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.

TRISO

Tri-Isotropic (TRISO) Brennstoff wird immer im Zusammenhang mit Hochtemperaturreaktoren (HTR) erwähnt. Oft mit schönen Bildern. Es lohnt sich, sich etwas näher damit zu beschäftigen.

Geschichte

Seit etwa 1957 wurde der Gedanke propagiert, sehr kleine Brennstoffpartikel mit geeigneten Mitteln zu ummanteln und als „Mini-Brennelemente“ einzusetzen. Im Vordergrund stand dabei der Gedanke, unterschiedlichste Brennstoffkombinationen zu verwenden: Hoch angereichertes Uran (HEU), schwach angereichertes Uran (LEU), Uran mit Thorium (U, Th), Uran mit Plutonium (U, Pu) und Plutonium (Pu). Es wurden umfangreiche Testreihen in aller Welt durchgeführt. Im Prinzip geht tatsächlich alles. Es gibt aber unterschiedlich Vor- und Nachteile.

So hat man z. B. in Deutschland auf Thorium als Brennstoff gesetzt. Man wollte damit eine zweite Schiene von Brutreaktoren schaffen, die die – wie man damals glaubte – geringen Uranvorräte strecken sollte. Diese Entwicklungsrichtung mündete in den Thorium-Hochtemperaturreaktor (THTR) in Hamm-Uentrop als Demonstrationskraftwerk. Diese Schiene kann man heute nur als Sackgasse bezeichnen. Jedenfalls so lange, wie die heutigen Regeln zur Nichtverbreitung von Kernwaffen bestehen bleiben. Man benötigte dafür nämlich auf 93% hoch angereichertes Uran. Heute lagern aus dieser Demonstration noch etwa 900 kg dieses Materials in der Form von schwach abgebrannten Brennelementen in Deutschland. Ein Thema, über das nicht gern öffentlich geredet wird: Die Grünen klammern sich an jedes Gramm, um ihren Gründungsmythos von der ungeklärten Entsorgungsfrage aufrecht erhalten zu können. Eigentlich müßte das Zeug längst in die USA verbracht sein. Es ist geradezu peinlich, wenn man vergleicht, welchen Aufwand die USA und sogar Rußland betreiben, um wenige Kilogramm aus Forschungsreaktoren weltweit wieder einzusammeln und zurück zu führen. In Deutschland steht das Zeug in mäßig bewachten Zwischenlagern rum. Eine tolle Ausgangsposition für Verhandlungen mit Iran, Nord Korea etc. Manchmal stellt man sich schon die Frage, ob das alles nur mit der Bildungsresistenz deutscher Politiker und ihrer ausgesuchten „Atomexperten“ erklärbar ist.

Aus diesen kleinsten Mini-Brennelementen kann man anschließend technische Brennelemente formen. Dafür haben sich zwei Wege heraus kristallisiert: Etwa tennisballgroße Kugeln oder sechseckige „Bausteine“ aus denen man einen Kern aufbauen kann. Die erste Variante ist besonders einfach zu produzieren und ermöglicht einen Reaktor, den man kontinuierlich beladen kann. Frische Kugeln werden oben eingebracht und gleichzeitig unten gebrauchte Kugeln ausgeschleust. Der eher konventionelle Aufbau aus Brennelementen ist dafür flexibler und auch für große Reaktoren geeignet. Letztendlich beruhen aber beide Prinzipien auf den sandartigen Mini-Brennelementen.

In Deutschland wurde zur Herstellung dieser Mini-Brennelemente das sogenannte Sol-Gel-Verfahren entwickelt. Später entwickelte die deutsche Firma NUKEM ein Verfahren für die freie Erstarrung solcher Kügelchen. Dieses Verfahren wurde von den Chinesen übernommen. Wiederum ein krasses Beispiel für den Ausverkauf deutscher Hochtechnologie. Einzig allein aus ideologischer Verblendung.

Herstellung der Kerne

Uranpulver (U3 O8) wird in Salpetersäure (HNO3) aufgelöst. Es bildet sich eine Uranylnitrat Lösung die noch mit Salmiak neutralisiert werden muß. Ihr werden diverse Alkohole zugesetzt um die Zähigkeit und Oberflächenspannung optimal einzustellen.

Diese eingestellte Lösung wird nun aus Glasröhren vertropft. Um die Tröpfchenbildung zu unterstützen, werden diese Röhrchen in Schwingungen versetzt. Aus jedem Röhrchen tropfen etwa 100 Tröpfchen pro Sekunde. Im freien Fall bilden sich daraus kreisrunde Kügelchen von definiertem Durchmesser. Noch sind es unbeständige Flüssigkeitstropfen. Diese fallen deshalb anschließend durch eine Ammoniak Atmosphäre (NH3), welche mit dem Uranylnitrat chemisch reagiert. Es bildet sich um die Kügelchen eine stabile Haut, die ausreicht, damit sie in dem anschließenden Bad ihre kreisrunde Form behalten. Es haben sich – noch weiche und empfindliche – Kugeln von knapp zwei Millimetern Durchmesser gebildet.

Diese Kugeln werden mit Dampf in rotierenden Trommeln behandelt. Dadurch wachsen in dem Gel Kristalle und sie werden fest. Anschließend werden diese Kugeln in mehreren Schritten mit Wasser und verschiedenen Chemikalien gründlich gewaschen. Dies ist wichtig, damit in den weiteren Verfahrensschritten kein Uran in die Kohlenstoffschichten verschleppt wird. Unter ständiger Rotation werden die Urankügelchen im Vakuum getrocknet. Die Kugeln schrumpfen dadurch auf etwa einen Millimeter Durchmesser. Im nächsten Schritt werden die Kügelchen bei 430 °C kalziniert. Durch diese hohe Temperatur zerlegen sich die organischen Bestandteile und werden ausgetrieben. Es bleiben Kügelchen aus UO3 mit einem Durchmesser von nur noch einem Dreiviertel-Millimeter zurück. Damit sich das UO3 zu UO2reduziert, werden sie in einem weiteren Schritt in einer Wasserstoff-Atmosphäre bei rund 600 °C geröstet. Im letzten Verfahrensschritt werden diese Kügelchen bei 1600 °C gebacken, um eine optimale Dichte und Festigkeit zu erlangen. Das Endprodukt sind Kügelchen mit knapp einem Halben-Millimeter Durchmesser. Sie werden noch fein gesiebt (zu klein = zu wenig Brennstoff und zu groß = zu viel Brennstoff) und die unrunden Partikel aussortiert.

Die Ummantelung

Ganz entscheidend beim TRISO-Konzept ist die Ummantelung der Brennstoffkerne. Sie muß gleichermaßen mehrere Funktionen erfüllen:

  • Mechanischer und chemischer Schutz der Brennstoffkerne vor Einwirkungen von außen. Die Ummantelung ist so stabil, daß sie einerseits für die direkte Endlagerung geeignet ist, andererseits aber eine Wiederaufbereitung erschwert.
  • Zurückhaltung von Spaltprodukten und Brennstoff, damit das Kühlmittel Helium möglichst sauber bleibt.
  • Volumenausgleich. Bei der Kernspaltung entsteht praktisch das gesamte Periodensystem – diese Stoffe können untereinander und mit dem freigewordenen überschüssigen Sauerstoff reagieren. Es ergeben sich auf jeden Fall neue chemische Verbindungen mit unterschiedlichen Dichten. Etwaige Ausdehnungen müssen durch die Ummantelung abgepuffert werden, um ein Aufsprengen der Brennelementen zu vermeiden.

Es werden insgesamt vier Schichten aufgetragen:

  1. Als innerste Schicht (≈ 95 µm), eine Schicht aus porösem Kohlenstoff. Sie soll wie ein Schwamm aus dem Kern austretende Spaltprodukte (z.B. die Edelgase) aufnehmen und auf Volumenänderungen ausgleichend wirken.
  2. Als zweite Schicht (≈ 40 µm), ebenfalls eine Kohlenstoffschicht, aber diesmal von hoher Dichte.
  3. Als dritte Schicht (≈ 35 µm), eine Schicht aus chemisch sehr widerstandsfähigem Siliciumcarbid. Sie hält fast alle Spaltprodukte auch unter extremen Bedingungen (Störfall) nahezu vollständig zurück.
  4. Als äußere Schicht (≈ 40 µm), wird noch eine weitere Schicht aus besonders dichtem Kohlenstoff aufgebracht.

Die Schichten werden aus der Gasphase abgeschieden. Für die porösen Schichten wird Azetylen (C2 H2) und für die dichten Schichten zusätzlich Propylen (C3 H6) verwendet. Zur Erzeugung der Schicht aus Siliciumcarbid wird Methylchlorsilane (CH3 SiCl5) verwendet.

Die Bildung der Schichten erfolgt in einem zylindrischen Reaktor, in dem die Brennstoffkügelchen geschüttet werden und anschließend von unten die Reaktionsgase eingeblasen werden. Dabei werden die Gase in eine so hohe Strömungsgeschwindigkeit versetzt, daß die Kügelchen gerade schweben (Wirbelschicht). Über die Steuerung der Temperatur (1200 bis 1500 °C) wird die Zersetzung der Gase und die Abscheidung auf den Kügelchen gesteuert.

Die Brennelemente

Es wird ein Pulver aus 64% Naturgraphit, 16% Elektrographit und 20% Phenolharz hergestellt. Mit diesem Pulver werden die ummantelten Kerne in einer rotierenden Trommel etwa 200 µm überzogen und bei 80 °C getrocknet. Diese Grünlinge dürfen einen Durchmesser von 1,1 bis 1,5 mm haben. Sie werden bei Raumtemperatur mit einem Druck von 50 bar in Silikonformen zu den brennstoffhaltigen Kernen der Brennelemente gepreßt. Eine zweite Form wird mit Reaktorgraphit ausgekleidet, die grünen Kerne eingelegt und mit einem Druck von 3000 bar zusammengepreßt. Dies ergibt die charakteristischen Kugeln für einen Kugelhaufenreaktor.

Damit sich das Phenolharz in Graphit zersetzt, werden die Kugeln in einer Argonatmosphäre auf 800 °C erhitzt. Zur Härtung werden sie anschließend noch in einem Vakuum bei fast 2000 °C geglüht. Wenn sie alle Qualitätstest bestanden haben, sind sie nun für den Einsatz im Reaktor fertig.

Qualitätskontrolle

Die Verfahrensschritte sind nicht geheimnisvoll. Das eigentliche Wissen liegt in der erforderlichen Qualitätskontrolle. Alle Verfahren müssen bei jedem Zwischenschritt zerstörungsfrei erfolgen. Wird bei einem Fertigungsschritt ein Fehler gemacht, ist das gesamte Fertigprodukt Ausschuss. Es muß also sehr sorgfältig geprüft werden. Hinzu kommt die astronomische Anzahl von Brennstoffkernchen. Es mußten deshalb ganz neue statistische Verfahren entwickelt werden.

