Die Hexer von Mol

25.04.12 – Wolfgang Stieler, Robert Thielecke

Hochradioaktiver Atommüll muss mindestens zehntausend Jahre sicher verwahrt werden. Nun haben Wissenschaftler ein Verfahren entwickelt, um diesen Zeitraum auf wenige Hundert Jahre zu verkürzen. Doch die wundersame Wandlung hätte einen hohen Preis.

Hamid Abderrahim sieht gar nicht aus wie ein Taschenspieler. Den Mann mit dem blauen Pullover über dem karierten Hemd, der bedächtigen, aber präzisen Sprechweise und dem gewinnenden Lachen würde man eher für einen soliden, seriösen Ingenieur halten. Aber der Leiter des Instituts für „Advanced Nuclear Systems“ im belgischen Mol will Atommüll einfach so verschwinden lassen. Sein Zauberwort heißt Transmutation.

Zauberwort? Ja, auf den ersten Blick sieht es tatsächlich so aus, als hätten die Physiker hier den magischen Stein der Weisen gefunden: Bei der Transmutation wird hochradioaktiver Abfall mit Neutronen beschossen. Und wie durch Zauberhand verwandeln sich Stoffe, die eigentlich mindestens 10000 Jahre sicher von der Umwelt isoliert werden müssten – obwohl noch niemand weiß, wie genau das gehen soll –, in harmlosere Elemente. Bereits nach wenigen Hundert Jahren wäre die Strahlung durch den natürlichen radioaktiven Zerfall so weit abgeklungen, dass der Abfall als weitgehend ungefährlich gelten könnte. Keine Castor-Transporte mehr, keine überquellenden Zwischenlager, kein Streit um Endlager. Mit einem Schlag wäre die Atomwirtschaft eines ihrer drängendsten Probleme los. Zu schön, um wahr zu sein.

Im belgischen Mol läuft seit Ende 2011 ein Experiment, von dessen Ausgang abhängt, ob diese Vision tatsächlich Wirklichkeit wird. Bringt das „Guinevere-Projekt“ die erwarteten Ergebnisse – und die ersten Messungen sehen danach aus –, gibt es grünes Licht für „Myrrha“, den ersten Transmutationsreaktor der Welt. Er könnte bereits 2020 seinen Betrieb aufnehmen.

Hamid Abderrahim ist jedenfalls zuversichtlich, dass dieser Plan aufgeht. Denn er weiß die Physik auf seiner Seite. „Fangen wir ganz am Anfang an“, antwortet er gut gelaunt auf die Frage, wie das funktionieren soll. Er greift ein Blatt Papier, zeichnet ein Achsenkreuz darauf und beginnt seine Einführung in die Magie der Kernphysik.

1. Der Schauplatz

Im Kernreaktor werden Atomkerne mit Neutronen beschossen. Ob eine Kettenreaktion entsteht, hängt von der Geschwindigkeit der Neutronen ab.

In einem Atomreaktor stoßen freie, durch die Gegend fliegende Neutronen mit den Kernen des atomaren Brennstoffs zusammen. Wenn ein Neutron einen Atomkern trifft, gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten: Der getroffene Kern fängt das Neutron ein und verschluckt es – das Atom wird dabei in ein schwereres Element umgewandelt. Oder der Atomkern bricht nach der Kollision auseinander und setzt dabei Energie frei.

Was genau passiert, hängt nicht nur von den Eigenschaften des getroffenen Kerns ab, sondern auch von der Energie des umherfliegenden Neutrons. Die Wahrscheinlichkeit, mit der ein Kern umgewandelt oder aber gespalten wird, geben Atomphysiker als „Wirkungsquerschnitt“ an – sie drücken damit aus, dass die „Trefferfläche“ des Atoms für verschiedene „Wechselwirkungen“ unterschiedlich groß sein kann.

