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Die Hexer von Mol

Energie
Die Hexer von Mol

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 bisher allerdings nur in Forschungsreaktoren verwendet. Weltweit arbeiten Wissenschaftler jedoch im Forschungsverbund "Gen IV" seit 2001 an der "vierten Generation" von kommerziellen Atomkraftwerken, die meist ohnehin mit schnellen Neutronen arbeiten sollen.

"Man könnte also auf die Idee kommen zu sagen: Lasst uns Reaktoren mit schnellen Neutronen nehmen und darin den atomaren Abfall verbrennen", sagt Abderrahim. "Aber dabei gibt es ein Problem – die fehlenden verzögerten Neutronen." Verzögerte Neutronen bewirken normalerweise, dass ein Reaktor träge auf Steuerungseingriffe reagiert. Die Kernreaktion dieselt sozusagen etwas nach. Je mehr Plutonium, Americium, Neptunium und Curium sich jedoch in einem Reaktor befinden, desto kleiner wird der Anteil der verzögerten Neutronen. "Der Reaktor wird immer nervöser", sagt Abderrahim. "Es wird immer schwieriger, ihn zu kontrollieren, denn wenn etwas aus dem Ruder läuft, bleibt nicht genug Zeit, darauf zu reagieren." Und wenn das nicht gelingt – "bumm", sagt Abderrahim, lacht und hebt die Hände zu einer vielsagenden Geste.

Wenn man einen herkömmlichen Atomreaktor für die Transmutation verwenden will, darf man diese Stoffe, die minoren Actinoide, deshalb nicht höher als auf zwei Prozent anreichern. Das jedoch wäre nicht wirtschaftlich.

4. Der Trick

Ein vorgeschalteter Teilchenbeschleuniger verhindert, dass die Verbrennung des langlebigen Atommülls eine unkontrollierte Kettenreaktion auslöst.

Um eine große Menge langlebiger, hochradioaktiver Abfälle auf einmal abzubrennen, gibt es nur eine Möglichkeit: Der Reaktor muss "unterkritisch" betrieben werden. Das heißt: "Ich bringe nicht genug Kernbrennstoff in den Reaktor, um eine Kettenreaktion in Gang zu halten", erklärt Abderrahim. Dann kann man die gefährlichen Spaltprodukte auf bis zu 50 Prozent anreichern und den Reaktor trotzdem beherrschen.

Wie aber kann so ein Reaktor in Gang gehalten werden, wenn keine Kettenreaktion entsteht? Die Lösung heißt ADS ("Accelerator Driven System"): Ein Beschleuniger bringt Ionen, also Atome, denen ein Elektron fehlt, mit bis zu 600 Millionen Volt auf hohe Geschwindigkeiten und schießt sie dann auf ein massives "Target" aus Metall oder schwerem Wasser im Inneren des Reaktors. Bei dem Zusammenstoß der beschleunigten Teilchen mit den Atomkernen des Targets werden pro Kollision bis zu 30 Neutronen aus dem Target herausgeschlagen. Diese schnellen Neutronen sollen dann die gefährlichen langlebigen Kerne zertrümmern.

Der Reaktor läuft nur so lange, wie der Beschleuniger Neutronen nachliefert. Um möglichst schnell möglichst viele der langlebigen radioaktiven Stoffe zu "verbrennen" und um möglichst viel Energie aus dem Spaltprozess zu gewinnen, soll das ADS allerdings knapp unterhalb der Grenze zum kritischen Zustand gefahren werden. Damit der Prozess nicht aus dem Ruder läuft, müssen die Techniker jederzeit wissen, wie nah der Reaktor an dieser Grenze ist, ob etwa die sogenannte Kritikalität sinkt oder gar im Begriff ist zu steigen.

5. Die Premiere

Im belgischen Mol zeigen erste Versuche, dass die Umwandlung in kurzlebige radioaktive Substanzen möglich und kontrollierbar ist.

Wie sich ein System ohne Kettenreaktion steuern lässt, erproben Peter Baeten und seine Kollegen nur einige Hundert Meter von Abderrahims Schreibtisch entfernt. Auf dem Gelände des belgischen Atomforschungszentrums SCK CEN (Studiecentrum voor Kernenergie – Centre d'Etude de l'énergie Nucléaire) mit seinen flachen Backstein-Bungalows ist das Guinevere-Projekt leicht auszumachen: Das Gebäude des schon leicht betagten Venus-Forschungsreaktors, Baujahr 1963, hat ein neues Obergeschoss. Darin steht ein Miniatur-Beschleuniger: Ein 250.000-Volt-Generator bringt die Ionen eines Plasmas – das ist ein ionisiertes Gas – aus dem Wasserstoff-Isotop Deuterium auf Hochgeschwindigkeit. Durch Vakuumröhren werden die Ionen ins Erdgeschoss geleitet, wo sie im Kern eines Atomreaktors auf das Wasserstoff-Isotop Tritium treffen.