Mögliche Fehler im Betrieb

Die Brennelemente sollen im Idealfall alle Spaltprodukte vollständig zurückhalten. Gelangt keine Radioaktivität in das Kühlmittel Helium, kann auch keine Radioaktivität aus dem Kraftwerk austreten. Es lohnt sich also, mögliche Schäden etwas näher zu betrachten. Ganz, lassen sich Schäden in der Technik nie verhindern. Es ist vielmehr entscheidend, wieviel Radioaktivität – auch bei einem schwersten Störfall – das Kraftwerksgelände verlassen kann.

  • Überdruck in den Kernen. Es entstehen gasförmige Spaltprodukte, insbesondere Edelgase. Hinzu kommt ein Sauerstoffüberschuss durch die Kernspaltung, da nicht jedes Sauerstoffatom der chemischen Verbindung UOeinen neuen Partner findet. Es bildet sich Kohlenmonoxid aus der Ummantelung. Diese Gase sollen in der ersten, porösen Schicht zurückgehalten werden. Werden die Qualitätsrichtlinien eingehalten, ergibt sich daraus kein ernsthaftes Problem.
  • Durch die Neutronenstrahlung schrumpft und dehnt sich der Kohlenstoff der Ummantelungen aus. Durch diese Spannungen können Risse auftreten. In Deutschland konnte diese Fehlerquelle fast vollständig ausgeschaltet werden.
  • Durch die Temperaturunterschiede zwischen dem Kern und der Oberfläche können Teile des Kerns in die Umhüllung wandern. Auch dieses Problem kann durch eine konsequente Qualitätskontrolle klein gehalten werden.
  • Edelmetalle greifen die Siliciumcarbid-Schicht chemisch an. Insbesondere Silber kann diese Schichten passieren und bildet unerwünschte Ablagerungen im Reaktor. Generell gilt, daß in die Ummantelung gewanderte Spaltprodukte bei der erhöhten Temperatur eines Störfalls zu unerwarteten Freisetzungen führen können.

Zusammenfasend kann man feststellen, daß hochwertig produzierte Brennelemente der beste Schutz gegen Freisetzungen bei einem Störfall sind. Hinzu kommt eine (aufwendige) Überprüfung jeder ausgeschleusten Kugel auf Schäden und den erfolgten Abbrand. Je weniger Kugeln „am Limit“ sich im Reaktor befinden, je größer sind die Sicherheitsreserven für einen Störfall. Dies war eine Erkenntnis des Versuchsreaktors AVR in Jülich, der als Forschungsreaktor natürlich seine Grenzen erkunden mußte.

Brennstoffkreisläufe

Durch die sehr guten neutronenphysikalischen Eigenschaften und die extreme Temperaturbeständigkeit von Kohlenstoff ist das TRISO-Konzept sehr flexibel. Es ist gering angereichertes Uran verwendbar, aber auch Mischoxide oder sogar reines Plutonium, sowie Kreisläufe auf der Basis von Thorium.

Favorit ist derzeit die Verwendung von leicht angereichertem Uran. Allerdings muß die Anreicherung deutlich höher als bei Leichtwasserreaktoren sein. Ursache ist beim TRISO-Brennstoff die räumliche Verteilung, durch die eine Selbstabschirmung eintritt.

Gemische aus Plutonium und Uran können auch verwendet werden. Diese können als Karbide oder Nitrite eingesetzt werden. Favorit dürfte wegen der Erfahrungen in Leichtwasserreaktoren Mischoxide (MOX) sein.

Es wurden sogar reine Plutonium-Brennstoffe untersucht. Dies geschah aus dem Gedanken, insbesondere Plutonium aus einer Abrüstung zu verbrennen. Vielen Kritikern machen die weltweit ständig steigenden Plutoniumvorräte sorgen. Allerdings ist bis zu einem Prototyp noch sehr viel Forschung und Entwicklung nötig.

Das aus Thorium gebildete U-233 ist mit Abstand das beste Spaltmaterial für thermische Reaktoren. Aus diesem Grunde wurde in USA und Deutschland schon sehr früh das Thorium-Brutreaktor-Konzept favorisiert. Allerdings dürfte die Verwendung von hoch angereichertem Uran heute nicht mehr praktikabel sein. Für eine mittlere Anreicherung bzw. Verwendung von Plutonium als Ersatz, ist noch sehr viel Forschung nötig.

Entsorgung

Ein TRISO-Brennelement besteht aus 94% Graphit. Einerseits ist das für eine (auch sehr lange) Zwischenlagerung eine sehr gute Verpackung, andererseits muß man gewaltige Volumen lagern. Es empfiehlt sich daher eine Wiederaufbereitung um das Volumen zur Endlagerung klein zu halten. Leider gilt aber: Je (mechanisch und chemisch) stabiler ein Brennelement ist, je geringer ist (auch) im Störfall die Freisetzung von Spaltprodukten. Allerdings ist es dann auch um so aufwendiger an diese Spaltprodukte und Wertstoffe heranzukommen. Bei noch nicht bestrahlten Brennelementen ist das Stand der Technik. Der Ausschuss jeder Produktionsstufe wird wieder in die Ursprungsprodukte zerlegt und wiederverwendet.

Im Betrieb wird radioaktives C14 gebildet. Dieser Kohlenstoff bleibt in der Matrix gelöst. Insbesondere bei Feuchtigkeit kann dieses C14 in der Form von CO2 Gas austreten. Ähnliches gilt für radioaktives Tritium H3. Die auftretenden Mengen sind so gering, daß sie bei einer Wiederaufbereitung nach entsprechender Verdünnung in die Umwelt abgegeben werden könnten. Beide Stoffe kommen ohnehin in der Natur vor.

Die Mengen sind nicht sonderlich hoch. Bei einem Hochtemperaturreaktor dürften in seinem Leben von 60 Jahren rund 5000 bis 10000 to abgebrannter Brennelemente anfallen. Diese entwickeln nach etwa drei Jahren etwa 100 W Wärme pro Lagerkanne. Dieser Wert halbiert sich noch einmal nach 50 Jahren. Eine Lagerung ist also kein Problem.

Hat man erstmal die Kerne „zerstört“ – gemeint ist damit, die Kohlenstoffschichten mechanisch und/oder chemisch entfernt – ist die Wiederaufbereitung in leicht modifizierten PUREX-Anlagen möglich.

TRANSATOMIC – schon wieder ein neuer Reaktortyp?

Es tut sich wieder verstärkt etwas bei der Weiterentwicklung der Reaktortechnik in den USA.

Gänzlich anders als in Deutschland, in dem man sich mehr denn je zurück ins Mittelalter träumt, setzt man in USA verstärkt auf die Ausbildung junger Ingenieure und Wissenschaftler und ermutigt sie, eigene Unternehmen zu gründen. Eines der Programme ist das Gateway for Accelerated Innovation in Nuclear (GAIN), des U.S. Department of Energy (DOE). Vereinfacht gesagt, gibt es dort Gutscheine, die die (sonst kostenpflichtige) Nutzung staatlicher Forschungseinrichtungen durch Unternehmensgründungen ermöglichen. Acht solcher „Gutscheine“ im Gesamtwert von zwei Millionen Dollar gingen an sog. startups aus der Kerntechnik.

Eines dieser jungen Unternehmen der Kerntechnik ist Transatomic Power Corporation (TPC). Wie so oft in den USA, ist es eine Gründung von Absolventen des MIT. Glückliches Amerika, in dem noch immer tausende junger Menschen bereit sind, sich den Strapazen eines Kerntechnik-Studienganges aussetzen, während man hierzulande lieber „irgendwas mit Medien“ studiert. Allerdings kennt man in den USA auch keine Zwangsgebühren zur Schaffung von hoch dotierten Nachrichtenvorlesern und Volksbelehrern. Jeder Staat setzt halt seine eigenen Prioritäten.

Noch etwas ist in den USA völlig anders. Das junge Unternehmen hat bereits mehrere Millionen Dollar privates Risikokapital eingesammelt. Es braucht noch mehr Kapital und hat deshalb ein Papier veröffentlicht, in dem das Konzept seines Reaktors näher beschrieben ist. Sicherlich ein erhebliches wirtschaftliches Risiko. Man vertraut offensichtlich darauf, mangelnde „Geldmacht“ durch Schnelligkeit kompensieren zu können. Erklärtes Ziel ist es, möglichst schnell einen kleinen Versuchsreaktor mit 20 MWth zu bauen. Das erste kommerzielle Kraftwerk soll rund 500 MWel (1250 MWth.) Leistung haben und rund zwei Milliarden Dollar kosten.

Abgebrannte Brennelemente als Brennstoff

Der Reaktor ist vom Typ „molten salt“. Der Brennstoff wird in geschmolzenem Salz gelöst, welches gleichzeitig dem Wärmetransport dient. Populär ist dieser Reaktortyp im Zusammenhang mit Thorium gemacht worden. Man beschränkt sich hier bewußt auf Uran als Brennstoff, um auf die dafür vorhandene Infrastruktur zurückgreifen zu können. Thorium wird eher als Option in ferner Zukunft gesehen.

Der besondere Charme dieses Konzeptes liegt in der Verwendung abgebrannter Brennelemente aus Leichtwasserreaktoren als Brennstoff. Solche abgebrannten Brennelemente bestehen zu rund 95% aus Uran-238 und etwa je einem Prozent Uran-235 und Plutonium. Der Rest sind Spaltprodukte als Abfall. Das klassische Modell, wie es z.B. in Frankreich praktiziert wird, ist die Wiederaufbereitung nach dem Purex-Verfahren: Man erhält sehr reines Uran, welches als Ersatz für Natururan wieder in den Kreislauf zurückgeführt wird und reines Plutonium, welches als Mischoxid zu neuen Brennelementen verarbeitet wird. Die Spaltprodukte mit Spuren von Aktinoiden werden verglast und als Atommüll endgelagert. Für diese chemischen Prozeßschritte (Wiederaufbereitungsanlage) geht man von Kosten in Höhe von 1300 bis 3000 US-Dollar pro kg aus. Bei heutigen Preisen für Natururan eine unwirtschaftliche Angelegenheit. Deshalb füllen sich die Lager mit abgebrannten Brennelementen auch weiterhin. Allein in den USA lagern über 70.000 to ausgedienter Brennelemente. Für die „Zwischenlagerung“ in Behältern (ähnlich den Castoren in Deutschland) geht man von etwa 100 Dollar pro kg aus. Für die „Entsorgung“ haben sich bereits über 31 Milliarden US-Dollar Rücklagen angesammelt – was etwa 400 Dollar pro kg entspricht.

