Reduktion langlebiger Spaltprodukte

Aktuell wird wieder einmal in der Fachliteratur die Beseitigung von langlebigen Spaltprodukten diskutiert.

Das Problem

Irgendwann ist jedes Brennelement erschöpft und muß erneuert werden. Die „abgebrannten“ Brennelemente werden von „Atomkraftgegnern“ gern als „Atommüll“ verunglimpft, obwohl sie recycelt werden können. Sie bestehen noch zu rund 96% aus Uran und Plutonium, die erneut als Brennstoff genutzt werden könnten. Sicherheitstechnisch betrachtet, stellt ihre ionisierende Strahlung ein – durchaus unterschiedliches – Problem dar. Es sind daher dauerhafte Abschirmungen in der Form von Wasserbädern, Sicherheitsbehältern etc. notwendig.

Der Faktor Zeit

Je länger die Halbwertszeit ist, um so länger dauert es, bis dieser Stoff verschwunden ist. Wenn man von einer Gefahr durch ionisierende Strahlung ausgeht, ist damit der Zeitraum bestimmt, in dem man den Stoff von der Biosphäre fern halten sollte:

  • Es gibt unterschiedliche Arten ionisierender Strahlung, die auch biologisch unterschiedlich wirken. Strahlung, die z. B. von Uran und Plutonium ausgeht, ist nur dann bedrohlich, wenn sie innerhalb des Körpers frei wird. Nimmt man sie nicht in den Körper auf (Nahrung, Atemluft), sind sie genauso harmlos, wie jedweder anderer Stoff auch.
  • Die Dosis macht’s“. Insofern ist die Konzentration eines radioaktiven Stoffes (z. B. im Trinkwasser) entscheidend.
  • Freigesetzte Stoffe können sich (z. B. über die Nahrungskette) anreichern. Dies gilt naturgemäß besonders für langlebige Stoffe. Insofern sollten sie möglichst gar nicht erst freigesetzt werden.

Der Endlager-Standpunkt

Überzeichnet man die Gefahr, die von radioaktiven Stoffen ausgeht, kommt man zu dem Schluß, man müßte sie quasi „für ewig“ sicher einschließen. Der Begriff des „Endlagers“ ist erschaffen. Ein hervorragender politischer Kampfbegriff, weil wie ein Gummiband dehnbar. Man muß nur die Gefährlichkeit – was auch immer darunter zu verstehen sei – ausdehnen und kommt schnell zu Zeiträumen, die nicht mehr als beherrschbar erklärt werden können. Gipfel dieser Gespensterdebatte ist die Erforschung irgendwelcher Piktogramme, die Außerirdischen oder sonst wie verblödeten Erdbewohnern die Lage eines „Endlagers“ in Millionen von Jahren näher bringen sollen. Interessant ist dabei nur, wie locker man beispielsweise den Fallout aus unzähligen Kernwaffenversuchen nicht gekennzeichnet hat. Wären die Stoffe auch nur annähernd so gefährlich, wie sich Ökoaktivisten gern an den Lagerfeuern im Wendland erzählen, müßte die gesamte Menschheit bereits ausgestorben sein. Aber es geht dabei ja auch weniger um Fakten, als um Gesellschaftsveränderung.

Gleichwohl sollte man mit radioaktiven Abfällen verantwortungsvoll umgehen. Es ist das Verdienst der Kerntechnik, der erste Industriezweig zu sein, der sich von Anfang an um seinen Abfall Gedanken gemacht hat: Wiederaufbereitung und geologische Tiefenlager waren erfunden. Letztere aus einem ethischen Anspruch heraus, den Abfall nicht den folgenden Generationen als Problem und Kosten zu hinterlassen. Immer noch revolutionär, wenn man es mit dem sonst voll akzeptierten Umgang mit Abfällen und Deponien vergleicht.

Die Art der Beseitigung

Wenn man gebrauchte Brennelemente aufarbeitet, können sie weiterhin zur Energiegewinnung verwendet werden: In konventionellen Reaktoren als Mischoxid und in schwerwassermoderierten Reaktoren sogar in ihrer ursprünglichen Zusammensetzung. Bedingung ist die Trennung von Uran und Plutonium von den Spaltprodukten.

Verwendet man diesen aufbereiteten Brennstoff in Reaktoren mit schnellem Neutronenspektrum (meist mit Natrium oder Blei als Kühlmittel), kann man damit sogar die minoren Aktinoide „verbrennen“. Sie bilden sich aus Uran- und Plutoniumkernen, die trotz Neutroneneinfang nicht gespalten worden sind. Sie sind besonders langlebig und müssen zusammen mit Plutonium als Argument für eine „sichere Endlagerung über Millionen von Jahren“ her halten.

Bleiben die Spaltprodukte übrig. Sie sind zumeist recht kurzlebig und strahlen deshalb sehr stark. So stark, daß sie sich aufheizen, deshalb gekühlt und sicher abgeschirmt werden müssen. Ein Problem, das sich nach einigen Jahrhunderten von selbst erledigt hat. Es wäre mit der Lagerung in simplen Bunkern technisch leicht beherrschbar, wenn es nicht einige wenige sehr langlebige Spaltprodukte geben würde. Hier setzt wieder die Ethik ein: Ist es zulässig, solche Stoffe unseren Nachfahren zu vererben? Es handelt sich um recht harmlose Stoffe (lange Halbwertszeiten bedeuten wenige Zerfälle pro Sekunde und damit grundsätzlich geringe Dosisleistungen) in sehr kleinen Mengen. Es geht hier um Halbwertszeiten von einigen Hunderttausend (Se79, Tc99) bis zu einigen Millionen (Zr93, Pd107, I129, Cs135) Jahren.

Man kann Atomkerne nur durch Neutronen in ein anderes Element umformen. Man benötigt also eine (möglichst starke) Neutronenquelle. Dieser Vorgang wird Transmutation genannt. Ein Favorit hierfür sind Spallationsquellen, bei denen Atomkerne beschossen werden und förmlich verdampfen. Sie sind sehr aufwendig, produzieren aber dafür auch große Mengen Neutronen. Grundsätzlich bleibt aber ein Problem: Die Stoffe existieren meist in einem Isotopengemisch. Man will aber eigentlich nur ein bestimmtes (besonders langlebiges) Isotop umwandeln. Alle anderen Kernreaktionen sind parasitär und kosten nur die teueren Neutronen. Ein Schlüssel hierfür, sind die energieabhängigen Einfangquerschnitte.

Beseitigung in schnellen Reaktoren

Reaktoren mit schnellen Neutronen sind hervorragend zur „Verbrennung“ von Plutonium und minoren Aktinoiden geeignet. Darüberhinaus benötigen sie nicht einmal Natururan, sondern geben sich sogar mit abgereichertem Uran als Brennstoff zufrieden. Allerdings sind sie nur schlecht zur Beseitigung der langlebigen Spaltprodukte geeignet. Diese besitzen nur sehr kleine Einfangquerschnitte für schnelle Neutronen. Es gibt aber einige Energiebereiche, in denen sie solche Neutronen begierig aufnehmen. Verzichtet man auf einige bei der Spaltung freigewordenen Neutronen – im statistischen Mittel auf 0,3 Neutronen pro Kernspaltung – kann man sie zur Umwandlung abzweigen. Man muß sie allerdings noch auf die ideale Geschwindigkeit abbremsen.

Damit ergibt sich folgendes Reaktorkonzept:

  • Man baut einen zentralen Kern, in dem die eigentliche Energieproduktion aus Uran und Plutonium durch Spaltung mit schnellen Neutronen stattfindet.
  • In einem „schnellen Brüter“ ist diese Zone von einer Schicht aus abgereichertem Uran umgeben. Die Neutronen, die aus dem Kern rausfliegen und nicht zur Aufrechterhaltung einer Kettenreaktion benötigt wurden, reagieren hier mit dem Uran und bilden zusätzliches Plutonium. Bei einem „Brüter“ ist hier die Produktion von Plutonium größer als gleichzeitig davon im Kern verbraucht wird.
  • Verzichtet man nun auf einen Teil der „Brutrate“, hat man Neutronen für eine Umwandlung von Spaltprodukten zur Verfügung. Man muß diese nur noch – möglichst an Ort und Stelle – auf die „richtige“ Geschwindigkeit abbremsen. Man kann in den „Brutmantel“ eine gewisse Anzahl von Brennstäben einfügen, die mit einem Gemisch aus den zu beseitigenden Spaltprodukten und einem geeigneten Moderator gefüllt sind. Ein solcher Moderator könnte z. B. Yttrium Deuterid (YD2) sein. Er erfüllt die Bedingungen, selbst kaum mit Neutronen zu reagieren und die richtige Masse für die notwendige Abbremsung zu besitzen.