Auf der waagerechten Achse trägt Abderrahim die Energie der Neutronen ein, auf der senkrechten Achse den Wirkungsquerschnitt. „Das hier ist die Wirkungsquerschnitt-Funktion für die Spaltung von Uran 235“, sagt er und zieht eine schwungvolle Kurve, die sich von links oben nach rechts unten zieht, etwa in der Mitte der Skala ein paar Zacken macht, um dann flach auszulaufen. Das bedeutet: Je energieärmer die Neutronen, desto größer ihre Chance, einen Uran-235-Kern zu spalten. In dasselbe Koordinatensystem zeichnet Abderrahim die entsprechende Funktion für Uran 238 – eine flache, horizontale Linie. Soll heißen: Dieses Isotop lässt sich einfach nicht spalten, egal ob die Neutronen nun schneller oder langsamer unterwegs sind.

Natürliches Uran besteht zu 99,3 Prozent aus Uran 238 und nur zu 0,7 Prozent aus Uran 235. Für den Einsatz in Atomreaktoren wird der Kernbrennstoff auf etwa fünf Prozent Uran 235 angereichert. Wenn ein solcher Atomkern zerbricht, fliegen zwei Bruchteile auseinander. Dabei werden auch energiereiche Neutronen frei. Damit sie weitere Urankerne spalten können, müssen sie gebremst werden. In den meisten Reaktortypen geschieht dies durch Wasser. „Die Neutronen spielen Billard mit den Wassermolekülen“, sagt Abderrahim, „und verlieren dabei einen Großteil ihrer Energie.“ Die langsamen, energiearmen Neutronen können dann weitere Kerne spalten, setzen dabei neue Neutronen frei und halten so die Kettenreaktion in Gang.

2. Die Schwierigkeit

Herkömmliche Kernreaktoren bremsen Neutronen ab, um die Kettenreaktion zu kontrollieren – erzeugen dabei aber langlebigen Atommüll.

Kummer bereitet dabei das Uran 238. Es ist zwar an der eigentlichen Kettenreaktion nicht beteiligt, fängt aber gerade langsame Neutronen gern ein. Was passiert also? Es verwandelt sich zunächst in das schwerere Uran-Isotop 239. In einem Beta-Zerfall wird das Uran anschließend zu Neptunium 239. Auch dieses fängt ein Neutron ein, und bei einem erneuten Beta-Zerfall entsteht Plutonium. Durch weitere Neutronen-Einfänge des Plutoniums sowie weitere Alpha- und Beta-Zerfallsreaktionen entstehen aus einem Teil dieses Plutoniums die sogenannten „minoren Actinoide“: Neptunium, Americium und Curium.

Aus einer Tonne Atombrennstoff werden so, nach etwa vier Jahren im Reaktor, im Schnitt 935 Kilogramm Uran – 99 Prozent davon Uran 238 – und rund zwölf Kilogramm Plutonium. Daneben enthält der abgebrannte Kernbrennstoff knapp ein Kilogramm Neptunium 237, 800 Gramm Americium 241 und 243, 600 Gramm Curium sowie 50 Kilogramm andere Spaltprodukte – 3,5 Kilogramm davon sind extrem langlebig.

„Die minoren Actinoide und langlebigen Spaltprodukte sind das eigentliche Problem beim Atommüll“, erklärt Abderrahim. Neptunium 237 beispielsweise hat eine Halbwertszeit von über zwei Millionen Jahren, Americium 243 bringt es auf über 7000 Jahre. Americium 241 zerfällt zwar deutlich schneller – es hat eine Halbwertszeit von 432 Jahren. Bei seinem Zerfall entsteht unter anderem aber auch wieder das langlebige Neptunium 237.

3. Die Trickkiste

Langlebige Spaltprodukte lassen sich nur mittels schneller Neutronen unschädlich machen. Das Verfahren ist allerdings riskant.

„Die Sache sieht ganz anders aus, wenn ich schnelle Neutronen verwende“, sagt Abderrahim. Denn fast alle langlebigen radioaktiven Elemente lassen sich – im Gegensatz zu Uran 235 – mit schnellen Neutronen spalten, und sie neigen kaum dazu, schnelle Neutronen einzufangen. Es werden also mehr Atome zertrümmert als neue, langlebige radioaktive Elemente gebildet. Solche ungebremsten Neutronen werden... (wst)