Wem es gelingt, einen Reaktor zu bauen, der die abgebrannten Brennelemente „frißt“, ist in der Rolle einer Müllverbrennungsanlage: Er wird für die Beseitigung des Mülls bezahlt und kann sich mit seinem Preis an den anderen Möglichkeiten (z. B. Müllkippe) orientieren. Die entstehende Wärme ist umsonst. Die elektrische Energie aus der „Müllbeseitigung“ ist ein weiteres Zubrot. Es kommt lediglich darauf an, eine besonders günstige „Müllverbrennungsanlage“ zu bauen. Genau an diesem Punkt, setzt TPC an.

Das Transatomic Konzept

Die Angst vor dem „Atommüll“ wird mit seiner Langlebigkeit begründet. Es gibt wahrlich gefährlichere Stoffe, als abgebrannte Brennelemente. Solange man sie nicht aufisst, sind sie recht harmlos. Es ist aber die berechtigte Angst, ob man diese Stoffe für Jahrmillionen sicher von der Biosphäre fern halten kann, die viele Menschen umtreibt. Spaltprodukte sind in diesem Sinne kein Problem, da sie in wenigen hundert Jahren faktisch von selbst verschwunden sind. Jahrhunderte sind aber durch technische Bauwerke (Kathedralen, Pyramiden etc.) oder natürliche Barrieren (einige hundert Meter gewachsene Erdschichten) sicher beherrschbar.

Man kann aber alle langlebigen Aktinoide durch Spaltung in kurzlebige Spaltprodukte umwandeln und dabei noch riesige Mengen Energie erzeugen – am besten in einem Kernkraftwerk. Ein solcher Reaktor muß besonders sparsam mit den bei einer Spaltung freiwerdenden Neutronen umgehen, um möglichst viele andere Kerne umzuwandeln und letztendlich zu spalten.

  • Spaltprodukte haben teilweise sehr große Einfangquerschnitte. Mit anderen Worten, sie wirken parasitär indem sie wertvolle Neutronen „wegfangen“. Die Konsequenz ist eine integrierte Wiederaufbereitung. Dies läßt sich nur über eine Brennstofflösung erreichen.
  • Es dürfen nur möglichst wenig Neutronen das System verlassen. Dazu muß man den Reaktor mit einem Reflektor versehen, der die Neutronen wieder in den Reaktor zurück streut. Idealerweise verwendet man dafür ebenfalls Uran, damit nicht zurück streubare Neutronen bei ihrem Einfang wenigstens neuen Spaltstoff – hier Plutonium – erzeugen.
  • Bei Reaktoren mit festen Brennstoffen, kann man die Spaltstoffe nicht kontinuierlich ersetzen. Man benötigt deshalb zu Anfang eine Überschußreaktivität. So zu sagen, mehr Spaltstoff als eigentlich zuträglich ist. Diese Überschußreaktivität muß durch Regelstäbe und abbrennbare Gifte kompensiert werden: Wertvolle Neutronen werden unnütz weg gefangen.

Will man mit möglichst geringer Anreicherung auskommen – was einem bereits abgebrannten Brennelement entspricht – muß man zwingend auf ein thermisches Neutronenspektrum übergehen. Sogenannte „Schnelle Brüter“ erfordern eine zweistellige Anreicherung. Also wesentlich höher, als sie in einem frischen Brennelement für einen Leichtwasserreaktor vorliegen. Man kann in einem thermischen Reaktor zwar nicht brüten – also mehr Spaltstoff erzeugen als beim Betrieb verbraucht wird – aber fast genau soviel erzeugen, wie verbraucht wird. Man muß es auch gar nicht, da ja der „Atommüll“ noch Spaltstoff enthält.

Wieviel wird nun gespart?

Ein heutiger Leichtwasserreaktor produziert pro 1000 MWel etwa 20 to abgebrannter Brennelemente pro Jahr. Geht man von einer direkten Endlagerung aus, ist dies die Menge „Atommüll“ die in ein Endlager muß. Erzeugt man die gleiche elektrische Energie aus eben solchem „Atommüll“, ist diese Menge schon mal komplett eingespart.

Gleichzeitig wird aber auch der ursprünglich vorhandene „Atommüll“ in der Form abgebrannter Brennelemente weniger. Die Energie wird durch die Spaltung von Atomkernen erzeugt. Sie sind nach der Spaltung unwiederbringlich vernichtet. Wird Uran noch von vielen Menschen als natürlich und damit relativ harmlos angesehen, ist z. B. Plutonium für sie reines Teufelszeug. Genau diese Stoffgruppe dient aber bei diesem Reaktortyp als Brennstoff und wird beständig verbraucht.

Ein solcher Reaktor produziert rund 1 to Spaltprodukte pro 1000 MWel und Jahr. Die Spaltprodukte sind darüberhinaus in einigen Jahrhunderten – gegenüber 100.000den von Jahren bei Plutonium – verschwunden. In Bezug auf die Energieversorgung sind solche Reaktoren eine echte Alternative zu sog. „Schnellen Brütern“. Bereits die vorhandenen abgebrannten Brennelemente und die absehbar hinzukommenden, wären eine schier unerschöpfliche Energiequelle.

Was ist neu bei diesem Reaktortyp?

In den USA hat man über Jahrzehnte Erfahrungen mit Salzschmelzen in Versuchsreaktoren gesammelt. Hier strebt man bewußt die Verwendung von Uran und nicht von Thorium an. Dies hat bezüglich des Salzes Konsequenzen: Lithiumfluorid kann wesentlich höhere Konzentrationen Uran gelöst halten (LiF-(Actinoid)F4) als das bekanntere FLiBe-Salz. Erst dadurch ist der Einsatz abgebrannter Brennelemente (niedrige Anreicherung) möglich. Allerdings liegt die Schmelztemperatur dieses Brennstoffs bei etwa 500 °C. Ein wesentliches Sicherheitskriterium ist daher, Verstopfungen in Kanälen und Rohrleitungen durch Ablagerungen, sicher zu vermeiden.

Als Moderator sollen Stäbe aus Zirconiumhydrid eingesetzt werden. Sie wirken wie „umgekehrte Regelstäbe“: Je tiefer sie in die Schmelze eingetaucht werden, um so mehr Neutronen werden abgebremst und die Spaltungsrate erhöht sich. Die Moderation solcher Stäbe ist gegenüber früher verwendetem Graphit so viel besser, daß fast der doppelte Raum für die Salzschmelze bei einem vorgegebenen Reaktorvolumen zur Verfügung steht. Ein weiterer wichtiger Schritt zu der Verwendung von „Atommüll“ als Brennstoff.

Die integrierte Wiederaufbereitung

Die Spaltprodukte müssen kontinuierlich aus der Salzschmelze entfernt werden. Sie wirken nicht nur parasitär, sondern stellen auch das eigentliche Sicherheitsproblem dar. Je weniger Spaltprodukte gelöst sind, um so weniger Radioaktivität könnte bei einem Störfall freigesetzt werden.

Etwa 20% der Spaltprodukte sind Edelgase. Sie sollen mit Helium aus der Salzschmelze abgeschieden werden und anschließend in Druckgasflaschen gelagert werden.

Rund 40% der Spaltprodukte sind Metalle, die Kolloide in der Schmelze bilden. Sie sollen mit Geweben aus Nickel ausgefiltert werden.

Der Rest – hauptsächlich Lanthanoide – sind sehr gut in der Salzschmelze gelöst. Sie sollen mittels flüssigen Metallen extrahiert werden und anschließend in eine keramische Form zur Lagerung überführt werden.

In der Abscheidung, Behandlung und Lagerung der Spaltprodukte dürfte die größte Hemmschwelle bei der Einführung von Reaktoren mit Salzschmelzen liegen. Welcher Energieversorger will schon gern eine Chemiefabrik betreiben? Vielleicht werden deshalb erste Anwendungen dieses Reaktors gerade in der chemischen Industrie liegen.

Zusammenfassung

Der Gedanke, „Atommüll“ möglichst direkt als Brennstoff einzusetzen, hat Charme. Wirtschaftlich kommt man damit in die Situation einer Müllverbrennungsanlage. Man kann sich an den Aufbereitungs- und Entsorgungspreisen des Marktes orientieren. Diese Einnahmen sind schon mal vorhanden. Die Stromproduktion ist ein Zubrot. Es wird noch sehr viel Entwicklungszeit nötig werden, bis ein genehmigungsfähiger Reaktor vorliegt. Auch die Kostenschätzung über zwei Milliarden Dollar für den ersten kommerziellen Reaktor, ist in diesem Sinne mit der gebotenen Vorsicht zu betrachten. Allerdings handelt es sich bei diesem Reaktor nicht um ein Produkt einer „Erfindermesse“. Man hat sehr sorgfältig den Stand der Technik analysiert und bewegt sich auf allen Ebenen auf dem machbaren und gangbaren Weg. Es ist nur zu hoffen, daß diesem jungen Unternehmen noch etwas Zeit verbleibt, bis es – wie so viele vor ihm – auf und weg gekauft wird.

Weltweit tut sich etwas in der Entsorgungsfrage: Salzbadreaktoren, Entwicklung metallischer Brennstoffe – sogar für Leichtwasserreaktoren – und abgespeckte chemische Wiederaufbereitungsverfahren in Rußland.

PRISM das moderne Entsorgungszentrum? Teil 2

Bei jeder öffentlichen Diskussion ist der „Atommüll“ der Aufreger schlecht hin. Spätestens an diesem Punkt, kommt meist die Ablehnung jeglicher Nutzung der Kernenergie in Deutschland. Die Propaganda hat hier ganze Arbeit geleistet. Es macht nicht einmal stutzig, daß dies schon in unseren Nachbarländern anders gesehen wird.

Was ist eigentlich Abbrand?

Dieser Begriff hat sich wegen seiner Anschaulichkeit so durchgesetzt. Einen Kernreaktor kann man nur mit der typischen Konzentration von spaltbarem Material – eine übliche Bezeichnung für U235 oder Pu239 – betreiben. Bei Reaktoren mit schwerem Wasser reicht schon Natururan aus, bei Leichtwasserreaktoren ist eine Anreicherung auf 3 bis 5 Prozent nötig und bei schnellen Reaktoren sogar bis zu 20%. Haben die Brennelemente nun eine gewisse Zeit im Reaktor Wärme produziert, würde irgendwann die Kettenreaktion zusammen brechen, wenn man nicht einige Brennelemente auswechseln würde. Angestrebt wird immer ein möglichst hoher Abbrand, was ein anderer Ausdruck für die Spaltung von Kernen ist. Gebräuchliche Maßeinheit hierfür ist MWd/to SM (Megawatt Tage pro Tonne Schwermetall). Wenn man 1gr Uran bzw. Plutonium spaltet, wird ziemlich genau ein MWd – oder 24000 kWh – Wärme frei. Eine gewaltige Menge, mit der man schon mitten in der „Atommüll-Frage“ steckt. 2014 wurde in Deutschland 55970 GWh elektrische Energie durch Windkraft erzeugt. Hätte man diese Strommenge in den Kernkraftwerken erzeugt, hätten dafür rund 7000 kg Uran gespalten werden müssen. Ein Würfel von 72 cm Kantenlänge. Warum also die ganze Aufregung?