Die notwendige Verfahrenstechnik

Die Wiederaufbereitung wird erheblich komplizierter. Bei dem klassischen PUREX-Verfahren – wie es z. B. in Frankreich angewendet wird – gewinnt man möglichst reines Uran und Plutonium. Alles andere ist Abfall, der verglast und später in einem geologischen Tiefenlager „endgelagert“ wird. Um diesen Abfall weiter zu entschärfen, müßte man in weiteren Schritten die Aktinoide und die langlebigen Spaltprodukte abtrennen. Beides ist sehr aufwendig und man sollte darüber nicht vergessen, daß es sich dabei nur um rund 4% des ursprünglichen Brennstoffs eines Leichtwasserreaktors handelt. Die zusätzliche Volumenverkleinerung ist somit äußerst gering.

Die langlebigen Spaltprodukte müssen nun noch in möglichst reiner Form gewonnen werden, um parasitäre Effekte zu vermeiden. Darüberhinaus muß ein eigener Wiederaufbereitungskreislauf eingerichtet werden, da nicht alle Spaltprodukte in einem Schritt beseitigt werden können. Ein gewaltiger Aufwand für so geringe Mengen. Darüberhinaus macht die ganze Sache nur wirklich Sinn, wenn mehr langlebige Spaltprodukte umgeformt werden, wie bei dem Betrieb dieses Reaktors wieder neu entstehen.

Schlußbemerkung

Der Aufwand für eine Transmutation ist sehr hoch. Gleichwohl erscheint der Erfolg durchaus verlockend. Wie Simulationen für den japanischen Monju-Reaktor zeigen, kann über einen Betrieb von 20 Jahren eine Reduktion der effektiven Halbwertszeit langlebiger Spaltprodukte von über 100.000 Jahren auf rund 100 Jahre erzielt werden.

Trotzdem darf die Frage erlaubt sein, ob der gewaltige (wirtschaftliche) Aufwand den (vermeintlichen) Sicherheitsgewinn aufwiegt. Andererseits wird Menschen mit Strahlenphobie auch dieser Aufwand nicht genügen. Es steht zu befürchten, daß das bekannte Rennen zwischen Hase und Igel der „Atomkraftgegner“ lediglich fortgesetzt wird.

Gray, Sievert und was sonst noch?

In den Medien wird im Zusammenhang mit Radioaktivität mit Zahlenwerten nur so um sich geschmissen. Kaum einer versteht die Aussagen, aber alle reden davon.

Vorbemerkung

Eine Maßeinheit bezieht sich stets auf einen genau definierten Zustand: So ist das [kg] die Einheit für die Masse und das [N] bzw. früher das [kp] eine Einheit für eine Kraft. Im Alltag kann man zwar oft beide Einheiten gleich setzen, es kann aber auch zu schwerwiegenden Fehleinschätzungen dadurch kommen. Kraft und Masse sind halt nur im unbewegten Zustand gleichwertig. Dies ist Allgemeinwissen, aber im Zusammenhang mit Strahlung und Radioaktivität werden fröhlich alle Einheiten miteinander vermischt. Leider nicht nur in Massenmedien.

Die Öffentlichkeit interessiert sich meist nur für die biologische Wirkung: Ab wann ist ionisierende Strahlung gefährlich, ab wann bekomme ich Krebs, sind nachfolgende Generationen gefährdet? Alles Fragen der Biologie – oder noch genauer gesagt – der Medizin und schon wird es schwierig. Der Mensch ist halt keine Maschine und läßt sich deshalb nur sehr schlecht vermessen. Aus den physikalischen Meßwerten über Strahlung lassen sich bestenfalls Erwartungswerte für Krankheiten ableiten. Aus einem Unverständnis wird schnell eine Strahlenphobie. Dies betrifft nicht nur die Kernenergie. Röntgenärzte und Nuklearmediziner können ein Lied davon singen. Besonders heikel sind Patienten, die durch Jahrzehnte grüner Indoktrination notwendige Diagnosen und Therapien verweigern.

Am Anfang steht der Zerfall

Der überwiegende Teil der in der Natur vorkommenden Isotope befindet sich in einem angeregten Zustand. Dieser Zustand läßt sich nicht unbegrenzt aufrecht erhalten, das Atom zerfällt und wandelt sich dabei in ein neues Element um. Dies kann mehrfach geschehen (sog. Zerfallsketten oder Mutter-Tochter Beziehungen), bis ein stabiler Zustand erreicht ist. Wir kennen mehr als 3400 radioaktive Isotope, von denen etwa 900 Halbwertszeiten von mehr als einer Stunde haben. Schon sind wir bei zwei grundlegenden Maßeinheiten angekommen: Der Aktivität mit der Maßeinheit Becquerel Bq und der Lebensdauer mit der Halbwertszeit. Wenn ein Atomkern pro Sekunde zerfällt, bedeutet das eine Aktivität von 1Bq. Nicht mehr, aber auch nicht weniger. Es ist noch nichts über die Art der freigesetzten Strahlung ausgesagt oder über deren Energie und damit auch nichts über die biologische Wirksamkeit.

Das Becquerel [Bq] ist eine reine Stückzahl, die ohne die Angabe des Stoffes (z. B. Cäsium oder Jod) und des Ortes des Zerfalls (z. B. im Körper oder außerhalb) keine Aussage über irgendeine Gefährdung zuläßt.

An dieser Stelle ist auch besonders hervorzuheben, daß wir von zerfallenen Atomen pro Sekunde sprechen. Atome sind aber sehr klein, weswegen man zu gewaltig großen Zahlen kommt. Bis 1985 war deshalb die Einheit Curie [Ci] für die Aktivität gebräuchlich. Sie war von einem Gramm Radium-226 abgeleitet und entsprach 37 000 000 000 Zerfällen pro Sekunde. Schon an dieser Stelle wird deutlich, wie überzogen der japanische Grenzwert von 100 Bq/kg für Fisch nach dem Reaktorunglück von Fukushima war. Man hätte auch gleich sagen können, der Fisch enthält praktisch kein Cäsium (1 gr Cs-137 hat eine Aktivität von 3 215 000 000 000 Bq).

Geläufig – wir haben aus Erfahrung ein Gefühl dafür – sind uns die Einheiten kg oder Gramm. Heutige Waagen können (mit erheblichem Aufwand) noch Millionstel Gramm messen. Die Empfindlichkeit bei der Messung von Radioaktivität ist (recht einfach) noch um eine weitere Million empfindlicher. Radioaktive Quellen mit 10 bis 100 Bq sind schnell und einfach meßbar, obwohl es sich dabei um Stoffmengen von um die 0,000 000 000 000 01 Gramm handelt. Für die Angstindustrie ist das natürlich völlig unbrauchbar. Solche kleinen Mengen ergeben einfach keine Horrormeldung.

Die Strahlungsarten

Unter ionisierender Strahlung versteht man elektromagnetische Wellen sehr hoher Frequenz bzw. Teilchenstrahlung. Normalerweise enthalten Atome genau so viele Protonen (positive Ladung) im Kern, wie Elektronen (negative Ladung) in ihrer Hülle und sind somit elektrisch neutral.

Die technische Nutzung von ionisierender Strahlung begann 1895 mit der Entdeckung der Röntgenstrahlung.

Bei der Strahlung infolge des radioaktiven Zerfalls unterscheidet man im wesentlichen zwischen α- (Heliumkerne), β- (Elektronen) und γ-Strahlen. Die beiden Teilchenstrahlen sind elektrisch positiv bzw. negativ geladen. Insbesondere für die biologische Wirkung ist deren Eindringtiefe maßgebend. Die Heliumkerne der α-Strahlung können in Luft maximal 10 cm zurücklegen und in Wasser (menschliches Gewebe besteht hauptsächlich aus Wasser) wenig mehr als 0,1 mm. Das bedeutet für den Strahlenschutz, daß bereits normale Kleidung zur Abschirmung ausreicht. Umgekehrt gilt aber auch, daß innerhalb des Körpers die gesamte Energie auf kürzester Entfernung freigesetzt wird und lokal einen großen Schaden anrichten kann. Für die β-Strahlung gilt ähnliches. Auch für sie reicht normale Kleidung als Schutz aus.

Die Aufnahme radioaktiver Stoffe in den Körper (Essen, Trinken und Atemluft) ist möglichst zu vermeiden.

Bei der γ-Strahlung verhält sich die Sache etwas anders. Sie durchdringt mühelos den menschlichen Körper. Nur deswegen kann z. B. eine Kontamination im Körper von außen gemessen werden. Für γ-Strahlen verwendet man den Begriff der Halben-Weglänge: Das ist die Materialstärke, bei der die Strahlung nach der Schicht genau halb so groß ist, wie vor der Schicht. Diese halbe Weglänge ist vom Material und der Energie der Strahlung abhängig. Die Abschwächung verläuft exponentiell. Mit anderen Worten: Die Strahlung schwächt sich über den Weg sehr schnell ab, ist aber auch nach dicken Schichten immer noch nachweisbar. Für eine Energie von 0,662 MeV (γ-Strahlung von Cs-137) beträgt die Halbe-Weglänge in Wasser etwa 9 cm. Somit ist nach rund einem halben Meter (entsprechend fünf Halben-Weglängen) die Strahlung um 97% abgeklungen. Dies erklärt, warum das Wasser in einem Brennelementebecken so eine wirksame Abschirmung darstellt. Hat man wenig Platz, verwendet man Blei mit seiner hohen Dichte zur Abschirmung.