Das Experiment spielt die Vorgänge in einem Transmutationsreaktor im kleinen Maßstab durch: Während der geplante Myrrha-Reaktor eine thermische Leistung von bis zur 100 Megawatt (MW) haben soll, hat der Guinevere-Reaktor nur 1000 Watt. "Für die Neutronen macht das keinen Unterschied", erklärt Peter Baeten. Der Physiker, ganz in Schwarz gekleidet, mit einem dünnen Bart, der sein schmales Gesicht einrahmt, leitet das Projekt. "100 MW können wir nur mit flüssigem Metall kühlen", sagt Baeten. "1000 Watt mit Luft. Das macht das Leben sehr viel einfacher."

Der Reaktor selbst sieht aus wie ein überdimensionales Steckspiel: In einem Zylinder mit sechs Metern Durchmesser sind 144 quadratische Schächte in einem 12x12-Raster eingelassen. Das ist der Platz für die Brennelemente – eine Mischung aus angereichertem Uran und Plutonium. Nicht auf allen Plätzen wird atomarer Brennstoff eingeführt – einige Slots bleiben frei, in andere kommen Kontrollstäbe mit Neutronen-absorbierendem Material, ein Teil wird mit Messinstrumenten bestückt. Von oben und unten wird das Ganze durch massives Blei abgeschirmt.

Ende November 2011 haben Baeten und seine Kollegen den Beschleuniger zum ersten Mal an den Reaktor gekoppelt. Seither messen sie in immer neuen Bestückungsvarianten den Zusammenhang zwischen dem Ionenstrom im Beschleuniger und dem Neutronenstrom im Reaktor. Mit den ersten Resultaten sind die Forscher sehr zufrieden – die Maschine verhält sich wie in der Theorie vorhergesagt. Das muss sie auch, denn nur, wenn erwiesen wird, dass sich die Kritikalität eines solchen Reaktors in Echtzeit messen und regeln lässt, hat das Myrrha-Projekt überhaupt eine Chance, atomrechtlich genehmigt zu werden. Wenn das SCK CEN die ersehnte Zulassung bekommt, könnte in Mol bereits 2014 der Bau des Myrrha-Reaktors beginnen. 960 Millionen Euro soll er kosten – der belgische Staat schießt bis 2014 erst mal 60 Millionen Euro vor. Die Details der restlichen Finanzierung sind noch nicht geklärt, unter anderem ist vorgesehen, dass sich private Konsortien am Bau des Reaktors beteiligen.

6. Der doppelte Boden

Die Umwandlung der radioaktiven Abfälle funktioniert nicht ohne eine vorherige Wiederaufarbeitung des Atommülls.

"Sie werden fragen: Warum passiert das erst jetzt?", sagt Hamid Abderrahim. "Schließlich wird die Transmutation seit den achtziger Jahren erforscht." Die Antwort gibt er sich selbst: Bis in die neunziger Jahre hinein gab es keine praktikablen chemischen Verfahren, mit denen man die problematischen Stoffe aus dem heißen, stark strahlenden und giftigen Atommüll abtrennen und aufkonzentrieren konnte. "Wir brauchen diese Partitionierung aber", sagt Abderrahim. "Alles andere ist nicht effizient."

"Partitionierung" – der technische Begriff klingt vollkommen harmlos, birgt aber erhebliche politische Sprengkraft. Denn er ist eng verzahnt mit der sogenannten Wiederaufarbeitung von abgebrannten Brennelementen, wie sie beispielsweise im französischen La Hague praktiziert wird. Dort werden im PUREX-Verfahren ("Plutonium Uranium Extraction") Plutonium und Uran aus verbrauchten Brennelementen abgetrennt, um sie in sogenannten Mischoxid-Brennelementen erneut als Brennstoff verwenden zu können. Das ist politisch umstritten, denn der Prozess ist aufwendig, teuer und gefährlich.

Nachdem Uran und Plutonium entfernt sind, wird die übrige wässrige Lösung mit dem strahlenden Abfall bislang chemisch verfestigt, in Glaskokillen gegossen und dann endgelagert. Seit rund 15 Jahren arbeiten Forscher jedoch an verschiedenen Verfahren, um auch die restlichen langlebigen radioaktiven Stoffe aus dem Raffinat zu entfernen, das nach dem Prozess übrig bleibt. Das gelingt – im Labormaßstab – heute mit einer Kombination aus dem DIAMEX- und dem SANEX-Verfahren.