Wieso Recycling?

Für den Windstrom wären ungefähr 7 GW Leichtwasserreaktoren (gegenüber 39 GW Windmühlen) nötig gewesen. Dafür hätte man erst einmal über 1000 to Natururan fördern müssen, die nach der Anreicherung zu rund 186 to Reaktorbrennstoff verarbeitet worden wären – der berüchtigte deutsche Atommüll, mit seiner „ungeklärten Entsorgungsfrage“. An dieser Stelle wird schon mal klar, warum „Atomkraftgegner“ monatelang – oft gewalttätig – gegen die einst geplante Wiederaufbereitungsanlage gekämpft haben: 186 to sind mehr als 25 mal so viel, wie 7 to. Gerne wird auch noch das geförderte Natururan dem „zu entsorgenden“ Müll hinzugerechnet und fälschlicherweise behauptet, eine Wiederaufbereitungsanlage würde zusätzlichen Atommüll erzeugen. Flugs ist man nach dieser Zahlenakrobatik auf der Suche nach einem gigantischen Endlager. Erst einmal die Probleme schaffen, die man anschließend vorgibt zu lösen.

An dieser Stelle ist es an der Zeit, die drei grundsätzlichen Möglichkeiten kurz zu betrachten:

  1. Man verbuddelt alle benutzten Brennelemente in einem „Endlager“. Schon hier gibt es zwei deutlich unterschiedliche Varianten: Die „Schwedische-Lösung“ eines Langzeitlagers hunderte Meter unter Granit. Die Brennelemente werden in Kupferbehälter eingeschweißt und sollen ausdrücklich rückholbar – eventuell erst in Jahrhunderten – eingelagert werden. Die „Deutsche-Endlager-Lösung“ mit dem Anspruch eines „absolut sicheren“ Einschlusses über „geologische Zeiträume“. Wegen dieses Anspruches hat man auch folgerichtig gleich Fachkräfte für Glaubensfragen und nicht Ingenieure mit der Suche betraut.
  2. Man geht – wie z. B. in Frankreich – den Weg über eine Aufbereitung und Wiederverwendung im vorhandenen System. Ein abgebranntes Brennelement eines Druckwasserreaktors enthält immer noch rund 95% Uran, 1% Transurane und 4% Spaltprodukte. Das Uran wird wieder neu angereichert, das Plutonium zu sog. Mischoxid-Brennelementen verarbeitet und lediglich die Spaltprodukte und minoren Aktinoiden verglast und als „Atommüll endgelagert“. Auch dieser bewußt rückholbar, denn er enthält wertvolle Rohstoffe. Nachteil dieses Weges ist die erforderliche Reinheit von Uran und Plutonium, um sie in vorhandenen Leichtwasserreaktoren wieder einsetzen zu können. Alle minoren Aktinoide werden deshalb den Spaltprodukten zugeschlagen und machen damit diesen Atommüll sehr langlebig.
  3. Man betrachtet die abgebrannten Brennelemente als Brennstoff für schnelle Reaktoren. Die dort verwendeten metallischen Brennstoffe haben keine besonderen Anforderungen an die Reinheit. Man kann deshalb zu Aufbereitungsverfahren übergehen, die Uran zusammen mit allen Transuranen (also auch Plutonium und den minoren Aktinoiden) abscheiden. Hier liegt umgekehrt das Bestreben, möglichst reine Spaltprodukte zu erlangen. Man hat damit einen relativ kurzlebigen (Gefährdungspotential einiger Jahrzehnte bis Jahrhunderte) Abfall, der automatisch ein sehr wertvolles „Erz“ ergibt. Eine „Endlagerung“ wäre nicht nur unnötig, sondern eher Verschwendung. Zumal die relativ geringen Mengen (siehe oben) einfach und sicher zu lagern sind.

Grundsätzlich gibt es auch noch andere Wege. Verwendung des abgebrannten Brennstoffes in Schwer-Wasser-Reaktoren. An diesem Weg wird zielstrebig in Korea gearbeitet oder die „Entschärfung“ des Atommülls in Beschleunigern (Versuchsanlage in Belgien) und Spallationsquellen (USA). Nur die Politik in Deutschland, hat sich in einer „Endlösung“ mit „Atomausstieg“ verrannt.

Warum soll „Atommüll“ eigentlich gefährlich sein?

Spaltprodukte wandeln sich über sog. Zerfallsketten um und senden bis zum Erreichen ihres stabilen Endglieds Strahlung aus. Das ist eigentlich überhaupt kein Problem, denn man kann die Quelle leicht und wirksam abschirmen (z. B. Castor-Behälter). Niemand ist gezwungen, Atommüll zu essen. Das mag sich flapsig anhören, ist aber wörtlich zu nehmen. Erst wenn radioaktive Stoffe unmittelbar in den Körper gelangen, können sie gefährlich werden. Dabei kommt es nicht nur auf die Menge, sondern auch den chemischen Zustand an. Plutonium ist z. B. rein chemisch betrachtet, ein Knochengift. Die biologische Verweildauer (bis es ausgeschieden ist) ist z. B. entscheidend abhängig von der Wertigkeit, in der es vorliegt und damit seiner Löslichkeit im Körper. Jod wird selektiv in der Schilddrüse angereichert. Strontium ist dem Kalzium verwandt und ersetzt dies gern in den Knochen usw.

Radioaktive Stoffe können überhaupt erst gefährlich werden, wenn sie in die Biosphäre gelangen und letztendlich über die Nahrungskette in den Menschen. Aber auch dann ist noch die Frage der Dosis zu stellen. Wir haben sehr genaue Kenntnisse über Wege und Wirkungen. Es gibt für jeden Stoff einen Grenzwert z. B. für Trinkwasser. Diese sind ausnahmslos sehr konservativ festgesetzt. Wer sich einmal mit dieser Materie beschäftigt, wird feststellen, daß selbst eine zigfache Überschreitung der Grenzwerte noch zu keiner akuten Gefährdung einer durchschnittlichen Person führt. Wer anderes behauptet, glaubt auch an die heilende Wirkung irgendwelcher esoterischen Amulette. Möge ihm sein Aberglaube erhalten bleiben, aber versuche er nicht, sein Unwissen als Wissenschaft zu verkaufen und anderen Menschen Angst einzujagen.

Wären radioaktive Stoffe auch nur annähernd so gefährlich, wie „Atomkraftgegner“ gern behaupten, wäre die Menschheit längst ausgestorben. Man denke nur an die Kinder der fünfziger Jahre. Es wurden Tonnen radioaktiver Stoffe bei den Kernwaffentests in die Atmosphäre freigesetzt. Noch heute kann man diese Belastungen weltweit in den Knochen und Zähnen der Betroffenen messen. Wohlgemerkt messen, nicht nur vermuten. Wir haben zwar keine direkten Sinne für Strahlung, aber unsere Meßtechnik ist so verfeinert, daß immer die „Isotopenzusammensetzung“ helfen muß, wenn andere forensische Verfahren längst versagt haben.

Wieso unterirdische Lager?

Für die Gefährlichkeit der radioaktiven Abfälle gibt es zwei wesentliche Einflüsse: Zeit und Konzentration. Je länger es dauern würde, bis die radioaktiven Stoffe wieder in die Biosphäre gelangen, je weniger gibt es überhaupt noch von ihnen. Der Zerfall ist durch nichts aufzuhalten und er geht immer nur in die eine Richtung – Umwandlung in stabile Atome. Ein typisches deutsches Brennelement (Anfangsanreicherung 3,3%, Abbrand 34000 MWd/tU) enthält nach der Entladung 3,62 % Spaltprodukte. Bereits nach einem Jahr sind 3% in einem stabilen – also nicht mehr radioaktiven – Zustand. Zu den 0,62% radioaktiven Spaltprodukten kommen noch 0,9% Plutonium und 0,72% minore Aktinoide. Nur die beiden letzten Gruppen, sind sicherheitstechnisch von langfristigem Interesse.

Man verglast nun die Spaltprodukte und die minoren Aktinoide. Diese „radioaktiven Glasblöcke“ würden in 100 000 Jahren etwa zu 2% aufgelöst, wenn sie im Wasser stehen würden. Das ist die erste Barriere. Wenn sie sich so langsam auflösen, würde dies zu sehr geringen Konzentrationen im Wasser führen. Umgangssprachlich wäre das Wasser nur leicht radioaktiv. Jetzt müßte es aber noch mehrere hundert Meter durch etliche Gesteins- und Bodenschichten aufsteigen. Dies geht nicht nur extrem langsam, noch erfolgt es in einer Rohrleitung, sondern durch einen „riesigen Ionentauscher“. Es kommt nur sehr wenig von dem, was unten ins Wasser überhaupt rein geht, auch oben an. Umgangssprachlich filtert der Boden fast alles raus.

Damit kein Mißverständnis entsteht: Sicherheitstechnisch ist es überhaupt kein Problem, radioaktive Abfälle in einem speziellen Bergwerk gefahrlos und „für ewig“ zu vergraben. Allerdings muß diese Lösung einem Ingenieur widerstreben. Warum soll man Papier und Plastikbecher aussortieren, wenn man Brennelemente einfach am Stück wegwirft?

Wie gefährlich ist gefährlich?

Die Maßeinheiten in der Kerntechnik sind für Menschen, die nicht täglich damit umgehen, wenig verständlich. Dies wird von der Betroffenheitsindustrie weidlich ausgenutzt. Genüsslich wird mit riesigen Zahlen an Becquerel und Sievert nur so um sich geschmissen. Eigentlich ist der psychologische Trick einfach durchschaubar: So schrecklich viel, muß doch einfach gefährlich sein. Es kann also nicht schaden, die Angelegenheit etwas auf die Ebene der Alltagserfahrungen zurück zu holen.