Die Energie der Strahlung

Neben der Art der Strahlung ist ihre Energie maßgeblich für die biologische Wirkung. Die Einheit für die Energie ist das Elektronenvolt [eV]. Sie ergibt sich aus der Beschleunigung eines Elektrons in einem Spannungsfeld von einem Volt. Um eine radioaktive Quelle in ihrer biologischen Wirkung zu beurteilen, braucht man folgende physikalischen Parameter:

Die Aktivität, gemessen in Zerfällen pro Sekunde [Bq] und die Halbwertszeit, die Art der ausgesendeten Strahlung (α-, β-, γ-Strahlung) und deren Energien.

Anschaulich werden diese Daten in einem sogenannten Zerfallsschema für jedes Isotop dargestellt. Dabei werden in einer Karte die Energien über den Ordnungszahlen aufgetragen. In der Praxis hat man es immer mit Gemischen von Isotopen zu tun. Dies ergibt sich schon aus den meist vorhandenen Zerfallsketten. Beispielsweise verläuft der Zerfall von Uran-238 in 14 Schritten bis zum stabilen Blei-206.

Wie die Strahlung absorbiert wird

Wenn Röntgenstrahlung oder die Strahlung aus dem radioaktiven Zerfall auf Atome und Moleküle trifft, entstehen Ionen oder angeregte Moleküle. Die Strahlung verliert dabei Energie. Für die biologische Wirkung ist nicht nur die Art und deren Energie der Strahlung von Bedeutung, sondern auch die „Materie“ des Lebewesens. Ein bekanntes Beispiel hierfür ist eine Röntgenaufnahme: Man erkennt ein Skelett. Die Strahlung ist stark genug (von hoher Energie), um den menschlichen Körper zu durchdringen, sonst wäre gar keine Aufnahme möglich. Die Absorption im Körper ist aber unterschiedlich: Es entsteht ein Schattenbild der Knochen (hohe Absorption wegen hoher Dichte) vor einem hellen Hintergrund (wenig Absorption im Gewebe, weshalb viel Strahlung durchkommt).

Auf ihrem Weg durch Materie reagiert die Strahlung mit den Atomen und Molekülen. In Bezug auf die biologische Wirkung ergeben sich sehr komplexe Zusammenhänge, die letztendlich auch noch über chemische Reaktionen Wirkung zeigen können. Stellvertretend soll hier nur die α-Strahlung etwas näher behandelt werden. Wenn ein Heliumkern – nichts anderes ist α-Strahlung – mit bis zu 11 MeV durch Gewebe schießt, kann er die Atome auf die er trifft ionisieren. Diese können dann selbst wieder Strahlung aussenden. Auf seinem Weg verliert er Energie, die er an die Atome abgegeben hat. Um die Sache noch komplizierter zu machen, geschieht das solange, bis er eine bestimmte Geschwindigkeit unterschreitet. An diesem Punkt angekommen, überträgt er seine gesamte Restenergie auf einen Schlag (Bragg peak). Dies macht man sich z. B. bei der Krebstherapie nutzbar. Man kann quasi gesundes Gewebe mit Ionen durchschießen, ohne großen Schaden anzurichten und setzt erst in der Krebszelle die vernichtende Energie frei.

Die Gamma-Strahlung

Sie ist von zentraler Bedeutung in der Kerntechnik, da sie sich recht einfach messen läßt, den menschlichen Körper auf jeden Fall durchdringt (sonst könnte man eine Inkorporation gar nicht feststellen) und sich nur aufwendig abschirmen läßt.

Die γ-Photonen besitzen Energien von 0,1 bis 3 MeV. Wichtig dabei ist, daß jedes Isotop γ-Photonen mit einer charakteristischen Energie bei seinem Zerfall aussendet. Mißt man die Energiespektren, erhält man die „Fingerabdrücke“ der enthaltenen Isotope. Dies ist Voraussetzung, um die biologische Wirkung und damit die Gefährdung überhaupt ermitteln zu können.

Die γ-Strahlung selbst, wirkt durch drei Effekte: Das γ-Photon überträgt seine Energie auf ein Elektron und ist damit verschwunden (Photoelektrischer Effekt), das γ-Photon schießt ein Elektron aus der Atomhülle und bewegt sich danach mit geringerer Energie in einer anderen Richtung weiter (Compton Effekt) oder es bilden sich zwei neue Teilchen: Elektron und Positron (Paarbildung). Der Photoelektrische Effekt tritt ein, wenn das γ-Photon nur eine eine geringe Energie hat. Dies ist mit maximal 100 keV der bevorzugte Bereich in der Diagnostik. Die Durchdringung dieser „weichen γ-Strahlung“ ist sehr von der Dichte (Knochen oder Kontrastmittel) abhängig. Erst oberhalb einer Energie von 100 keV kann der Compton-Effekt auftreten. Er hat durch die Bildung von Ionen auf jeden Fall eine biologische Wirkung. Für eine Paarbildung muß die Energie den Schwellwert von 1,02 MeV überschreiten.

Die Halbwertszeiten

Gängig ist die Physikalische-Halbwertszeit. Sie beträgt z. B. für Cäsium-137 etwa 30 Jahre. Das bedeutet, nach jeweils 30 Jahren ist nur noch die Hälfte des Startwertes vorhanden. Nach 60 Jahren noch 25%, nach 90 Jahren noch 12,5% usw. Cs-137 ist eine Leitsubstanz bei Reaktorunfällen wie in Tschernobyl und Fukushima. Es ist in relativ großen Mengen – ca. 6% der Kernspaltungen – entstanden, bis zum nächsten Brennelementewechsel entsprechend angesammelt worden und gasförmig und gut wasserlöslich. Es kann sich daher weiträumig ausbreiten und auch in großen Entfernungen punktförmig ausregnen.

Es gibt aber noch eine Biologische Halbwertszeit für jeden Stoff. Jedes Lebewesen nimmt zwar Stoffe mit der Nahrung aus der Umwelt auf, scheidet sie aber auch unterschiedlich schnell wieder aus. Wir trinken Wasser (eventuell tritiumhaltig), aber scheiden auch wieder große Mengen durch Schwitzen, Atmung und Ausscheidung aus. Wenn man keine neuen radioaktiven Stoffe aufnimmt, tritt schnell eine Verdünnung im Körper ein. Beim Menschen beträgt die biologische Halbwertszeit für Cs rund 70 Tage. Sie kann durch Medikamente noch weiter auf etwa 30 Tage gesenkt werden. Bei Schafen beträgt sie etwa zwei bis drei Wochen. Man hat nach Tschernobyl Schafe in Schottland vier Wochen vor der Schlachtung mit „sauberem Futter “ aus anderen Regionen gefüttert und so die Belastung im Fleisch auf unter 25% abgesenkt.

Aus der Summe (der Kehrwerte) der biologischen und physikalischen Halbwertszeiten wird die Effektive-Halbwertszeit gebildet. Zu allem Überdruss gibt es auch noch eine Ökologische-Halbwertszeit. Nach dem Reaktorunglück in Tschernobyl im April 1986 sind in Teilen von Norwegen durch Regenfälle 130 000 Bq pro Quadratmeter runter gegangen. Bis zum August stieg deshalb in einigen Seen die Belastung bei Forellen auf 7200 Bq/kg an. Sie wird seitdem kontinuierlich überwacht. Im Jahr 2008 war sie bereits wieder auf 150 Bq/kg abgesunken. In den ersten Jahren betrug die Ökologische-Halbwertszeit rund 3,6 Jahre. Sie ist seitdem angestiegen und hat sich inzwischen der physikalischen Halbwertszeit angenähert. So viel zum Thema Rückbesiedelung in den Sperrzonen. Natürlich bleiben die radioaktiven Stoffe nicht einfach liegen und warten auf ihren Zerfall, sondern werden ausgewaschen, dringen in tiefere Bodenschichten ein oder reagieren chemisch zu Verbindungen, die nicht mehr so einfach in die Nahrungskette aufgenommen werden. Andererseits können sie auch wieder aus diesen Depots freigesetzt werden. In einem See oder einer Wiese bildet sich ein Gleichgewichtszustand aus. Selbstverständlich ist Landwirtschaft in den „verseuchten Gebieten“ möglich. Man muß es nur richtig machen. Das Märchen von Für-Jahrtausende-Unbewohnbar ist einfach nur schlecht gemachte Propaganda.

Die Strahlungsdosis

Bisher haben wir uns nur mit der Aktivität in einem Feststoff [Bq/kg], einer Flüssigkeit [Bq/l] oder auch einer Fläche [Bq/m2] beschäftigt. Wie schon weiter oben erklärt, sagt das ohne weitere Kenntnis über die Isotopen und den Ort noch nichts aus. Für den Übergang auf die (biologische) Wirkung ist entscheidend, wieviel der ausgesendeten Energie auch vom Empfänger aufgenommen wird. Diese kann man einfach und direkt messen. Es handelt sich – bisher immer noch – um reine Physik. Die biologische Wirkung kommt später.

