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Atommüll

Partitionierung & Transmutation

Morpheus2309 at the German language Wikipedia [CC BY-SA 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0), GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/li
10.11.2017

Forderungen nach Rückholbarkeit bzw. nach einer langfristigen Oberflächenlagerung („Zwischenlagerung“) des hoch radioaktiven Atommülls werden gerne mit dem Risiko eines Wassereinbruchs in ein tiefengeologisches Endlager begründet. Weniger bekannt sind andere Motive für den Erhalt des Zugangs zu dem spaltbarem Atommaterial: Ein potenzielles Interesse an Atomwaffen, sowie das Konzept, den Atommüll wiederaufzuarbeiten und in neuartigen Reaktoren unter anderem Plutonium in kurzlebigere Radionuklide umzuwandeln. Dieses Konzept wird als „Partitionierung & Transmutation“ (P&T) bezeichnet. Vor diesem Hintergrund wird immer wieder die Frage aufgeworfen, ob der Zugriff auf den hoch radioaktiven Atommüll für mehrere Jahrhunderte gewährleistet bleiben und auf die Errichtung eines tiefengeologischen „Endlagers“ verzichtet werden sollte. Zahllose Gründe sprechen dagegen.

 

Was ist Partitionierung & Transmutation?

Für die PR-Abteilungen der Atomindustrie ist die so genannte Partitionierung & Transmutation eine Methode, um den Atommüll unschädlicher zu machen. Diese Verfahren sollen die Möglichkeit bieten, dass nicht nur die Gesamtaktivität im Endlager für wärmeentwickelnde Abfälle über die Zeit schneller abnimmt, sondern auch deren Radiotoxizität. Verfahren der Partitionierung und Transmutation (P&T) von abgebranntem Kernbrennstoff aus Kernkraftwerken befinden sich derzeit in Forschung und Entwicklung.

Partitionierung zielt auf die Auftrennung des Brennstoffes in Uran, die Aktiniden Plutonium (Pu), Neptunium (Np), Americium (Am) und Curium (Cm) sowie die Spalt- und Aktivierungsprodukte ab. Es ist eine Art "Wiederaufarbeitung". Für die Partitionierung müssten allerdings chemische Verfahren entwickelt werden, die über die existierenden Wiederaufarbeitungsverfahren, z. B. den PUREX-Prozess, hinausgehen.

Die Transmutation zielt auf die Umwandlung von Plutonium und der Aktiniden Neptunium, Americium und Curium in kurzlebigere Spaltprodukte ab. Für diesen Prozess müssten neuartige Schnelle Brutreaktoren entwickelt und betrieben werden.

 

Untersuchungen der Endlagerkommission

Im Kontext der Kommission Lagerung hoch radioaktiver Abfallstoffe (Endlagerkommission) wurde gutachterlich untersucht und erörtert, ob eine Transmutations-Strategie eine Alternative zur tiefengeologischen Lagerung mit nur zeitlich eng begrenzter Rückholbarkeit darstellen könnte. Nachfolgend werden die wesentlichen Argumente dokumentiert, mit denen die Transmutations-Strategie verworfen wurde.

 

1. Anwendbarkeit auf Brennelemente aus Leistungsreaktoren

Die Transmutation zielt lediglich darauf ab, die beim Betrieb von Kernreaktoren entstehenden langlebigen Nuklide der Elemente Plutonium, Neptunium, Americium und Curium (sogenannte Transurane) nach vorheriger Abtrennung (Partitionierung) in stabile oder kurzlebige Nuklide umzuwandeln. Unter langlebigen Radionukliden werden in dem hier diskutierten Zusammenhang Nuklide mit Halbwertszeiten von mehr als circa 10.000 Jahren verstanden.

Damit würde aber nur ein Teil des Problems angegangen. Neben den Transuranen befinden sich in den abgebrannen Brennelementen zudem auch noch langlebige Spalt- und Aktivierungsprodukte. Die Transmutation dieser Radionuklide wird in der Transmutationsforschung "aber praktisch nicht verfolgt".

Das bedeutet: Selbst wenn die vorgeschlagenen Transmutations-Konzepte gelingen würden, würden sie für die langlebigen Spalt- und Aktivierungsprodukte in den Brennelementen der Leistungsreaktoren keine Lösung darstellen.

 

2. Anwendbarkeit auf verglaste WAA-Abfälle

Auch für eine weitere Behandlung der bereits verglasten hoch radioaktiven Wiederaufarbeitungs (WAA)-Abfälle ist Transmutation nach heutigem Stand von Wissenschaft und Technik nicht geeignet.