Fangen wir mal mit der guten alten Maßeinheit der Madame Curie an: 1 Curie (Ci) entspricht 3,7 x 1010. Becquerel (Bq) oder anschaulich 1 Gramm Radium. Radium wurde bis in die 1930er Jahre in Medikamenten, Kosmetika und Leuchtstoff für Instrumente und Uhren verkauft. Bis man seine krebserzeugende Wirkung (in hoher Konzentration) erkannte.

Der Abfall aus der Aufbereitung von Brennelementen aus Leichtwasserreaktoren mit allen Spaltprodukten, minoren Aktinoiden und einem Rest von 0,5% Uran und 0,5% Plutonium (alles bezogen auf den ursprünglichen Gehalt im Brennstab vor der Aufbereitung) hat ein Jahr nach der Entladung ziemlich genau eine Radioaktivität von 106 Ci pro Tonne Schwermetall .(im ursprünglichen Brennstab). Die Radioaktivität der Spaltstoff-Lösung (nicht des Glasblockes!) entspricht also ziemlich genau der von Radium. Entscheidend ist, daß die Radioaktivität der Aktinoide zu diesem Zeitpunkt erst 1% ausmacht. Sie sind halt sehr langlebig und tragen damit noch wenig zur Aktivität bei. Nach etwa 500 Jahren ist der Schnittpunkt erreicht: Die Aktivität der Spaltprodukte entspricht der Aktivität der Aktinoide mit deren Zerfallsprodukten. Die Radioaktivität des Atommülls aus der Wiederaufbereitung ist auf rund 0,01% des ursprünglichen Wertes nach der Entladung abgefallen. Wären keine langlebigen Aktinoide im Abfall enthalten, wäre jetzt die Gefahr faktisch vorbei.

Ein anderer Versuch zur Veranschaulichung ist der Vergleich zwischen der Aktivität des Atommülls mit der ursprünglich zur Energieerzeugung geförderten Uranmenge. Uranerz enthält auch immer „Atommüll“, da durch die spontanen Zerfälle auch Spaltprodukte erzeugt worden sind (z. B. Radon). Diese Belastung mit Radionukliden in Gebieten mit Uranlagerstätten (z. B. Sachsen, Tschechien etc.) ist offensichtlich für den Menschen tolerierbar. Wäre das nicht der Fall, müßten überdurchschnittlich viele Sterbefälle in diesen Gebieten nachweisbar sein. Wirft man komplette Brennstäbe weg, wird diese Aktivität erst nach rund 30 000 Jahren erreicht. Solange hat man also zusätzliche Radioaktivität in die Natur eingebracht. Spaltet man das Plutonium in der Form von Mischoxid-Brennelementen in Leichtwasserreaktoren, wird dieser Zeitraum auf rund 1000 Jahre verkürzt. Ein doppelter Ertrag: Das langlebige Plutonium ist weg und für die damit zusätzlich erzeugte Energie braucht kein zusätzliches Uran gefördert werden.

Ein weiterer Vergleichsmaßstab ist Pechblende. Verbuddelt man komplette Brennstäbe, wird die Aktivität von Pechblende für diesen Atommüll auch nach über einer Million Jahren nicht erreicht. Verbuddelt man den verglasten Abfall nach der Wiederaufbereitung, wird der Wert schon nach etwa 80 000 Jahren erreicht. Entfernt man auch noch die Aktinoiden aus diesem Abfall, nach wenigen hundert Jahren (je nach Reinheit). An dieser Stelle dürfte jedem die Bedeutung der „Entsorgungsfrage“ für Pseudo-Umweltschützer klar geworden sein. Als die Grünen die Wiederaufbereitung in Deutschland gekippt hatten, glaubten sie das Totschlagargument gegen die Kernenergie gefunden zu haben: Die selbsterschaffene Gefahr für geologische Zeiträume, die man angeblich den Nachfahren aufbürdet. Politisch besser zu verwenden, als jeder Hexenwahn im Mittelalter.

Zusammenfassend kann an dieser Stelle noch einmal festgehalten werden:

  • „Atommüll“ kann selbst in seiner ursprünglichen Form – als abgebrannte Brennelemente – problemlos und ohne Gefahr für Mensch und Umwelt unterirdisch oder auch oberirdisch in technischen Bauten gelagert werden. Radioaktivität ist natürlich und klingt immer von allein ab (anders als z. B. Asbest oder Quecksilber, die in der Tat „ewig bleiben“). Die Gefahr, die von radioaktiven Stoffen ausgeht, ist somit zeitlich begrenzt. Die „ethische Dimension“ bezieht sich deshalb weniger auf die momentane Gefahr, als auf den Aufwand und die daraus resultierenden Kosten für zukünftige Generationen. Es ist das ewig gleiche Problem, einer jeden Mülldeponie. Kerntechnik ist in diesem Sinne keinesfalls anders, als z. B. Chemie, Landwirtschaft (z. B. Bodenerosion) oder Fischerei (unwiederbringliche Ausrottung ganzer Arten) zu betrachten. Jede Form der Nutzung von „Natur“ verändert diese dauerhaft.
  • Die Kerntechnik ist der einzige Industriezweig, der sich von der ersten Stunde an, Gedanken über seine Umwelteinflüsse gemacht hat. Der Gedanke des „Recycling“ wurde überhaupt erst durch sie populär. Man vergleiche dies mal mit anderen Zweigen der Energietechnik, in denen bis heute, nach wie vor, immer nur auf Umweltschäden reagiert wird. Paradebeispiel ist die Windkraft-Industrie (Vögel, Fledermäuse, Schweinswale, Infraschall usw.) im Verleugnen absehbarer Schäden. Kohle- und Ölindustrie sind dagegen bereits zu aktiven Umweltschützern mutiert.
  • Kernenergie ist unbestritten der sicherste Zweig der Energieerzeugung (Arbeitsschutz = Menschenschutz). Von Anfang an, war man bestrebt, die Nachteile so gering wie möglich zu halten. In welchem anderen Industriezweig gibt es sonst den Grundsatz, die Auswirkungen stets so gering wie möglich zu halten – unabhängig von den Kosten? Im Strahlenschutz und bei der Abgabe von radioaktiven Stoffen bereits mit absurden Auswirkungen.

Der Vorwurf einer angeblich ungelösten Entsorgungsfrage, ist jedenfalls absurd bis böswillig. Je nach Standpunkt und Bildungsgrad.

Das Purex-Verfahren

Wie der Name schon sagt – Plutonium-Uranium Recovery by Extraction – dient der Purex-Prozeß zur Gewinnung von Uran und Plutonium mit möglichst hoher Reinheit. Alles andere (alle Spaltprodukte ob stabil oder radioaktiv und die minoren Aktinoide) ist Abfall. Günstig, wenn man daraus neue Brennelemente für Leichtwasserreaktoren herstellen will, ungünstig für den „Atommüll“, der dadurch besonders langlebig wird.

Es handelt sich um eine Flüssig-Flüssig-Extraktion: Es wird Wasser und Öl gemischt. Diese beiden Flüssigkeiten trennen sich wieder von allein. Findet man nun ein Stoffpaar mit möglichst unterschiedlichem Lösungsvermögen für den gewünschten Stoff, hat man eine einfache Möglichkeit zur Gewinnung gefunden. Es wird aus dem abgenutzten Brennstoff mittels konzentrierter Salpetersäure eine wässrige Lösung hergestellt. Dieses genau eingestellte „Salzwasser“ (Nitrate) wird nun in einer Pulskolonne intensiv mit dem „Öl“ gemischt. Das „Öl“ besteht aus rund 70% Kerosin, in dem rund 30% Tributylphosphat aufgelöst sind. Dieses „Öl“ löst Uran und Plutonium wesentlich besser als andere Salze. Im ersten Schritt gehen etwa 98% davon von der wässrigen in die organische Lösung über.

Für das Verständnis ist wichtig, daß die Löslichkeit relativ ist. Mit anderen Worten, es geht nie alles Uran und Plutonium von der wässrigen Lösung über, dafür aber auch immer einige Spaltprodukte. Man muß das Verfahren also mehrmals wiederholen (Kaskade). Üblich ist eine geforderte Reinheit von 99,9% bei den Endprodukten Uran und Plutonium. Andererseits geht man von bis zu 0,5% Uran und 0,5% Plutonium (beides auf die ursprüngliche Menge im Brennstab bezogen) im Abfallstrom aus. Man hat also nicht nur die ursprünglichen rund 0,07% minoren Aktinoide (Neptunium, Americium, Curium) sondern auch bis zu 0,05% Uran und 0,0005% Plutonium als langlebige α-Strahler im Abfall. Zusammen mit den rund 3,06% Spaltprodukten. Diese Brühe wird nun aufkonzentriert und später verfestigt (kalziniert) und in Glas eingeschmolzen. Das ist das Produkt, welches z. B. aus England und Frankreich zur Endlagerung als „Atommüll“ nach Deutschland zurück geliefert wird. In diesem „Atommüll“ entspricht der Anteil an α-Strahlern also etwa 4%.

Eine Wiederaufbereitungsanlage ist kein Kernkraftwerk, sondern eine reine Chemiefabrik und erzeugt damit auch keinen „Atommüll“. Dies wird immer wieder fälschlich behauptet. In einer Wiederaufbereitungsanlage werden die bereits angelieferten radioaktiven Stoffe lediglich umsortiert und anders konditioniert (z. B. verglast).

Pyrometallurgische Verfahren

Will man den wiedergewonnenen Brennstoff nicht wieder in Leichtwasserreaktoren, sondern in schnellen Reaktoren verwenden, erhält man ein gänzlich anderes Anforderungsprofil. Die Reinheit von Uran und Plutonium spielt – wegen der generell kleineren Einfangquerschnitte – nur noch eine untergeordnete Rolle. Es wird damit möglich, alle Aktinoiden zusammen abzutrennen und als Brennstoff erneut zu verwenden. Es spielt auch keine Rolle, ob einige Spaltprodukte mit durchrutschen. Viele sehen den Vorteil dieses Brennstoffgemisches im Schutz gegen die Weiterverbreitung von Kernwaffen: Es ist ohnehin für den Bau von Kernwaffen völlig ungeeignet. Darüber hinaus, ist der Transport und die Handhabung wegen der erhöhten Strahlung kaum im Verborgenen zu machen.