Heute verwendet man für die Dosis die Einheit Gray [1 Gy]. Sie ist aus dem SI-Einheitensystem abgeleitet und entspricht der sehr kleinen Energie von einem Joule pro Kilogramm [1J/kg] absorbierter Energie. Wenn man bedenkt, daß zur Erhöhung der Temperatur von einem Kilogramm Wasser um ein Grad, etwa 4200 Joule notwendig sind, wird auch diese Definition wieder zu großen Zahlen führen. Der nächste Scheinriese, der der Angstindustrie hilft.

1953 wurde die Einheit [rad] festgelegt. Sie beruhte noch auf dem damals gebräuchlichen Einheitensystem und wurde zu 100 [erg] pro Gramm festgelegt. Sie ist einfach – und genau – in die moderne Einheit [1 Gy] durch den Faktor 100 umzurechnen: 1 Gy entspricht 100 rad.

Eine Sonderstellung nimmt das Röntgen ein. Es ist über die Bildung von Ladungen in trockener Luft definiert. Ein Röntgen [1R] entspricht etwa 2,54 x 10-4. Coulomb pro kg in Luft erzeugter Ionen. Eine sehr unhandliche Einheit für den Strahlenschutz. Als Anhaltswert kann man sagen, daß ein Röntgen ungefähr 9,3 Milligray [mGy] in menschlichem Gewebe entspricht.

Relative biologische Wirksamkeit unterschiedlicher Strahlung (RBE)

Ab jetzt verlassen wir den sicheren Boden der Physik: Es wird biologisch – man könnte fast sagen, politisch. Es ist unbestritten, daß verschiedene Strahlungsformen auch bei gleicher Energie unterschiedliche biologische Wirkung zeigen. Ein Hauptgrund ist die (heute) beobachtbare Wirkung beim Beschuß von Zellen. Die α-Strahlung hinterläßt einen regelrechten Schußkanal in der Zelle, während die β- und γ-Strahlung eine eher räumlich gleich verteilte Wirkung zeigt. Man kann dieses Problem lösen, indem man für jede Strahlungsform einen Gewichtungsfaktor einführt.

Für die Endstufe von Strahlenschäden, den Zelltod, kann man einfache und reproduzierbare Versuche durchführen. Man bestrahlt eine Zellkultur mit Strahlung von bekannter Energie. Die lebenden Zellen werden vor und nach der Bestrahlung gezählt. Jeder Versuch wird in ein Diagramm mit der Dosis als Abszisse und dem Prozentsatz der überlebenden Zellen als Ordinate eingetragen. Jede Strahlungsart ergibt eine eigene charakteristische Kurve. Für jeden Wert der Ordinate (überlebende Zellen) ergeben sich nun mehrere verschiedene Werte auf der Abszisse (Dosis). Mit anderen Worten: Diese Wirkung der Strahlung (Zelltod) bei gleicher Dosis nimmt mit der Schwere der Ionen zu. Es werden nun RBE-Werte (Relative Biological Effectiveness) als Gewichtungsfaktoren bestimmt. Bezugsgröße ist die Kurve für Röntgenstrahlung.

Für das Verständnis ist wichtig, daß es sich bei den oben beschriebenen Versuchen zum Zelltod um einfach zu reproduzierende Experimente handelt. Eine tote Zelle ist einfach von einer lebenden Zelle zu unterscheiden. Wie sieht es aber mit (angeblichen) Erbschäden und mit Krebs aus? Krebs kann bis zum Ausbruch Jahrzehnte dauern, für Erbschäden müßten gar zig Generationen beobachtet werden. Experimente wären nicht reproduzierbar, weil die Umwelteinflüsse über so lange Zeiträume gar nicht konstant sein können.

Äquivalentdosis

Damit alle denkbaren Effekte erfaßt werden, hat man sich im International Committee on Radiation Protection (ICRP) auf eine Äquivalentdosis mit der Einheit [rem] bzw. Sievert [Sv] geeinigt. Sie wird aus der physikalischen Dosis – gemessen in Gray [Gy] – durch Multiplikation mit dimensionslosen Gewichtungsfaktoren werzeugt. Genau daraus ergibt sich die Gefahr der Verwechslung und Fehlinterpretation:

Die Äquivalentdosis – angegeben in Sievert [Sv ]– ist keine physikalische Größe und kann auch nicht gemessen werden, sondern ist eine rein rechnerische Größe. Sie wird aus der meßbaren Dosis mit ihrer Einheit Gray [Gy] über (politisch) festgelegte Gewichtungsfaktoren wR gebildet. Diese Gewichtungsfaktoren sollen die komplexen biologischen Verhältnisse des Menschen widerspiegeln. Es handelt sich lediglich um „Modellvereinfachungen“, wie sie auch aus anderen Bereichen bekannt sind. Sievert ist ungeeignet, die biologische Wirkung bei anderen Lebewesen zu beschreiben oder umgekehrt. Sie beruht auf der fragwürdigen LNT-Hypothese (kein Schwellwert, linearer Verlauf). Deshalb sind gerade kleine Werte mit großer Skepsis zu betrachten.

Lediglich bei einer reinen γ-Strahlung wäre eine Gleichsetzung von Sv mit Gy möglich, da hier der Gewichtungsfaktor 1 beträgt. Man sollte dies aber tunlichst vermeiden, da in der Praxis immer Isotopengemische mit allen möglichen Strahlungsarten auftreten. Wenn man z. B. wie Tepco, Strahlungswerte im Sicherheitsbehälter von Fukushima in Sievert angibt, ist das etwas irreführend. Man hat natürlich nur die γ-Strahlung in Gray gemessen. Die sicherlich vorhandene α-Strahlung (Gewichtungsfaktor 20) oder gar die vorhandenen Neutronen (energieabhängiger Gewichtungsfaktor 5 bis 20) sind mit Sicherheit nicht mit ihrem Äquivalent korrigiert worden.

Effektive Dosis

In manchen Fällen werden nur einzelne Organe des menschlichen Körpers belastet. Klassiker ist die Belastung der Lunge und Bronchien durch Radon und seine Zerfallsprodukte. Verschiedene Organe und Gewebe haben eine unterschiedliche Empfindlichkeit bezüglich sog. „Verzögerter Effekte“. Krebs ist ein solcher Effekt, der oft viele Jahre braucht, bis er nachweisbar ist. Um dafür das Risiko vergleichbar zu machen, wird eine Effektive Dosis gebildet.

Wenn in einem bestimmten Teil des menschlichen Körpers eine Dosis wirkt, ergibt sich das Risiko einer bestimmten Wirkung (z. B. Lungenkrebs). Wirkt die gleiche Dosis auf ein anderes Körperteil, ergibt sich ein anderes Risiko. Für jedes Organ – oder besser gesagt Gewebetyp – ergibt sich nun ein Gewichtungsfaktor wT. Daraus ergibt sich schließlich die Effektive Dosis, meist kurz als Dosis bezeichnet.

Die in Gy gemessene Energie einer Strahlung die vom Gewebe aufgenommen wird, wird gemäß ihres Typs (z. B. γ- oder α-Strahlung) in eine äquivalente Strahlung mit der Einheit Sv umgerechnet. Die Äquivalentdosis darf nur die Einheit Sv tragen, da sie eine fiktive Größe ist, die die unterschiedliche biologische Wirkung der Strahlungsarten berücksichtigen soll. Nur im Sonderfall (beispielsweise reiner γ-Strahlung) sind die Zahlenwerte von Gy und Sv gleich setzbar, da sie beide – per Definition – den gleichen Gewichtungsfaktor 1 haben. Trotzdem handelt es sich bei der Einheit Gy [J/kg] um eine physikalische Größe und bei der Einheit Sv um eine fiktive Einheit, die biologische Wirkungen beim Menschen charakterisieren soll. Die Effektivdosis erhält man erst, wenn man für jedes belastete Organ eine weitere Gewichtung vornimmt. Unterstellt man weiterhin einen linearen Verlauf, ohne Schwellwert (LNT) der Dosis-Wirkungsbeziehung, kann man diese Einzelwerte einfach addieren und erhält daraus die Ganzköperdosis, die in der Öffentlichkeit gern als die Dosis bezeichnet wird.

Das ICRP hat dafür ein Modell eines Menschen erschaffen, das aus 14 Organen bzw. Gewebetypen und einem „Rest“ besteht. Der „Rest“ dient zur Unterscheidung von Mann und Frau mit Prostata bzw. Gebärmutter. Die Summe aller 15 Gewichtungsfaktoren wT ergibt 100%.

Die Kollektivdosis

Die Kollektivdosis ist die Summe aller individuellen Dosen in einer Gruppe. Meist wird sie als Produkt einer mittleren Dosis und der Anzahl der Personen gebildet. Ihre Einheit ist das Person Sievert [person-Sv] oder Man-Sievert [man-Sv] bzw. in älteren Veröffentlichungen das Man-Rem [man-rem].

