gleich mehr.
• Wenn durch Umwandlung weniger hoch radioaktive Elemente im Abfall sind, bräuchte man dafür auch weniger Platz im Endlager. Durch Transmutation, so schätzen Wissenschaftler:innen, ließe sich das Volumen hoch radioaktiver, Wärme entwickelnder Abfälle auf 9.500 bis 12.900 Kubikmeter reduzieren, also auf etwa ein Drittel. Man bräuchte allerdings zusätzlichen Lagerplatz für rund 100.000 Kubikmeter schwach- und mittelradioaktiven Abfall, der durch die Transmutation zusätzlich entsteht. 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. Man unterscheidet zwischen:

1. einem beschleunigerbetriebenen System
2. einem reaktorbetriebenen System.

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 dafür sorgt, dass am Ende Neutronen entstehen. Denn 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 – auch, wenn heutige Reaktoren dafür mittlerweile viele Sicherheitsvorkehrungen eingebaut haben.
• Der Nachteil: Transmutationsanlagen entschärfen den Atommüll "nur", sie sind aber weniger zur Energiegewinnung geeignet.

Transmutation im Reaktor

In den alten Brennstäben steckt aber noch jede Menge Energie, die durch Kernspaltung freigesetzt werden kann. Den Atommüll entschärfen und daraus gleichzeitig Energie gewinnen – das ließe sich in reaktorbetriebenen Systemen umsetzen, etwa in Leistungsreaktoren mit schnellen Neutronen.

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 somit auch in speziellen Leistungsreaktoren der Atommüll – also Plutonium und die Transurane Neptunium, Americium und Curium – umwandeln. Aber nicht nur das:

• Treffen die "abgebremsten Neutronen" auf das stabile Isotop Uran-238, das ebenfalls in großen Mengen (~ 95 Prozent) als Abfall in den alten Brennstäben steckt, kann Plutonium entstehen bzw. erbrütet werden, wie es Fachleute nennen.
• Das auf diese Weise entstandene Plutonium wiederum kann durch weiteren Neutronenbeschuss transmutiert werden.
• Bei diesen Umwandlungsprozessen wird Energie freigesetzt, die der Reaktor 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.

• Mit Transmutation ließe sich ein Teil unseres stark radioaktiven Abfalls entschärfen – in reaktorbetriebenen Systemen ließe sich auf diese Weise sogar zusätzlich Energie gewinnen.
• Erste Reaktorbetriebene Systeme gibt es bereits – allerdings ist die Technologie noch nicht ausgereift. In Deutschland könnte sie aufgrund der politischen Entscheidung zum Atomausstieg ohnehin nicht genutzt werden.
• Für Deutschland blieben nur beschleuniger-betriebene Systeme (Transmutationsanlagen), die bisher aber nicht weit genug entwickelt sind.
• Ein Endlager für stark radioaktiven Abfall wäre selbst dann nötig, wenn wir Transmutations-Technologien nutzen würden – auch, wenn es weniger Platz benötigen würde.

Um die Suche nach einem passenden Endlager werden sowohl Deutschland als auch andere Länder also 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 und damit auch zur Bekämpfung des Klimawandels möglicherweise zu spät kommen?

In Deutschland ist zumindest die politische Entscheidung gegen neue Reaktoren bereits gefallen.

Trotzdem sind, bis die Einlagerung des Atommülls – laut Plan im Jahr 2050 – beginnt, auch in Deutschland Forschungsexpertise und neue Ideen gefragt, wie man langlebige radioaktive Spaltprodukte entschärfen kann.

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.

Autor:innen: Lara Schwenner, Reinhart Brüning