Die abgenutzten Brennstäbe werden in geschmolzenem Salz aufgelöst. Dabei trennen sich bereits alle leicht flüchtigen Bestandteile (z. B. Edelgase) ab. In das Salzbad tauchen die Elektroden ein. Die Aktinoiden scheiden sich gemeinsam an der Kathode als eine Art „Metallschwamm“ ab. Die Spaltprodukte bleiben im Salzbad gelöst und reichern sich dort an. Aus ihr werden zwei verschiedene „Abfallformen“ zur Lagerung hergestellt: Eine metallische Matrix, in der alle Edelmetalle eingelagert werden und ein keramisches Produkt, in dem die Spaltstoffe in mineralischer Form (Metalle der I. und II. Gruppe und die Halogene) vorliegen. Beides sehr stabile Formen, die direkt einem unterirdischen Lager zugeführt werden könnten. Man könnte sie dort in Bohrlöchern versenken. Vielleicht sollte man hier noch einmal daran erinnern, daß diese Form des Atommülls nach wenigen hundert Jahren nur noch wie gewöhnliches Uranerz strahlt – also einem Stoff, mit dem Bergleute ohne große Schutzmaßnahmen umgehen können.

Der „Metallschwamm“ der Kathode wird nun unter Schutzgas in einem Induktions-Tiegel eingeschmolzen und üblicherweise mehrere Stunden bei bis zu 1400 °C gehalten. Die Schmelze homogenisiert sich. Es können auch weitere Legierungsbestandteile hinzugefügt werden. Schließlich erfordert jeder Brennstab im Reaktor (idealer weise) eine etwas andere Zusammensetzung. Die Legierung kann auch in Formen aus Graphit zu Barren vergossen werden. Üblicherweise werden aber direkt dünne „Stäbe“ zur Herstellung neuer Brennstäbe abgegossen. Ein Verfahren, ist das Gießen in dünne Rohre aus Quarzglas, die während des Abgusses in einer Zentrifuge rotieren. Durch die Zentrifuge bekommt man besonders hochwertige Stäbe. Das Ausformen ist durch Zerschlagen der Glasröhren besonders einfach.

Die Brennstäbe werden aus Stahlrohren (H9) gebildet, in die nun die gegossenen Stücke eingesteckt werden. Der Querschnitt der Gußstücke beträgt nur etwa 75% der Innenfläche der Rohre, da der Brennstoff durch die Bestrahlung sehr stark anschwillt. Damit überhaupt eine gute Wärmeübertragung zwischen Brennstoff und Hülle stattfinden kann, werden die Stäbe mit flüssigem Natrium ausgegossen. Dies geschieht sehr langsam auf Rütteltischen, damit auch kleinste Gasblasen aufsteigen können. Abschließend werden die Rohre gasdicht verschweißt. Die Rohre sind nicht auf ihrer ganzen Länge mit Brennstoff gefüllt, sondern haben oben einen Gasraum als Puffer, in dem sich später Spaltgase ansammeln können. Dieser Gasraum ist mit einer individuellen Gasmischung gefüllt. Wird ein Brennstab im Reaktor undicht, kann man ihn später durch eine Analyse der Isotopenzusammensetzung des „Abgases“ genau identifizieren. Solche Messmethoden sind für den Betrieb sehr wichtig, da flüssiges Natrium nicht durchsichtig ist, was Inspektionen sehr erschwert.

Man muß sich immer vor Augen halten, daß die Abbrände bei schnellen Reaktoren sehr viel höher als bei Leichtwasserreaktoren sind. Man geht dadurch auch mit wesentlich kleineren Brennstoffmengen (bezogen auf die erzeugte elektrische Energie) um. Eine solche Wiederaufbereitung und Brennstoffproduktion hat gegenüber den klassischen industriellen Anlagen eher den Charakter einer Manufaktur. Die Abschirmung ist kein Problem – es genügen übliche heiße Zellen. Die Handhabung ebenfalls nicht, da es sich um recht überschaubare Vorgänge handelt, die sich leicht automatisieren lassen. Es spricht also nichts dagegen, eine solche Anlage direkt auf dem Gelände des Kraftwerks zu errichten. Transport- und Sicherheitsrisiken werden damit erheblich verringert. Den Abfall könnte man ebenfalls in Bunkern auf dem Gelände lagern. Da die Strahlung recht schnell abklingt, könnte man die Entscheidung zwischen verbuddeln oder nutzen bis zum endgültigen Abbruch der gesamten „Energieerzeugungsanlage“ vertagen. Immerhin sind rund 50 % der Spaltprodukte schon mal seltene Erden.

Reaktortypen in Europa – Teil6, CANDU

Der CANDU (Canada Deuterium Uranium) Reaktor ist der einzige Schwerwasserreaktor, der sich weltweit durchgesetzt hat. Er ist in seiner neuesten Ausführung ein echter Gen III+ Reaktor mit passiver Sicherheit. Für manche mutet er vielleicht etwas exotisch an, besitzt aber sehr viel Potential für die Nutzung von Thorium und die Weiterverwendung ausgedienter Brennelemente von Leichtwasserreaktoren – gerne auch als „Atommüll“ verunglimpft.

Geschichte

SNC-Lavalin und China Nuclear Power Engineering Company wollen zusammen zwei weitere Reaktoren dieses Typs in Rumänien errichten. Bereits seit 1997 und 2007 laufen dort sehr erfolgreich zwei solche Reaktoren. Wie in zahlreichen anderen Ländern auch: Indien, Südkorea, Rumänien, Pakistan, Argentinien und China. Insgesamt wurden 47 CANDU-Reaktoren gebaut, davon bilden 22 Reaktoren das Rückgrat der kanadischen Stromversorgung. Keine schlechte Bilanz, wenn man bedenkt, wie viele Totgeburten es seit den 1940er Jahren gegeben hat.

In Kanada begann die Entwicklung von Schwerwasserreaktoren bereits während des zweiten Weltkrieges. Es war ein etwas ungeliebter Seitenarm des Manhattan-Projekts unter maßgeblichem Einfluß des französischen Wissenschaftlers Joliot, der wegen seiner politischen Ansichten in den USA als potentielles Sicherheitsrisiko eingestuft war. In den 1960er Jahren wurde die kommerzielle Entwicklung von der kanadischen Regierung forciert: Kanada verfügte über keine Anreicherung und keine Schwerindustrie, die in der Lage war, Reaktordruckgefäße zu schmieden. Beide Argumente besitzen heute noch für viele Entwicklungs- und Schwellenländer Gültigkeit. Man kann sich nahezu aus allen Ecken der Welt mit Natururan versorgen, während man bei der Anreicherung nach wie vor, maßgeblich auf die „Atommächte“ angewiesen ist. Wegen des einfachen Aufbaues ist ein Übergang auf nationale Fertigung in relativ kurzer Zeit und kleinen Stückzahlen möglich.

Allerdings besitzt der CANDU einen entscheidenden (politischen) Nachteil: Mit ihm läßt sich hervorragend waffengrädiges Plutonium und Tritium herstellen. Diesen Weg hat Indien mit seiner ersten Bombe „Smiling Buddha“ vorgemacht, dessen Plutonium aus dem Schwerwasser-Forschungsreaktor „CIRUS“ stammte.

Aufbau

Bei den CANDU-Reaktoren handelt es sich um Druckwasserreaktoren mit schwerem Wasser (D2 O.) als Moderator und Kühlmittel. Das schwere Wasser wird durch Pumpen zwischen dem Kern und den Dampferzeugern umgewälzt. In den Dampferzeugern wird der Dampf für die Turbine erzeugt. Man könnte also sagen, ab dem Reaktorgefäß handelt es sich um einen „ganz normalen Druckwasserreaktor“.

Er besitzt jedoch kein Druckgefäß, sondern zahlreiche Druckröhren. Bei einem EC6 sind es 380 horizontale Röhren, in denen sich jeweils 12 Brennelemente befinden. Die Brennelemente sind rund und nicht rechteckig (wie bei Leichtwasserreaktoren), sodaß sie die Druckröhren optimal ausfüllen. Sie sind auch wesentlich kleiner (etwa 50 cm lang und 10 cm im Durchmesser) und bestehen aus nur 37 Brennstäben. Durch die Abmessungen und ihr geringes Gewicht (rund 25 kg) sind sie optimal für eine vollautomatische Handhabung geeignet. Durch die hohe Anzahl (37 Stück x 12 Brennelemente x 380 Brennstoffkanäle) ergibt sich eine sehr flexible Anordnung und Materialausstattung, auf die später noch eingegangen wird. Durch die vollautomatischen Lademaschinen, die unter voller Last eingesetzt werden können, ergibt sich stets eine optimale Durchmischung und Anordnung. Es ist kaum Überschußreaktivität nötig, die bei Leichtwasserreaktoren am Anfang des Ladezyklus durchVergiftung (z. B. Borsäure, Gadolinium etc.) abgebaut werden muß.

Die Brennstoffkanäle sind schachbrettartig, horizontal in einem Wassertank – der sog. Calandria – angeordnet. Dieser Tank ist vollständig mit schwerem Wasser gefüllt und bildet den eigentlichen Moderator und Reflektor. Die Calandria befindet sich in einem weiteren Wassertank zur Abschirmung, der mit normalem Wasser gefüllt ist. Dieses System ist von einem Tresor aus Stahlbeton umgeben. Oberhalb befinden sich die vier Umwälzpumpen und die vier Dampferzeuger. Zusätzlich ist der gesamte Reaktor von einer Stahlbetonhülle (Containment) umgeben. Äußerlich ist deshalb ein EC6-CANDU kaum von einem üblichen Druckwasserreaktor zu unterscheiden.

Sicherheitskonzept

Jeder Brennstoffkanal ist von einem zweiten Rohr umgeben. Der sich ergebende Spalt dient zur Wärmeisolierung. Das schwere Wasser der Calandria ist kalt und wird auch ständig über eigene Wärmeübertrager kalt gehalten. Zusammen mit dem Wasser der Abschirmung ergibt sich ein großer Wärmespeicher für die Abfuhr der Nachzerfallswärme. Geht Kühlwasser durch Leckagen verloren, kann dieses aus einem großen Wassertank auf dem Dach des Sicherheitsbehälters ersetzt werden. Dafür sind keine Pumpen, sondern nur die Schwerkraft nötig.

Als einziger Reaktortyp verfügt der CANDU über zwei vollständig voneinander unabhängige Schnellabschaltungssysteme: Oberhalb der Calandria befinden sich von Elektromagneten gehaltene Regelstäbe. Bei einer Schnellabschaltung fallen sie durch die Schwerkraft getrieben in die Calandria ein. Seitlich befinden sich Druckbehälter mit Gadoliniumnitrat, die durch das Gaspolster aus Helium angetrieben, ihre Flüssigkeit zur Vergiftung in die Calandria einspritzen.

Warum überhaupt schweres Wasser?