2011 hat Giuseppe Modolo, Leiter der Arbeitsgruppe "Innovative Entsorgungsstrategien" am Forschungszentrum Jülich, mit seinen Kollegen auch einen direkten Weg gefunden, Americium und Curium aus der hochaktiven Lösung abzutrennen. "Aber dieser Prozess ist noch sehr kompliziert", sagt Modolo. Bevor die Partitionierung im industriellen Maßstab verfügbar ist, würden "noch 10 bis 15 Jahre vergehen", schätzt er.

7. Die Kritiker

Weil die Transmutation ohne Wiederaufbereitung sinnlos ist, fürchten Atomgegner die Wiederauferstehung der Plutoniumwirtschaft.

Der Bau einer Anlage zur Partitionierung langlebiger Spaltprodukte und zur Herstellung der Brennelemente für einen Transmutations-Reaktor wäre ein heißes Eisen. In Deutschland ist der Versuch, eine Wiederaufarbeitungsanlage im bayerischen Wackersdorf zu errichten, nach heftigen Protesten 1989 aufgegeben worden. "Diese Diskussion brauchen wir in Deutschland gar nicht erst zu führen", räumt Modolo ein. "Ich denke aber auch nicht, dass wir das Atommüll-Problem auf nationaler Ebene lösen müssen", ergänzt er. "Auf europäischer Ebene sollte diese Technologie aber zumindest eine Option darstellen."

Ob eine solche Anlage aber stattdessen im traditionell atomfreundlichen Frankreich entsteht, ist längst nicht ausgemacht. Denn hinter dem Konzept der Partitionierung und Transmutation steckt eine prinzipielle Richtungsentscheidung: Ein atomarer Brennstoffkreislauf mit Partitionierung und Transmutation ist nur dann wirtschaftlich zu betreiben, wenn auch das abgetrennte Plutonium als atomarer Brennstoff weiterverwendet wird.

Plutonium aber ist nicht nur ein langlebiger, giftiger und stark strahlender Stoff. Er eignet sich auch hervorragend zum Bau von Atomwaffen. Während natürliches Uran erst mühsam angereichert werden muss, um den Anteil des spaltfähigen Isotops Uran 235 hoch genug zu treiben, liefern Atomkraftwerke spaltbares, waffenfähiges Plutonium sozusagen auf dem Silbertablett. Frankreich als Atommacht hat damit prinzipiell kein Problem. In Staaten wie Deutschland, die auf eine atomare Bewaffnung verzichten, ist Plutonium aber ein besonders heikles Thema.

Ein Umstand, der für Atomkraftgegner bereits in den achtziger Jahren nur eine logische Folgerung haben konnte: "Die notwendige Kontrolle des waffenfähigen Plutoniums, das da erzeugt wird, würde uns direkt in den Überwachungsstaat führen", sagt Dietrich Schulze, bis 2005 Betriebsratsvorsitzender am Forschungszentrum Karlsruhe. "Deswegen haben wir damals auch den Schnellen Brüter so eindeutig abgelehnt." Der "Schnelle Brüter" – offiziell SNR 300 genannt – wurde ab 1973 in Kalkar gebaut. Der Reaktor sollte spaltbares Plutonium aus nicht spaltbarem Uran 238 erzeugen.

Das politische Klima hat sich zwar geändert – der Schnelle Brüter ist nie ans Netz gegangen und das Kernforschungszentrum ist nun Teil des Karlsruhe Institute of Technology. Doch in Deutschland gebe es noch immer "Hunderte von Wissenschaftlern", die an diesen Themen arbeiten. "Offiziell geht es dabei immer nur um Kompetenzerhalt", sagt Schulze. "Aber wenn es Probleme mit der Energiewende gibt, dann können die Atomforscher aus dem Busch kommen und sagen: Wir hätten da eine Alternative."

Ist die Transmutation also nur ein physikalisch verbrämter politischer Zaubertrick, der die alten Konzepte aus den achtziger Jahren wieder auf die Tagesordnung setzt: den Plutonium-Brennstoffkreislauf, den Schnellen Brüter und die Wiederaufarbeitung? "Wenn jemand behauptet, reine Transmutation ohne Partitionierung würde funktionieren, dann lügt er", bestätigt Hamid Abderrahim. "Oder er macht sich etwas vor."

Der Forscher lehnt sich entspannt zurück. Er weiß, dass am SCK CEN auf jeden Fall weiter an atomarer Technologie geforscht wird. Schließlich liefern die Reaktoren hier auch medizinische Strahlenquellen und dotiertes Silizium, ein wichtiges Basismaterial für die Halbleiterindustrie. "Der Atommüll ist nun mal da. Wir können ihn nicht mit einem Fingerschnippen verschwinden lassen. Aber wir können dafür sorgen, dass er nicht 10.000 Jahre vergraben werden muss, sondern nur einige Hundert Jahre."

"Ob es das wert ist?", fragt er nach einer kurzen Pause und lächelt. "Das muss die Gesellschaft entscheiden."


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