Die Kollektivdosis ergibt in Verbindung mit der LNT-Hypothese absurde Ergebnisse. So sollte z. B. das Reaktorunglück von Tschernobyl über 14000 Tote verursachen. Nichts, aber auch rein gar nichts, konnte bis heute – mehr als 30 Jahre später – davon nachgewiesen werden. Genauso wenig, wie die prognostizierten Spätfolgen von Hiroshima und Nagasaki. Das hielt aber die einschlägigen Propagandaabteilungen der Angstindustrie nicht davon ab, ähnlich blödsinnige Vorhersagen für das Reaktorunglück in Fukushima zu treffen.

Zumindest in den letzten 20 Jahren konnte die Forschung zahlreiche Reperaturmechanismen für die DNA nachweisen, den programmierten Zelltod (Apoptose) erklären und die positive Wirkung kleiner Dosen (adaptive response) als Fortschritt in der Strahlentherapie anwenden.

Nachbemerkung

Ein Schelm, wer bei „Menschenmodellen“ an „Klimamodelle“ denkt, bei Sv an „menschengemachtes CO2“ und bei „Reaktorkatastrophen“ an „Erderwärmung“ – auf zehntel Grad genau berechnet, versteht sich.

Allerdings sind Ähnlichkeiten zwischen dem International Committee on Radiation Protection (ICRP) und dem Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) alles andere als zufällig: Beide Organisationen halten regelmäßig Kongresse mit wunderbaren Dienstreisen ab. Bei beiden sind in Öffentlichkeitsarbeit geschulte Funktionäre tonangebend. Hinter beiden steht eine milliardenschwere Industrie, die gut auf Kosten der Allgemeinheit lebt.

Allerdings glaube ich immer noch an die Kraft der Aufklärung. Mag es auch lange dauern. Die katholische Kirche brauchte immerhin bis 1992, bis sie in der Lage war Galileo Galilei zu rehabilitieren. Möge es Gott geben, daß der Ökosozialismus gar nicht so alt wird. Es wäre schön, wenn dieser Artikel einen kleinen Beitrag dazu leisten könnte. Steter Tropfen höhlt den Stein.

Was ist eigentlich Atommüll?

Wenn man sich z.B. mit dem Thema Endlagerung beschäftigen will, ist es sinnvoll zu wissen, was „Atommüll“ eigentlich ist und wie er entsteht.

Alles entsteht im Reaktor

Im Reaktor eines Kernkraftwerks werden Atomkerne gespalten. Dies ist sein Sinn. Um Wärme-Leistungen von mehreren Gigawatt (GWth.) in einem so kleinen Behälter zu erzeugen, sind gewaltige Flüsse von Neutronen notwendig. Die Neutronen entstehen überwiegend bei den Spaltungen und lösen weitere Spaltungen aus. Eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion. Sie läuft solange weiter, bis zu viel „Spaltstoff“ verbraucht wurde. Der Brennstoff muß erneuert werden, d. h. die „abgebrannten Brennelemente“ (spent fuel) müssen durch frische ersetzt werden.

Auf ihrem Weg von einer Spaltung zu einem weiteren spaltbaren Kern, treffen die meisten Neutronen auch auf andere Atomkerne. Das sind all die anderen Materialien, aus denen der Reaktor besteht: Brennstabhüllen, Wasser, Regelstäbe, Einbauten im Reaktor, das Reaktorgefäß selbst etc. Nun kann es passieren, daß sie nicht nur mit einem Atomkern zusammenstoßen und wieder abprallen – gestreut werden – sondern von diesem dauerhaft eingefangen werden. Es entsteht ein neues chemischen Element oder ein Isotop. Man nennt das Aktivierung, da diese neu erschaffene Elemente radioaktiv sind.

Bewegen sich solche radioaktiven Stoffe durch das Kernkraftwerk, können sie Bauteile, Werkzeuge etc. kontaminieren. Kontaminierung und Aktivierung werden oft miteinander verwechselt: Kontaminierte Gegenstände bleiben unverändert, sie werden nur mit radioaktiven Stoffen verunreinigt. Sie können auch wieder gereinigt werde. Die Reinigung kann aber so aufwendig und damit kostenintensiv sein, daß es billiger ist, das Teil als „Atommüll“ zu deklarieren und einfach komplett wegzuwerfen.

Unterschiedliche Formen der Strahlung

Man unterscheidet γ-Strahlung, β-Strahlung (Elektronen) und α-Strahlung (Helium-Kern). Die beiden letzten können kaum Materie durchdringen. Für γ-Strahlung gilt: Eine Abschirmung aus möglichst dichtem Material (z. B. Blei) und schlichtweg Abstand einhalten. Jedenfalls reicht in einem Brennelemente-Lagerbecken die Wassertiefe als Abschirmung vollkommen aus. Es wäre gefahrlos möglich, in einem solchen Becken zu schwimmen.

Aus vorgenannten Gründen reicht meist ganz normale Schutzkleidung – bestehend aus Atemschutz, Schutzanzug, Handschuhen und Brille – beim Umgang mit Atommüll aus. Solange man radioaktive Stoffe nicht in seinen Körper aufnimmt, ist Atommüll relativ harmlos. Umgekehrt gilt, wenn man Atommüll sicher einschließt, ist der Umgang ohne Schutzkleidung möglich. Typisches Beispiel ist der Castor-Behälter: Seine dicken Stahlwände, spezielle Neutronenabsorber und sein gasdichter Verschluß machen auch die Handhabung stark strahlender Brennelemente gefahrlos möglich.

Die Dosis macht das Gift

Wie bei allen anderen Stoffen auch, ist die biologische Wirkung von Strahlung immer von der Dosis abhängig. Schon die Erfahrung mit dem Sonnenlicht macht diesen Zusammenhang deutlich: Ein wenig Sonne ist belebend (z. B. Bildung von Vitamin D), zu viel davon, erzeugt einen Sonnenbrand mit der Zerstörung von Hautschichten. Zuviel und häufige Strahlung kann sogar Hautkrebs erzeugen.

Der menschliche Körper verfügt über zahlreiche Reparaturmechanismen. Wäre das nicht so, hätte es überhaupt kein Leben auf der Erde geben können, denn die Strahlung war vor Millionen von Jahren noch wesentlich höher als heute. Jedenfalls ist die Vorstellung, schon ein einziges Plutonium-Atom könnte Krebs auslösen oder gar vererbbare Genveränderungen, ein Hirngespinst, das nur zur Erzeugung von Angst dienen soll. Wäre Radioaktivität tatsächlich so gefährlich, dürften wir nichts essen und trinken. Es gibt Mineralwässer, die enthalten mehr radioaktive Stoffe, als das Wasser in einem Brennelemente-Lagerbecken oder gar das Kondensat in einem Kernkraftwerk. Wir dürften keine Bananen oder Tomatenmark essen, denn die enthalten radioaktives Kalium. Unsere Bauern dürften vor allem keinen mineralischen Dünger aufs Land streuen, denn der enthält beträchtliche Mengen Uran, der ihre Felder im Laufe der Zeit zu „Atommüll-Deponien“ macht.

Es gibt heute umfangreiche Tabellen, die angeben, wieviel man von einem Stoff ohne Krankheitsrisiko zu sich nehmen kann. In diesen Tabellen ist noch ein weiterer Zusammenhang berücksichtigt, die sog. biologische Halbwertszeit. Es ist z. B. ein Unterschied, ob man radioaktives Wasser trinkt, welches ständig aus dem Körper ausgeschieden wird und durch frisches Wasser ersetzt wird oder radioaktives Strontium, welches gern in Knochen eingelagert wird und dort für Jahrzehnte verbleiben kann.

Konzentration oder Verdünnung

Beim Umgang mit „Atommüll“ spielen die Begriffe Verdünnung und Konzentration eine große Rolle. Im Sinne einer biologischen Wirksamkeit ist eine Verdünnung – wie bei jedem anderen Gift auch – eine bedeutende Schutzmaßnahme. Im Prinzip kann man jeden Stoff soweit verdünnen und damit unschädlich machen, daß er Trinkwasser oder Nahrungsmittelqualität besitzt. Deshalb besitzt z. B. jedes Kernkraftwerk einen hohen Abluftkamin. Radioaktive Abgase werden ordentlich verdünnt, bevor sie aus großer Höhe wieder auf den Boden gelangen oder von Menschen eingeatmet werden können.

Das Prinzip der Verdünnung, war bis in die 1960er Jahre der bestimmende Gedanke bei der Abgabe radioaktiver Stoffe ins Meer. Allerdings war von Anfang an klar, daß man durch die beständige Abgabe ins Meer, die Konzentration radioaktiver Stoffe dort erhöhen würde. Man vollzog deshalb eine 180-Grad-Wende: Von nun an war die Aufkonzentrierung das Mittel der Wahl. Bis aktuell in Fukushima. Dort dampft man radioaktives Wasser ein, welches nahezu Trinkwasserqualität hat, um auch geringste Mengen radioaktiver Stoffe vom Meer fern zu halten. Vom naturwissenschaftlichen Standpunkt aus betrachtet, schlicht Irrsinn. Aber zugegeben ein Irrsinn, mit dem sich trefflich Geld verdienen läßt und man am Ende auch noch behaupten kann, Kernenergie sei schlicht zu teuer.