Deuterium ist Wasserstoff, dessen Kern nicht nur aus einem Proton besteht, sondern zusätzlich noch ein Neutron enthält. Es verbindet sich mit Sauerstoff zu schwerem Wasser. Es kommt daher überall auf der Erde in unerschöpflicher Menge vor. Allerdings in nur sehr geringer Konzentration von 0,000018%. Die Anreicherung ist wegen des relativ großen Massenunterschieds zwar relativ einfach, erfordert gleichwohl viel Energie und Apparatur. Mit anderen Worten, es ist recht teuer. Die hohen Investitionskosten sind deshalb der Hauptnachteil beim CANDU. Enthält doch ein EC6 über 472 to davon, bei nur etwa 700 MWel. Leistung. Der laufende Verbrauch ist nur sehr gering. Ein weiterer Nachteil ist die erhöhte Produktion von Tritium. Da Deuterium bereits ein Neutron enthält, ist die Aufnahme eines weiteren sehr viel wahrscheinlicher, als bei normalem Wasser.

Ausschlaggebend sind die überragenden neutronenphysikalischen Eigenschaften. Die Wahrscheinlichkeit für eine Spaltung steigt umgekehrt proportional mit der Geschwindigkeit der Neutronen. Abgebremst werden die Neutronen durch Zusammenstöße mit dem Moderator. Je kleiner die Kerne sind, je mehr Energie geht bei einem einzelnen Stoß verloren – dies spricht für Wasserstoff als Moderator. Leider gibt ein Kern nicht jedes Neutron wieder her. Jedes absorbierte Neutron ist aber für eine weitere Spaltung verloren. Je größer die Wahrscheinlichkeit für eine Streuung ist und um so kleiner die Wahrscheinlichkeit für eine Absorption, desto besser ist das Material als Moderator geeignet. Man mißt dies mit der „Moderating Ratio“ MR. Sie beträgt bei H2 O nur 62. Im Gegensatz dazu, ist sie bei D2O. mit 4830 fast 78 mal so gut. Zusätzlich kann man den Bremseffekt noch verbessern, wenn man den Moderator möglichst kühl hält. Dies ist der Grund für die kalte Calandria.

Alles zusammen, führt dazu, daß man bei einem CANDU mit Natururan auskommt und trotzdem mittlere Abbrände von 7500 MWd/toU erzielt. Dies ergibt nicht nur die beste Ausnutzung von Natururan, sondern eröffnet noch ganz andere Brennstoffkreisläufe.

CANDU und Leichtwasserreaktoren im Verbund

In jedem Reaktor werden nicht nur Kerne gespalten, sondern auch immer neue Kerne durch das Einfangen von Neutronen gebildet. Allerdings ist die Nutzungsdauer der Beladung immer zeitlich begrenzt – egal in welcher Form der Brennstoff vorliegt. Es verhält sich mit dem Brennelement wie mit einer Weinflasche: Nach dem Gebrauch ist sie für den Nutzer Abfall, aber deshalb noch kein Müll. Man kann auch die leere Flasche vielfältig weiter nutzen oder sie recyceln.

Auch wenn die Brennstäbe in den Leichtwasserreaktoren nicht mehr nutzbar sind, enthalten sie doch noch unzählige Wertstoffe. In diesem Zusammenhang sind Uran und Plutonium von Interesse. Man kann diese beiden auf verschiedene Art und Weise nutzen:

  • Zuerst sollte man sie so lange – wie wirtschaftlich vertretbar – lagern. Genau das, geschieht im Moment weltweit. Radioaktive Stoffe besitzen die angenehme Eigenschaft, daß sie nur zerfallen können, also stetig weniger werden. Je mehr Spaltprodukte aber zerfallen sind, desto geringer ist die Strahlungsleistung geworden. Ein enormer Vorteil bei der weiteren Verarbeitung.
  • Man kann diese Brennelemente z. B. nach dem Purex-Verfahren wieder aufbereiten. Man erhält als Produkt hochreines Uran und Plutonium. Das Uran ist aber ohne eine weitere Anreicherung nicht wieder in einem Leichtwasserreaktor verwendbar. Hier kommen die CANDU’s ins Spiel:
  • Das Uran aus der Wiederaufbereitung hat einen etwas höheren Gehalt an U235 (ungefähr 0,9% plus 0,6% Pu) als Natururan. Man kann nun dieses Uran mit abgereichertem Uran aus Anreicherungsanlagen zu synthetischem Natururan verschneiden. Man spart also den Aufwand für eine weitere Anreicherung.
  • Viel sinnvoller ist es, das Uran aus der Wiederaufbereitung im ursprünglichen Zustand zu verwenden. Man muß es nicht verschneiden, sondern kann es durch die unzählige Kombination von Brennstäben aus unterschiedlichen Materialien als sehr viel effektivere Neutronenquelle einsetzen.
  • Es ist sogar möglich, die abgebrannten Brennelemente aus Leichtwasserreaktoren in CANDU-Reaktoren ein weiteres mal zu nutzen: Man müßte sie lediglich auf Länge schneiden und erneut in eine Hülle einschweißen. Allerdings bräuchte man hierfür wegen der hohen Strahlenbelastung eine fernbediente Herstellung und Handhabung. China führt bereits in seinen laufenden Reaktoren Versuche aus. Es wurde in Zusammenarbeit mit den Kanadiern ein umfangreiches Entwicklungsprogramm gestartet.
  • Man kann aber auch die abgebrannten Brennstäbe vorher pulverisieren und erhitzen. Da der größte Teil der Spaltprodukte (z. B. die Edelgase und Jod) schon bei relativ geringen Temperaturen ausgasen, können sie einfach abgeschieden werden. Man erhält nach dem Sintern „neue“ Brennelemente, mit wesentlich geringerer Strahlenbelastung (als die unbehandelten Brennelemente) und weniger parasitärem (bezüglich der Neutronen) Inhalt. Diese Schiene – mit teilweiser Wiederaufbereitung – wird in Korea verfolgt und als DUPIC-Verfahren (Direct Use of spent PWR fuel In Candu) bezeichnet.

Es gibt also zahlreiche Wege, aus Leichtwasser- und Schwerwasserreaktoren einen Energieverbund herzustellen. Man kann in etwa sagen, daß vier Leichtwasserreaktoren mit ihren abgebrannten Brennelementen einen Schwerwasserreaktor versorgen können. Dies könnte das evolutionäre Glied zur Nutzung – und damit Beseitigung – von „Atommüll“ sein: Man ersetzt das kostspielige PUREX-Verfahren durch „Neuverpackung“ oder „Teilreinigung“. Diese Verfahrensschritte sind sicherlich wesentlich eher mit der Gewinnung von Natururan wirtschaftlich konkurrenzfähig.

Thorium

Neben Uran, kann man auch mit Thorium Reaktoren betreiben. Thorium ist in manchen Ländern (z. B. Indien) leicht zu fördern oder fällt sogar als Abfall an (z. B. Produktion seltener Erden in China). Allerdings kann man mit Thorium keine selbsterhaltende Kettenreaktion erzeugen. Vorher muß man daraus U233 erbrüten. Anders als bei Uran, funktioniert das Brüten bei Thorium auch sehr gut mit thermischen Neutronen. Es war daher schon frühzeitig ein Gedanke, Thorium als Brennstoff in Schwerwasserreaktoren einzusetzen.

Aus der Konstruktion von Brennstoffkanälen, die mit Brennelementen gefüllt sind, die sich wiederum aus Brennstäben zusammensetzen, ergeben sich beim CANDU zwei grundsätzliche Varianten: Der gemischte Kern (mixed-core) und das gemischte Brennelement (mixed-fuel-bundle).

Bei einem gemischten Kern, verwendet man Brennelemente aus reinem Thorium, die zum Erbrüten von U233 dienen. Die hier verschluckten Neutronen müssen an anderer Stelle im Reaktor erzeugt werden. Dafür verwendet man Brennelemente mit leicht angereichertem Uran oder aus Mischoxid. Hierfür bietet sich – wie weiter oben schon beschrieben – idealerweise der „Abfall“ aus Leichtwasserreaktoren an. Diese Strategie erfordert – wegen der wechselnden Orte und der unterschiedlichen Verweilzeiten in den Kanälen – eine komplexe Steuerung der Lademaschinen. Wenn man nur reines Thorium in einem Brennelement einsetzt, kommt man zu einer besonders eleganten „Einfach-Nutzung“. Aus Thorium bilden sich durch das Einfangen von Neutronen weit weniger langlebige Aktinoiden, als aus Uran. Da man es im wesentlichen nur mit (kurzlebigen) Spaltprodukten zu tun hat, ergibt sich ein „Atommüll“, der besonders gut für eine „Endlagerung“ geeignet ist. Diese Beschränkung auf eine technische Zwischenlagerung – ohne Wiederaufbereitung und/oder geologisches „Endlager“ – ist ein weiterer Anreiz für Länder mit großen Thoriumvorkommen (z. B. Norwegen).

Der andere Weg sind die gemischten Brennelemente. Dort wird bevorzugt der mittlere Brennstab aus reinem Thorium hergestellt und die ihn konzentrisch umgebenden Stäbe aus leicht angereichertem Uran. Dies vereinfacht das Umsetzen, hat aber eine schlechtere Ausnutzung der Neutronen zur Folge. Wenn man bereits gebrütete Brennelemente verwendet, um deren Stäbe in gemischten Brennelementen weiterzuverwenden, benötigt man keinerlei Wiederaufbereitung. Dieser Brennstoffkreislauf bietet sich besonders für Länder an, die unbedingt und nachweisbar auf Kernwaffen verzichten wollen.

Man kann mit Schwerwasserreaktoren Konversionsraten von nahezu eins erreichen. Wenn man über mehrere CANDU-Reaktoren verfügt, kann man einige davon vollkommen mit Thorium betreiben. Lediglich einige müssen zusätzlich leicht angereichertes Uran bzw. Mischoxid verwenden um den Fehlbedarf an U233abzudecken. Ein Land wie z. B. Indien, mit großen Mengen eigenem Thorium, aber kaum eigenem (wirtschaftlichem) Uran, kann so einen beträchtlichen Anteil aus heimischen Energieträgern abdecken.

Neben der Streckung von Uranvorräten bietet die Verwendung von Thoriumoxid noch eine Reihe anderer Vorteile: Bessere Wärmeleitung, höherer Schmelzpunkt, sehr gute chemische Stabilität und weniger Bildung von Aktinoiden.

Schlußwort

Mit diesem Beitrag, soll die Serie über die Reaktortypen in Europa vorläufig abgeschlossen werden. Eigentlich fehlen hier noch die russischen Druckwasserreaktoren wie sie in Finnland und der Türkei gebaut werden sollen. Bisher mangelt es aber nach wie vor an frei zugänglichen Informationen.