 

3. Anwendbarkeit auf Kernbrennstoff aus Forschungsreaktoren

Für Brennelemente aus Forschungs- und Prototypreaktoren sind die heute diskutierten Verfahren ebenfalls nicht anwendbar, so dass sich die Anwendung des Verfahrens nur auf die Brennelemente aus Leistungsreaktoren bezieht.

 

4. Möglichkeit der Beseitigung langlebiger Abfälle

Selbst bei optimistischen Annahmen verbleiben bei der Transmutation hoch radioaktive beziehungsweise langlebige Abfälle, die einer Endlagerung bedürfen.

 

5. Gefahren von Transmutations-Brennelementen

Aus den separierten Transuranen werden im nächsten Schritt frische Brennelemente gefertigt.

Auch die Entwicklung von Brennstoffen, die neben Plutonium weitere Aktiniden wie Neptunium, Americium und Curium enthalten, befindet sich noch in einem relativ frühen Stadium – insbesondere für die uranfreien Brennstoffe zum Einsatz in beschleunigergetriebenen Reaktoren.

Eine Problematik bei Brennelementfertigung, -transport und -handhabung der Transmutations-Brennelemente stellen die hohe Gammastrahlung und die, insbesondere von Curium ausgehende, Neutronenstrahlung dar. Sie erfordern massive Abschirmungen und fernbediente Hantierung und führten bereits zu Überlegungen, auf Abtrennung und Transmutation der Curiumisotope zu verzichten. Für die uranfreien Brennstoffe existieren außerdem noch keine Verfahren zur Abtrennung der Spaltprodukte von der Matrix, so dass über die resultierenden Abfallprodukte hinsichtlich Volumen und Eigenschaften derzeit keine Aussagen möglich sind.

 

6. Aufwand

Die Transmutations-Brennelemente müssten nach erfolgter Transmutation erneut wiederaufgearbeitet werden, um danach den Zyklus erneut zu durchlaufen. Da in jedem Durchlauf nur ein Teil der Transurane umgewandelt werden kann, ergibt sich daraus eine Vielzahl von erforderlichen Umläufen. Zwischen den verschiedenen Schritten sind zudem Zwischenlager und Transporte verschiedener radioaktiver Stoffe erforderlich.

Da der Prozess nicht zu einer vollständigen Transmutation der langlebigen Aktiniden führt, sind im Ergebnis nach wie vor hoch radioaktive sowie erhebliche Mengen schwach- und mittelradioaktive (Sekundär-)Abfälle zu entsorgen.

 

7. Zeitbedarf

Aufgrund des noch sehr frühen Entwicklungsstadiums erscheinen für die Entwicklung aller notwendigen P&T-Technologien bis zur industriellen Reife aus heutiger Sicht zunächst mindestens vier bis fünf Jahrzehnte erforderlich, gegebenenfalls auch deutlich mehr.

Bezogen auf das in Deutschland nach Beendigung der Kernenergienutzung vorhandene Inventar abgebrannter Brennelemente und bei einer angestrebten Reduzierung der darin enthaltenen 140 t Transurane auf 10 Prozent des Ausgangswerts müssten anschließend durchschnittlich zwischen fünf und sieben Transmutations-Reaktoren sowie die erforderliche Infrastruktur zur Wiederaufarbeitung (Partitionierung) kontinuierlich über 150 Jahre in Betrieb sein. Anfänglich könnten aufgrund der großen Menge an Transuranen auch 16 Reaktoren erforderlich werden, nach 100 Jahren noch etwa 3 bis 4 Reaktoren. Unterstellt man geringere Reaktorleistungen können sich auch Betriebszeiten von 200 bis 300 Jahren ergeben.

Der Zeitpunkt für den Verschluss eines Endlagers für hoch radioaktive Abfälle würde sich deutlich in die Zukunft verschieben, sei es durch eine spätere Inbetriebnahme oder eine längere Offenhaltung. Verbunden wäre dies mit sicherheitstechnischen Konsequenzen und Auswirkungen für die Sicherung.

 

8. Weiterer Zeitbedarf zwecks Verringerung der Endlager-Fläche

Um eine nennenswerte Reduzierung der Wärmeleistung zu erreichen, müssten die durch P&T entstehenden Spaltprodukte nach der Transmutation noch etwa weitere 300 Jahre in einem obertägigen Zwischenlager abklingen.

 

9. Preis

Über den Preis eines P&T-Systems sind derzeit nur sehr grobe Abschätzungen mit großen Bandbreiten möglich. Je nach Konzept wären für Forschung und Entwicklung 25 bis 60 Milliarden Euro zu veranschlagen, für die Bereitstellung der erforderlichen Anlagen weitere 40 bis 350 Milliarden Euro. Die mit Transmutationsanlagen erzeugbare elektrische Energie kann hierzu lediglich einen Deckungsbeitrag liefern.