Allerdings muß man an dieser Stelle festhalten, daß die Kerntechnik der erste Industriezweig ist, der versucht, Schadstoffe konsequent aus der Umwelt fern zu halten. Gleiches kann man von der Chemie oder den fossilen Energieverwendern (international) noch lange nicht behaupten.

Spent fuel

Nach einiger Zeit im Reaktor, ist jedes Brennelement „abgebrannt“. Es muß deshalb entfernt werden und durch ein neues ersetzt werden. Die frisch entnommenen Brennelemente strahlen so stark, daß man sie nur unter Wasser handhaben kann. Würde man sie nicht kühlen, könnten sie sogar schmelzen oder zumindest glühen. Dies hat zwei Ursachen:

  • Alle Spaltprodukte sind radioaktiv. Die Strahlung wandelt sich beim Kontakt mit Materie in Wärmeenergie um. Letztendlich wandeln sich die Spaltprodukte in stabile (nicht radioaktive) Kerne um. Dies geschieht jedoch meist nicht in einem Schritt, sondern in mehreren Schritten. Dabei können sogar chemisch unterschiedliche Elemente entstehen. Jede Stufe sendet die ihr eigene Strahlung mit ihrer charakteristischen Energie aus.
  • Der radioaktive Zerfall ist im Einzelfall rein zufällig und durch nichts zu beeinflussen. Betrachtet man aber eine sehr große Anzahl von Atomen eines bestimmten Stoffes, kann man sehr wohl eine sog. Zerfallskonstante ermitteln. Für den praktischen Gebrauch hat sich die sog. Halbwertszeit eingebürgert: Das ist die Zeitdauer, nach der genau die Hälfte der ursprünglichen Menge zerfallen ist. Für den Umgang mit Atommüll ergibt das eine wichtige Konsequenz: Stoffe, die eine geringe Halbwertszeit haben, sind schnell zerfallen. Wegen ihrer hohen Zerfallsrate senden sie aber auch sehr viel Strahlung pro Zeiteinheit aus.

Für abgebrannte Brennelemente ergibt sich daraus der übliche Zyklus: Erst werden sie in ein tiefes Becken mit Wasser gestellt. Das Wasser dient dabei zur Abschirmung der Strahlung und als Kühlmittel. Nach ein paar Jahren ist bereits so viel radioaktives Material zerfallen, daß man die Brennelemente in trockene Behälter (z. B. Castoren) umlagern kann. Es beginnt die beliebig ausdehnbare Phase der „Zwischenlagerung“.

Wiederaufbereitung

Ein abgebranntes – und damit nicht mehr nutzbares – Brennelement eines Leichtwasserreaktors, besteht nur zu rund 4% aus Spaltprodukten – quasi der nuklearen Asche – aber immer noch aus dem Uran und einigem neu gebildeten Plutonium. Uran und Plutonium können weiterhin zur Energieerzeugung genutzt werden.

Vom Standpunkt der Abfallbehandlung ergibt eine Wiederaufbereitung deshalb eine Verringerung des hochaktiven Abfalls (gemeint ist damit das abgebrannte Brennelement) um den Faktor Zwanzig, wenn man die Spaltprodukte abtrennt.

Man dreht aber damit auch gleichzeitig an der Stellschraube „Zeitdauer der Gefahr“. Der radioaktive Zerfall verläuft nach einer e-Funktion. D. h. zu Anfang nimmt die Menge stark ab, schleicht sich aber nur sehr langsam dem Grenzwert „alles-ist-weg“ an. In diesem Sinne tritt die Halbwertszeit wieder hervor. Plutonium-239 z. B., hat eine Halbwertszeit von über 24.000 Jahren. Man muß also mehr als 250.000 Jahre warten, bis nur noch ein Tausendstel der ursprünglichen Menge vorhanden wäre. Geht man von einem Anfangsgehalt von 1% Plutonium in den Brennstäben aus, sind das immer noch 10 Gramm pro Tonne. Nach den berühmten eine Million Jahren, beträgt die Konzentration etwa zwei Nanogramm pro Tonne. Auch nicht die Welt. Gleichwohl senkt das Abscheiden von Uran und Plutonium den Gefährdungszeitraum ganz beträchtlich.

Die Spaltprodukte sind im Wesentlichen nach maximal 300 Jahren zerfallen. Das „radioaktive Glas“ für die Endlagerung strahlt dann nur wenig mehr als ein gehaltvolles Uranerz wie z. B. Pechblende, aus dem Madame Curie einst das Radium chemisch extrahiert hat.

Eine Wiederaufbereitung erzeugt keinen zusätzlichen Atommüll, sondern ist ein rein chemisches Verfahren. Atommüll wird nur in Reaktoren „erzeugt“. Richtig ist allerdings, daß die Anlage und alle verwendeten Hilfsstoffe mit Spaltprodukten etc. verschmutzt werden. Heute wirft man solche kontaminierten Teile nicht mehr einfach weg, sondern reinigt bzw. verbrennt sie.

Die minoren Aktinoide

Heute werden die minoren Aktinoide (Neptunium, Americium, Curium, Berkelium, Californium) ebenfalls noch als Abfall betrachtet und in der Spaltproduktlösung belassen. Sie sind für die Strahlung nach 300 Jahren wesentlich verantwortlich. Dies ist eine Kostenfrage, da sie sich nur sehr aufwendig aus einer Spaltproduktlösung abtrennen lassen.

Sie bilden sich im Reaktor, weil nicht jedes eingefangene Neutron auch zu einer Spaltung führt. Je länger der Brennstoff im Reaktor verbleibt, um so weiter kann der Aufbau fortschreiten: aus Uran-235 wird Uran-236 und daraus Uran-237 gebildet bzw. aus Plutonium-239, Plutonium-240 usw.

Setzt man Uran und Plutonium aus der Wiederaufbereitung erneut in Leichtwasserreaktoren ein, verlängert sich quasi die Verweilzeit und die Menge der minoren Aktinoide im Abfall nimmt entsprechend zu. So geht man heute davon aus, Mischoxide aus Uran und Plutonium nur einmal in Leichtwasserreaktoren zu verwenden.

Grundlegend Abhilfe können hier nur Reaktoren mit schnellem Neutronenspektrum leisten. Will man ganz bewußt Plutonium „verbrennen“, um den ständig wachsenden Bestand auf der Welt zu verringern, bleibt nur der Einsatz solcher Reaktoren (z. B. der Typ PRISM) übrig. Reaktoren mit Wasser als Moderator sind viel zu gute „Brüter“. Handelsübliche Leichtwasserreaktoren haben eine sog. Konversionsrate von 0,6. Mit anderen Worten: Wenn man zehn Kerne spaltet, erzeugt man dabei automatisch sechs neue spaltbare Kerne – hauptsächlich durch Umwandlung von Uran-238 in Plutonium-239. Wenn man also reines Mischoxid einsetzt, hat man immer noch 0,6 x 0,6 = 36% der ursprünglichen Plutonium-Menge. Zum Überdruss auch noch in einer unangenehmeren Isotopenzusammensetzung. Keine besonders wirksame Methode, wenn man die Plutoniumvorräte auf der Welt drastisch verringern will. Völlig absurd in diesem Sinne, ist die Endlagerung kompletter Brennelemente, wie das in Deutschland geschehen soll. Bei dieser Methode sind die Anforderungen an ein Endlager am höchsten.

An dieser Stelle soll Thorium nicht unerwähnt bleiben. Thorium erzeugt den kurzlebigsten Abfall, da der Weg ausgehend von Uran-233 sehr viel länger als von Uran-238 ist und über das gut spaltbare Uran-235 führt. Ein Thorium-Reaktor erzeugt kaum minore Aktinoide, sondern hauptsächlich kurzlebige Spaltprodukte.

Der deutsche Sonderweg

Ursprünglich sind wir in Deutschland auch von einer Wiederaufbereitung der Brennelemente ausgegangen. Wir haben sogar rund 7.000 to in Frankreich und England aufbereiten lassen. Der hochaktive Müll – bestehend aus in Glas gelösten Spaltprodukten und minoren Aktinoiden – wird und wurde bereits nach Deutschland zurückgeliefert. Es werden etwa 3.600 solcher Kokillen in Deutschland in ungefähr 130 Castoren (28 Kokillen pro Castor ) „zwischengelagert“. Bis zum geplanten Ausstieg im Jahre 2022 werden noch etwa 10.000 to Brennelemente hinzugekommen sein.

Die Umstellung von Wiederaufbereitung zu direkter Endlagerung ist ein politischer Geniestreich Rot/Grüner-Ideologen gewesen: Deutschland hat nun das künstlich erschaffene Problem, ein – oder gar zwei – Endlager für zwei verschiedene hochaktive Abfallsorten zu erfinden. Beide von (wirtschaftlich) geringer Menge. Die verglasten Abfälle aus der Wiederaufbereitung sind ziemlich unempfindlich gegenüber Wasser (lediglich Auslaugung) und erfordern einen sicheren Einschluß für lediglich ca. 10.000 Jahre. Direkt eingelagerte Brennelemente müssen wegen ihres Gehalts an Spaltstoff (Uran und Plutonium) sicher vor Wassereinbrüchen geschützt sein, um einen Kritikalitätsunfall zu verhindern. Die schwedische Methode der Kupferbehälter mag ein Hinweis in diese Richtung sein. Teuerer geht nimmer, aber das ist ja auch Programm, damit die Behauptung der „teueren Kernenergie“ erfüllt werden kann. Zu allem Überdruss muß der sichere Einschluß auf diesem Weg für mindestens 200.000 Jahre erfolgen (Faktor 20!), um auf eine gleiche Gefährdung zu kommen. Aber auch das ist ja ausdrücklich gewollt, um die Angstindustrie kräftig anzuheizen.