Sinn dieser Serie sollte es sein, interessierten Menschen einen Überblick darüber zu verschaffen, was geht, was man morgen bestellen und bauen könnte, was genehmigt und erprobt ist. Forschung und Entwicklung stehen auf einem anderen Blatt. Man kann – wenn man politisch will – sofort mit dem Ausbau der Kernenergie beginnen bzw. fortschreiten. China macht es eindrucksvoll vor: Den Einstieg in das Zeitalter der Kerntechnik auf breiter Front durch Nutzung von allem, was der Weltmarkt hergibt. Ein gigantischer Vergleich unter gleichen Rahmenbedingungen. Bisher gab es das nur in den USA – und man erinnert sich kaum, in Deutschland. Vielleicht muß man wirklich schon daran erinnern. Es gab einmal deutsche Siedewasser-, Druckwasser-, Schwerwasser-, Thorium-Hochtemperaturreaktoren und natriumgekühlte schnelle Reaktoren. Alle gebaut und mit besten Betriebserfahrungen und ganz ohne schwere Unfälle. Wenn es dem Esel zu gut geht, geht er aufs Eis tanzen, sagt ein altes Sprichwort. Jedenfalls reist heute eine ehemalige Pionierleiterin nach Japan, um der dortigen Regierung deutsche Wind- und Sonnentechnik schmackhaft zu machen. Selbstverständlich bei ausdrücklicher Verweigerung eines Besuchs in Fukushima. Zu viel Realität, konnte man im Politbüro noch nie ertragen. Das Ergebnis ist bekannt.

Korea und die Wiederaufbereitung

Im Fahrwasser der aktuellen Krise mit Nord-Korea, bahnt sich für die USA ein hausgemachtes Problem mit Süd-Korea an. Es ist ein schönes Beispiel dafür, wenn Regierungen meinen, sie könnten dauerhaft über andere Nationen bestimmen und ihre ideologische Sicht zur einzig selig machenden zu erklären. Im nächsten Jahr läuft das Abkommen zur Nicht-Weiterverbreitung von Kernwaffen nach 40 Jahren aus. Im Rahmen dieses Abkommens hat Süd-Korea auf Anreicherung und Wiederaufbereitung abgebrannter Brennelemente verzichtet. Es muß neu verhandelt werden.

Ironie der Geschichte ist, daß dies zu einem Zeitpunkt geschehen muß, an dem die USA offen von Nord-Korea mit einem „Atomschlag“ bedroht werden. Nord-Korea hat gezeigt, wie es in der realen Welt zu geht: Wenn ein Diktator bereit ist, sein eigenes Volk wirtschaftlich zu ruinieren, dann baut er sich ganz einfach seine eigenen Kernwaffen. Wenn er über genug Öleinnahmen verfügt – wie Iran – braucht er dafür nicht einmal sein Land an den Rand von Hungersnöten zu führen. Ist das Land vermögend – wie Saudi Arabien – kann es sogar den mühseligen Weg der Eigenentwicklung überspringen und unverhohlen damit drohen, sich gegebenenfalls fertige Kernwaffen (z. B. aus Pakistan) zu kaufen.

Selbst die Supermacht USA kann das offensichtlich nicht verhindern. Mit Verträgen, UNO und leeren Drohungen ist es schon gar nicht möglich, im Internetzeitalter (!) das Wissen der 1940er Jahre geheim halten zu wollen. Der pakistanische Basar der „Atomtechnologie“ ist noch in frischer Erinnerung. Der Versuch, gegen Unterstützung bei der friedlichen Nutzung der Kernenergie – sprich dem Bau von Kernkraftwerken – einen Verzicht auf Anreicherung und Wiederaufbereitung erkaufen zu können, war und ist aberwitzig. Er hat offensichtlich nur zu einer Brüskierung eines der engsten Verbündeten der USA geführt. Was anderes sollte es heißen, als Süd-Korea, wir trauen euch nicht. Wir erinnern uns: Deutschland wurde auch der Verzicht auf Kernwaffen geglaubt, obwohl es eine Wiederaufbereitungsanlage in Karlsruhe betrieben hat und noch heute Zentrifugen zur Anreicherung betreibt. Japan baut eifrig an einer kommerziellen Wiederaufbereitung und diskutiert gleichzeitig, offen wie nie, eine atomare Bewaffnung – wegen der potentiellen Bedrohung durch Nord-Korea und China.

Wie konnte es dazu kommen, daß sich die USA in eine solche diplomatische Sackgasse manövriert haben? 1974 wurde Indien (nahezu aus eigener Kraft) zur Atommacht. Übrigens aus Reaktion auf die atomare Bewaffnung von China, mit dem man noch wenige Jahre zuvor, Krieg führen mußte. Die Welt war verblüfft über den Weg: Man hatte in aller Stille, einen von Kanada gelieferten CANDU-Reaktor zur Produktion von waffengrädigem Plutonium missbraucht. Bis heute, wirkt diese Tat in den internationalen, kerntechnischen Beziehungen nach. Es stehen sich Pragmatiker (Indien ist nun mal Atommacht, das läßt sich nicht zurückdrehen, deshalb freier Handel und Wissensaustausch) und Moralisten (Belohnung des „Fehlverhalten“, Präzedenzfall der die Proliferation zu nichte macht) teilweise unversöhnlich gegenüber. Jeder muß sich da ein eigenes Urteil bilden. Tatsache ist jedoch, daß die Zeit der „drei Welten“ mit dem Zusammenbruch des Kommunismus vorbei ist. Heute bestehen die Probleme eher in der Golfregion oder der koreanischen Halbinsel mit ihrer regionalen und globalen Gemengelage.

Es gab aber auch hausgemachte Gründe. Man muß die erste Hälfte der 1970er Jahre als unmittelbare Nachfolge der sog. „68er Bewegung“ verstehen. Greenpeace z.B. entstammt der Friedensbewegung mit dem Spezialgebiet: Kernwaffen und Umweltbelastung durch Kernwaffentests in der Atmosphäre. Besonders der zweite Punkt machte die Bewegung in kürzester Zeit weltberühmt. Durch die diversen Teststoppabkommen kam dieses Geschäftsmodell immer mehr aus der Mode. Der Übergang zur zivilen Nutzung der Kernenergie und die Konstruktion eines Zusammenhangs mit dem Bau von Atombomben schien folgerichtig. Es entwickelte sich die Gleichung: Links plus friedensbewegt gleich „Atomkraftgegner“. In Deutschland gipfelte dies sogar in der Gründung einer Partei.

In USA beschwor eine Kampagne die Gefahr von möglichen hunderten „Atomanschlägen“ auf Großstädte hervor. Alle versorgt durch Diebstähle aus Wiederaufbereitungsanlagen. Ein neues Buhwort war erschaffen: Plutonium. Künstlich hergestellt, irrsinnig giftig und ganz, ganz gefährlich. Jimmy Carter, ein Erdnussfarmer, der in seiner aktiven Zeit bei der Marine zumindest für Kurse in Kerntechnik angemeldet worden war, stoppte das Clinch River Projekt (Vorstufe eines Schnellen Brüters, der Strom aus recyceltem Brennstoff produzierte) und zwang ein privates Konsortium mehr als 250 Millionen Dollar für eine Wiederaufbereitungsanlage in Barnwell über Nacht abzuschreiben. Er wollte ein Zeichen des „guten Amerikaners“ setzen, der keine Kosten scheuend voranschreitet, um die Welt zu retten. Ähnlichkeiten mit deutschen „Energiewendern“ sind rein zufällig. Jedenfalls gelang es ihm die „Proliferation“ und das Problem, was wir heute als „ungelöste Atommüllfrage“ bezeichnen, zu erschaffen. Ironischerweise ist Jimmy Carter der gleiche Präsident, der durch sein „Geiseldrama“ im Iran nicht unwesentlich zu der heutigen Situation im und mit dem Iran beigetragen hat.

Aber wie hat sich die Welt seit dem verändert? Inzwischen baut eine französische Firma in USA eine Fabrik für MOX-Brennelemente. Solche Mischoxid-Brennelemente dienen zur Verbrennung von Plutonium in konventionellen Leichtwasserreaktoren. In diesem Fall handelt es sich sogar um waffengrädiges Plutonium aus der ehemaligen Sowjetunion. Dies war – wieder zur Verhinderung von Terrorismus – von den USA aufgekauft und ins eigene Land verbracht worden.

Wie kann sich die USA aus den eigenen Fallstricken befreien? Süd-Korea hat sich mit amerikanischer Anschubhilfe zu einer der führenden Nationen im Bau und Betrieb von Kernkraftwerken entwickelt. Spätestens seit dem Auftrag über 20 Milliarden Dollar für vier Reaktoren aus den Vereinigten Arabischen Emiraten ist dies vielen schmerzlich bewußt geworden. Würde es kein neues Abkommen geben, wäre die Versorgung mit angereichertem Uran aus den USA nicht mehr gesichert. Wäre das aber wirklich ein Problem für Süd-Korea? Auf Kanada, Australien und Kasachstan entfallen etwa ⅔ der Weltproduktion an Uran, auf die USA lediglich 4%. Anreicherungsanlagen besitzen mehr als ein Dutzend Staaten. In diesem Sinne würde ein Ausweichen auf andere Lieferanten das „Problem der Weiterverbreitung“ eher anheizen.

Bleibt die Frage der Wiederaufbereitung. Ob Süd-Korea eine Plutonium-Bombe baut oder nicht, ist eine rein politische Frage, die nicht zwingend etwas mit Wiederaufbereitung zu tun hat. Es sind andere Verfahren denkbar, die völlig ungeeignet zum Bau von Kernwaffen sind. Auch hier, hat Süd-Korea bereits viel Forschung und Entwicklung investiert. Süd-Korea hat die Chance, erstes Land auf der Welt mit einer garantiert reinen zivilen Nutzung der Kernenergie zu werden. Bisher sind alle Länder (auch Deutschland und Japan) den bequemeren Weg des bereits etablierten PUREX-Verfahrens gegangen. Nur ist dieses Verfahren genau zur Produktion von waffengrädigem Plutonium entwickelt worden. Natürlich kann man mit einem Panzer auch ein Feld pflügen, nur sollte man sich nicht wundern, wenn andere den Verdacht äußern, man wolle mit solch einem Trecker vielleicht eines Tages auch mal schießen. Ganz gewiß werden sich die Süd-Koreaner nicht der angeblich „ungelösten Atommüllfrage“ hingeben. Sie haben ganz einfach nicht die selbe Vorgeschichte und brauchen auch keine Rücksichtnahme auf die Befindlichkeiten politische Parteien mit dem Gründungsmythos der „Anti-Atombewegung“ nehmen. Übrigens, hat in ganz Asien keine Regierung dieses Problem. Es erfordert deshalb keine prophetische Gabe, wenn man die Renaissance der Kernenergie aus Asien kommen sieht. Wer sehen will, kann schon heute die Anzeichen erkennen.