 

10. Auswirkungen auf Anforderungen an „Langzeitsicherheit“

Der erforderliche Isolationszeitraum für die Endlagerung wird sich nicht verringern, da die potenzielle Dosis, die langfristig aus der Endlagerung resultiert, nicht durch die Transurane sondern durch die für P&T nicht zugänglichen langlebigen Spalt- und Aktivierungsprodukte bestimmt wird. Die Transurane gelten unter Endlagerbedingungen als weitgehend immobil. Die insgesamt vorhandene Spaltproduktmasse würde sich hingegen erhöhen, je nach Transmutationskonzept sogar in etwa verdoppeln. Daneben ist wesentlich, dass die Abfälle aus der Wiederaufarbeitung in Form verglaster Abfallprodukte das langlebige Aktivitätsinventar des Endlagers bestimmen und einer Transmutation aus heutiger Sicht nicht zugänglich sind.

 

11. Menge der schwach- und mittelradioaktiven Abfälle

Die Menge der schwach- und mittelradioaktiven Abfälle vergrößert sich durch die bei P&T anfallenden Sekundärabfälle (zum Beispiel Betriebs- und Rückbauabfälle) erheblich um schätzungsweise 150.000 – 170.000 m³.

 

12. Proliferations-Risiko

Im Falle der großtechnischen Umsetzung einer P&T-Strategie in Deutschland würde während der Betriebszeit mit einigen Tonnen abgetrennter Transurane jährlich umgegangen werden, von denen insbesondere Plutonium, aber in geringerem Maße auch Neptunium und Americium zum Bau von Kernwaffen missbräuchlich verwendet werden könnten. Bei den Anlagen zur Wiederaufarbeitung und Brennstoffherstellung, bei denen diese Stoffe separiert gehandhabt werden, bestünden über mehrere hundert Jahre (s.o.) kontinuierlich hohe Anforderungen an die Spaltmaterialkontrollen, aber auch an die Anlagensicherung.

Nach erfolgter Transmutation wäre das Risiko einer Proliferation entsprechend reduziert beziehungsweise ausgeschlossen.

Dem gegenüber steht das Szenario einer Wiedergewinnung kernwaffenfähiger Stoffe aus einem Endlager. Dies erfordert die Rückholung oder Bergung der Abfälle und die daran anschließende Abtrennung der gewünschten Spaltstoffe. „Diese Maßnahmen sind mit erheblichem Aufwand verbunden, dürften für subnationale Akteure undurchführbar sein und würden durch Maßnahmen der Spaltmaterialüberwachung detektiert werden.“

 

13. Anforderungen an gesellschaftspolitische Stabilität und Frieden

Die Nutzung einer P&T Strategie erfordert für die kommenden Jahrhunderte stabile staatliche Verhältnisse inklusive einer entsprechenden Infrastruktur für Wissenserhalt, Ausbildung, Betrieb, Forschung und Entwicklung. Damit würde eine P&T-Strategie die Verantwortung für Behandlung und Endlagerung der hoch radioaktiven Abfälle weitgehend auf die zukünftigen Generationen verlagern.

 

Fazit

Die Endlagerkommission kam zu dem Urteil, dass die P&T-Technologie keine Vorteile für die Endlagerung radioaktiver Abfälle bringe und empfahl daher auch keine Verfolgung einer P&T-Strategie.

Die Tatsache, dass die Atomindustrie international dennoch P&T-Technologien als Lösungsansatz für Atommüllprobleme anpreist, liegt eher in dem Wunsch nach einer prospektiven Sicherung von Arbeitsplätzen und Profiten begründet als in einem tatsächlichen Interesse an einer Entlastung zukünftiger Generationen.

Partitionierung und Transmutation von Atommüll würde für die Gesellschaft zusätzliche Kosten und zusätzliche Risiken bedeuten und für die Atomindustrie zusätzliche Profite.

Von Henrik Paulitz


Quellen

ABSCHLUSSBERICHT der Kommission Lagerung hoch radioaktiver Abfallstoffe. Vorabfassung. K-Drs. 268. 4. Juli 2016.

Brenk Systemplanung GmbH: Gutachten zum Thema „Transmutation“. Aachen. 10. Oktober 2015. Vorgelegt für die Kommission Lagerung hoch radioaktiver Abfallstoffe. K-MAT 45. 3. Dezember 2015.

Öko-Institut/Universität Hamburg: Gutachten „Transmutation“. Hamburg/Darmstadt. 08.12.2015. Vorgelegt für die Kommission Lagerung hoch radioaktiver Abfallstoffe. K-MAT 48. 3. Dezember 2015.

 

Weitere Informationen:

 

 

Foto: Morpheus2309 at the German language Wikipedia [CC BY-SA 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0), GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/li

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