Die „Dual Fluid“ Erfindung

oder Verschwörungstheoretiker versus Erfindermesse

Seit ein paar Wochen tobt im Internet ein Streit zwischen den „Reaktorerfindern“ des Instituts für Festkörper-Kernphysik gGmbH (http://dual-fluid-reaktor.de) und den „Preisstiftern“ des Greentec-Awards 2013 (http://www.greentec-awards.com). Soweit ein Außenstehender nachvollziehen kann, geht es um die Bewerbung von A bei B um irgendeine Auszeichnung. Leider wurde der „Dual Fluid Reaktor“ von A nachträglich durch B disqualifiziert, weil er angeblich die Ausschreibungsbedingungen gar nicht erfüllt. Damit hätte sich das Interesse des Autors bereits vollständig erschöpft, wenn nun nicht in allen möglichen Blogs Partei für die eine oder andere Seite ergriffen würde. Inzwischen wird die Angelegenheit zum Glaubenskrieg Pro oder Kontra Kernenergie hochstilisiert. Von beiden Lagern wird soviel Blödsinn verbreitet, daß es dem Autor notwendig erscheint, ein paar erklärende Worte zu versuchen.

Grundsätzliches

Jedes Kernkraftwerk braucht einen Brennstoff und ein Arbeitsmedium. Für die (großtechnische) Stromerzeugung hat sich bis zum heutigen Tag nur der von einer Turbine angetriebene Generator durchgesetzt. Bei den Turbinen überwiegt die Dampfturbine und in wenigen Fällen die „Luftturbine mit innerer Verbrennung“, meist kurz „Gasturbine“ genannt. Für Kernkraftwerke scheidet die zweite aus. Deshalb funktionieren alle Kernkraftwerke mit Dampfturbinen. Wie bestimmend der Wasser-Dampf-Kreislauf für Kernkraftwerke ist, hat sich vor nicht all zu langer Zeit wieder an der Weiterentwicklung des mit Helium gekühlten Kugelhaufenreaktors gezeigt: China und Deutschland haben erfolgreich auf Dampfturbinen gesetzt, das Konsortium in Südafrika ist kläglich an der Entwicklung einer mit Helium betriebenen Gasturbine gescheitert.

Beim Brennstoff wird die Sache schon bedeutend vielfältiger: Man hat unterschiedliche Stoffe (z. B. Uran, Thorium, Plutonium) in unterschiedlichen chemischen Verbindungen (Uranoxid, -nitrid, -karbid, metallisch) und Aggregatzuständen (feste Tablette, wässrige Lösung, geschmolzene Salze) verwendet. Jede Brennstoffart hat ihre ganz charakteristischen Vor- und Nachteile, die in jedem konkreten Anwendungsfall abgewogen werden müssen. Den idealen Brennstoff gibt es nicht!

Ein wenig Neutronenphysik

Prinzipiell kann man jedes „schwere Element“ mit Neutronen spalten. Allerdings ist die Wahrscheinlichkeit für eine Spaltung nicht nur eine Stoffeigenschaft, sondern hängt auch von der Geschwindigkeit der auftreffenden Neutronen ab. Man unterscheidet deshalb in der Neutronenphysik bei jedem Isotop noch Absorptions-, Streu- und Spaltquerschnitte als Maß für die Wahrscheinlichkeit, was nach einem Zusammenstoß mit einem Atomkern passiert. Diese Querschnitte sind darüber hinaus keine einzelnen Werte, sondern Funktionen der Neutronengeschwindigkeit. Umgangssprachlich ausgedrückt: Wild gezackte Kurven.

Im Zusammenhang mit der „Atommüllproblematik“ kann also festgestellt werden, man kann alle Aktinoide – also insbesondere, die gefürchteten, weil sehr langlebigen Bestandteile der benutzten Brennelemente, wie Plutonium etc. – in (speziellen) Reaktoren spalten und damit unwiederbringlich aus der Welt schaffen. Alle Spaltprodukte wären nach rund 300 Jahren verschwunden. Es geht also nicht um ein etwas anderes Endlager, sondern um eine Beseitigung unter gleichzeitiger Energiegewinnung. Erforderlich ist bei einem solchen „Reaktor zur Beseitigung von langlebigen Aktinoiden“ ein hartes Neutronenspektrum. Die Neutronen dürfen nach ihrer Entstehung möglichst wenig abgebremst werden. Wie alle Erfahrungen international gezeigt haben, läßt sich das am wirksamsten mit einem natriumgekühlten schnellen Reaktor realisieren. Dafür ist kein „Salzbad“ zwingend notwendig.

Das einzige, in der Natur vorkommende Isotop, welches in der Lage ist eine Kettenreaktion einzuleiten, ist Uran-235. Hinzu kommen noch die beiden künstlich hergestellten Isotope Plutonium-239 (gewonnen aus Uran-238) und gegebenenfalls Uran-233 (gewonnen aus Thorium). Ohne wenigstens eines der drei, funktioniert kein Reaktor! Will man darüber hinaus einen Reaktor zur Beseitigung von (allen) Aktinoiden bauen, müssen diese Isotopen in hoher Konzentration (mindestens zweistellig) vorliegen, da ihre Einfangquerschnitte für diese Neutronengeschwindigkeiten sehr klein sind. Das andere Ende der Möglichkeiten, wie z. B. Schwerwasserreaktoren, können sogar mit Natururan (U-235 – Gehalt 0,7%) und Thoriummischungen betrieben werden. Unsere heutigen Leichtwasserreaktoren werden optimal mit einer Anreicherung von etwa 3 bis 5% betrieben.

Die Uranfrage

In der 1950er-Jahren gab es weltweit eine Uranknappheit. Man glaubte daher, ohne „Brüter“ keine friedliche Nutzung der Kernenergie schaffen zu können. Man kannte das Dilemma, daß man ausgerechnet für „Brüter“, also Reaktoren, die mehr Plutonium herstellen, als sie bei der Kernspaltung selbst verbrauchen, große Mengen Spaltmaterial benötigte. „Verdoppelungszeit“ war das Wort der Stunde. Gemeint ist damit der Zeitraum, der vergeht, bis so viel Plutonium erbrütet, wiederaufbereitet und verarbeitet ist, bis man damit einen zweiten Reaktor zusätzlich in Betrieb nehmen kann.

Eine Analyse des Problems führte zu flüssigen Brennstoffen. Bei einer Flüssigkeit kann man kontinuierlich einen Strom abzweigen und wieder aufbereiten. Wässrige Uranlösungen waren nicht zielführend, da man die unkontrollierbaren Ablagerungen im Reaktor nicht in den Griff bekam. Man ging zu geschmolzenem Salz über. In diesen Salzbädern konnte man auch Thorium – als weitere Rohstoffquelle – erschließen.

Thorium als Alternative

Um es gleich vorweg zu nehmen, um Thorium zu nutzen, braucht man keinen Salzbadreaktor. Dies hat Kanada/Indien (CANDU) und Deutschland (THTR) erfolgreich unter Beweis gestellt. Andererseits braucht man für Salzbadreaktoren nicht zwingend Thorium. Es geht auch mit Uran. Ein Mißverständnis, das oft in der Öffentlichkeit zu hören ist.

Zurück zum „Brüten“. Viele Spaltstoffe sind „parasitär“. Sie absorbieren einen Teil der bei der Spaltung frei gewordenen Neutronen. Diese sind dann sowohl für eine weitere Spaltung – um die Kettenreaktion überhaupt in Gang zu halten – oder eine Umwandlung von Uran oder Thorium unwiederbringlich verloren. Neutronen sind aber äußerst kostbar. Bei der Spaltung werden nur zwei bis drei freigesetzt. Eines braucht man für die nächste Spaltung (Kettenreaktion), die anderen könnten „brüten“. An dieser Stelle wird klar, warum es so schwer ist einen „Brüter“ zu bauen, bzw. die „Verdoppelungszeit“ grundsätzlich sehr lang ist: Zwei Neutronen sind weg (für die nächste Spaltung und um das gespaltene Atom zu ersetzen), es bleibt für einen Mehrwert nur die Stelle hinter dem Komma.

Zurück in die 1950er-Jahre: Man glaubte an eine Knappheit von Natururan, welches auch noch strategisch wichtig war (atomare Aufrüstung im kalten Krieg). Man wußte ferner, daß die „Verdoppelungszeiten“ für „schnelle Brüter“ sehr lang waren und deshalb der Ausbau der Nutzung der Kernenergie gefährdet schien. Ferner wußte man, daß die Vorräte an Thorium etwa vier mal so groß, wie die Welt-Uranvorräte sein mußten. Wenn dies auch nichts über die wirtschaftliche Gewinnung aussagt.

Bei Thorium kommt noch der Vorteil hinzu, daß die „Neutronenausbeute“ bei Spaltung durch schnelle oder langsame Neutronen nicht so verschieden ist. Hohe „Konversionsraten“ sind relativ einfach möglich. Dies war der zweite Vorteil – neben der hohen Betriebstemperatur – des deutschen THTR-Reaktor-Konzepts. Man benötigte eine relativ kleine Impfung mit hoch angereichertem Uran oder Plutonium, um den Reaktor zu starten. Der größte Teil der Energie wurde dann aus dem selbst umgewandelten Thorium erzeugt. Hoher Abbrand, bei geringem Einsatz von kostbarem Uran-235 bzw. Plutonium.

Salzbadreaktor

Wenn man einen Reaktor mit flüssigem Brennstoff bauen will, kommt man sehr schnell –und immer wieder – auf die sogenannten FLiBe-Salze. Eine Mischung auf der Basis von Fluor, Lithium und Beryllium. Sie haben geringe Einfangquerschnitte (wirken also kaum parasitär für die Neutronen), besitzen einen geringen Schmelzpunkt (sehr wichtig bei jeder Inbetriebsetzung) und sind (einigermaßen) nicht korrosiv.

Allerdings ist es zumindest diskussionswürdig, ob die in der Öffentlichkeit angeführten Vorteile überhaupt solche sind. Die Herstellung des „Betriebsmediums“ innerhalb eines Kraftwerks ist nicht unproblematisch. Ein Kraftwerk ist keine Chemiefabrik. Es sei nur darauf hingewiesen, daß Beryllium und seine Verbindungen hoch giftig und krebserregend sind. Die Aufrechterhaltung eines stets homogenen Brennstoffs von gleichbleibender chemischer und neutronenphysikalischer Qualität, ist eine echte Herausforderung.

Gut ein Drittel der Spaltprodukte sind Gase. Bei festen Brennelementen ist deren sicherer Einschluß im gasdicht verschweißten Rohr ein zentraler Bestandteil der Sicherheitsphilosophie. Bei einer Flüssigkeit perlen sie naturbedingt und unkontrollierbar aus. Es muß deshalb ständig ein Teilstrom ausgeschleust werden, aus dem durch Strippung mit Helium die gasförmigen (bei dieser Temperatur) Bestandteile abgeschieden werden. Diese sind hochradioaktiv und müssen sicher zurückgehalten werden. Die Abgasstrecke ist schon in einer konventionellen Wiederaufbereitungsanlage eine recht komplexe Angelegenheit. Hier kann aber nicht mit „abgelagertem“ Brennstoff, sondern muß stets mit frischem gearbeitet werden.

Die Salze sind auch nicht ganz billig. Auch hier nur ein Hinweis: Natürliches Lithium besteht aus 92,5% Lithium-7 und 7,5% Lithium-6. Lithium-6 sollte aber nicht verwendet werden, weil aus ihm durch Neutroneneinfang Tritium entsteht. Tritium ist in der Kerntechnik äußerst unbeliebt, da es mit Sauerstoff „radioaktives“ Wasser bildet, das aus dem biologischen Kreislauf praktisch nicht mehr zu entfernen ist. Deshalb muß das natürliche Lithium erst aufwendig angereichert werden. Bisher ging das großtechnisch nur unter Verwendung von Quecksilber. In Oak Ridge ist man seit Jahrzehnten damit beschäftigt, die Quecksilberverseuchung aus der Lithiumanreicherung wieder zu beseitigen.

Aufbereitung durch Pyroprocessing

In letzter Zeit findet bei der Wiederaufbereitung ein Paradigmenwechsel statt. Es steht nicht mehr die Gewinnung von möglichst reinem Uran bzw. Plutonium im Vordergrund, sondern die Gewinnung möglichst reiner Spaltprodukte. Je reiner die Spaltprodukte, je kürzer die Lebensdauer des „Atommülls“. Ein „Endlager“ wäre überflüssig. Je „schmutziger“ das Plutonium, je ungeeigneter zur Waffenproduktion.

Ein Favorit in diesem Sinne, ist das Pyroprocessing. Im Prinzip ist es das gleiche Verfahren, wie bei der Kupfergewinnung. Die Metalle (Uran, Plutonium und im Idealfall alle minoren Aktinoide) wandern von der Atommüll-Elektrode zur Rein-Metalle-Elektrode. Die Spaltprodukte bleiben im Elektrolyt zurück. Das Aktinoidengemisch wird zu neuen Brennelementen verarbeitet. Es ist für die Waffenherstellung ungeeignet.

Auch hierfür ist kein Salzbadreaktor erforderlich. Es wurde erfolgreich für den mit Natrium gekühlten IFR eingesetzt. Man könnte sogar konventionelle Brennelemente aus Leichtwasserreaktoren damit aufbereiten. Es ist lediglich eine Zusatzstufe zur Reduktion der Uranoxide notwendig. Die Koreaner arbeiten mit Hochdruck an dieser Schiene. Sie benötigen dieses Aufbereitungsverfahren, wegen der besonderen politischen Situation auf der koreanischen Halbinsel.

Fazit

In der Kürze eines solchen Artikels läßt sich die Breite der Kerntechnik nur anreißen. Es gibt in der Technik kein gut, sondern lediglich ein besser oder schlechter geeignet – und das ist in jedem einzelnen Anwendungsfall neu zu beurteilen. Es nutzt überhaupt nichts, wenn irgendwelche Trolle Diskussionen führen, wer den besseren Reaktor kennt. Solche Diskussionen sind genauso kindisch, wie die üblichen Argumentationsschlachten der Sonnenmännchen für ihre „regenerativen Energien“. Was die „Erfindung des Dual Fluid Reaktors“ betrifft, handelt es sich eher um den Entwurf für ein neues Perry Rhodan Heft, als um ein Patent für einen genehmigungsfähigen Reaktor. Dies ändert aber auch nichts an der Schwachsinnigkeit der Begründung der Ablehnung. Warum sagt „GreenTec Awards“ nicht einfach: Wir mögen keine Kernenergie, basta! Dies wäre völlig legitim. Unanständig wird die Sache erst dadurch, daß man die Entscheidung krampfhaft versucht zu begründen und dabei sogar Tatsachen verdreht.

Abgebrannte Brennelemente für die Sterilisation

Abgebrannte Brennelemente haben so viel mit Müll zu tun, wie die Tageszeitung von Vorgestern. Selbstverständlich sind beide für den Nutzer (Kraftwerk oder Leser) Abfall. Sie sind für diese nicht mehr zu gebrauchen, aber sie sind bei leibe alles andere als Müll. Sie lassen sich wieder aufarbeiten. Bei einem Brennelement sogar mit einer höheren Quote als bei Papier.

Es gibt sogar noch Zwischennutzungen bis zur Wiederaufbereitung. Beim Papier z. B. als Verpackungsmaterial. Auch für genutzte Brennstäbe zeichnet sich jetzt eine solche Zwischennutzung ab. An der Oregon State University hat man einen Weg ersonnen, die Strahlung zur Sterilisation von medizinischen Produkten nutzbar zu machen. Dies ist ein beständig wachsender Bereich. Bisher wird Cobalt (Co-60) verwendet, um insbesondere Einwegspritzen und Verbandmaterial zu behandeln. Dabei ist zu beachten, daß Cobalt-60 ein stark radioaktives Material ist, welches extra in Reaktoren hergestellt wird. Bewußt und kostspielig hergestellter „Atommüll“ (Halbwertszeit 5,3 Jahre) so zu sagen.

Inzwischen gibt es ein junges Unternehmen, welches das Verfahren weiterentwickelt hat und gerade durch Patente absichern läßt. Im Prinzip sollen die gebrauchten Brennstäbe in Spezialbehälter umgesetzt werden. Diese Behälter sorgen für einen zusätzlichen Schutz vor Beschädigung und sorgen für die Abfuhr der Nachzerfallswärme. Diese Behälter werden dann in einen Bestrahlungsraum gestellt, durch den vollautomatisch die zu bestrahlenden Güter hindurchgefahren werden. Man verwendet angeblich weitestgehend die in der Brennelementehandhabung und etablierten Bestrahlungstechnik angewendeten Verfahren. Das Unternehmen geht davon aus, daß es mit den Brennelementen nur eines einzigen Kernkraftwerks einen jährlichen Umsatz von über 10 Millionen US-Dollar erzielen könnte. Da das Verfahren wesentlich kostengünstiger als die Co-60-Methode sein soll, glaubt man an eine schnelle Ausweitung auch auf andere Anwendungen.

Mögen die Aussichten der Firma G-Demption LLC auch etwas optimistisch sein, wenn man weiß, wie kompliziert und langwierig Genehmigungsverfahren in der Kerntechnik sind. Andererseits ist es fast eine Gesetzmäßigkeit, daß aus Abfällen irgendwann begehrte Rohstoffe werden, denn der einzig wirklich unerschöpfliche Rohstoff ist der menschliche Erfindergeist.