Das Potential im Atommüll nutzen

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Atommüll ist ein großes Problem bei der Energiegewinnung mit Kernkraft (Bild: sulamith.sallmann)

Auf der ganzen Welt ist die Kacke am Dampfen: elektrische Energie wird benötigt und kommt zu großen Teilen aus Atomkraftwerken. Was übrig bleibt sind hitzige Diskussionen über Gefahrenpotential, wahre Kosten und natürlich Atommüll.
Den zu bewältigen ist nicht ganz einfach, da auch in einer Millionen Jahre noch eine schädliche Strahlendosis übrig sein wird. Man müsste ihn also verdammt lange sicher verwahren können, was ja auf kurzer Zeitskala im Forschungsendlager Asse bereits gut geklappt hat – NICHT. Die Forschung im Bereich Atomenergie ist aber nicht vor 30 Jahren stehengeblieben, wie man vielleicht meinen könnte, sondern hat unter Anderem auch eine interessante und vor allem realistische Möglichkeit zu Tage gebracht, den Atommüll zu bewältigen.

Ausgangsbasis ist das Potential, dass noch im radioaktiv strahlenden Material steckt. Immerhin tut es etwas von alleine: es strahlt. Anders ausgedrückt: es sendet Energie aus, wie eine Heizlampe. Nur in anders. Und schädlich. Jedenfalls würde man das Potential gerne nutzen, das geht aber nur schwer (siehe nächster Abschnitt).
Um dennoch etwas damit tun zu können, muss man von außen nachhelfen, z.B. mit einem Teilchenbeschleuniger. Heraus kommt dann zwar immer noch Atommüll, der hat dann aber nur noch Halbwertszeiten im Bereich von einigen Generationen. Im Bezug auf die Endlagerung ist das also um einiges realistischer und planbarer. Als netten Nebeneffekt kommt auch noch Energie bei rum. Also eine klassische Win-Win-Situation, die jedem BWLer feuchte Träume bescheren würde und sogar noch einen Teilchenbeschleuniger involviert. Wow!
Teilchenbeschleuniger? Win-Win-Situation? In einem Satz!? Da schauen wir doch genauer hin…

Aber vorher, ein paar Grundlagen.

Kernspaltung zur Energiegewinnung

Das Prinzip bei der Kernspaltung. (Bild: Wikipedia)

Zunächst aber die Grundlage der Energiegewinnung im Atomkraftwerk: ein spaltbarer Atomkern wird von einem Neutron1 getroffen und spaltet sich daraufhin in zwei kleinere Kerne sowie ein paar Neutronen (siehe das Bild rechts). Ob das Neutron eine Spaltung induzieren kann, hängt zum einen von der Wahrscheinlichkeit ab, mit der ein Neutron absorbiert wird2, zum anderen davon, ob genügend Neutronen vorhanden sind. Zweitere stammen aus vorher­gehenden Reaktionen, so dass eine Kettenreaktion entsteht, die Wärme und somit nutzbare Energie freisetzt.

Bei dem spaltbaren Kern handelt es sich normalerweise um Uran-235, das nur etwa 3% des Materials in den Brennstäben ausmacht und — wie die roten3 Gummibärchen in der Tüte — irgendwann aufgebraucht ist. Übrig bleibt jede Menge Uran-238 sowie andere Spaltprodukte, die zum Teil mit einer Halbwertszeit4 im Bereich von Millionen Jahren brillieren. Sie haben die Eigenheit, dass sie gerne Neutronen aufnehmen, sich danach aber nicht spalten. Somit sind sie 1. relativ nutzlos, weil sie der Kettenreaktion im Wege stehen, 2. wegen ihrer Radioaktivität ziemlich schädlich und 3. haben wir sie lange an der Backe. Hmpf.

Externe Versorgung mit Neutronen

Weil es sich aber immer noch um relativ schwere Kerne handelt, kann man von der Theorie her immer noch durch Kernspaltung Energie gewinnen. Nur läuft die Spaltung eben nicht automatisch ab, weil zu wenig Neutronen rumschwirren.

Das natürliche Brüten. Man könnte auch sagen: die Kernkraft ist im Arsch. (Bild: ehoyer)

Ausgleichen könnte man das durch die Steigerung der Temperatur im Reaktor, weil die Wahrscheinlichkeit für eine weitere induzierte Spaltung stark temperaturabhängig ist. Das hätte aber Sicherheitsrisiken zur Folge, denn die Kettenreaktion ist schwieriger zu kontrollieren und das verwendete Kühlmittel (flüssiges Natrium statt Wasser) brennt beim Kontakt mit Sauerstoff und reagiert auf Wasser auch eher wie eine Wüstenrennmaus auf Speed.
Ein solcher Reaktor wird »Brutreaktor« genannt, weil durch die hohen Temperaturen im großen Maße weitere spaltbare Stoffe produziert werden, insbesondere auch waffenfähiges Plutonium. Also irgendwie nicht so geil.

Ein anderer Ansatz wurde Ende der 80er Jahre von Nobelpreisträger Carlo Rubbia5 vorgeschlagen und beinhaltet einen Teilchenbeschleuniger. Dieser beschleunigt Protonen auf ca. 1 GeV6 und ballert die dann auf einen Block eines schweren Materials wie Blei. Bei den stattfindenden Kernreaktionen werden massenweise Neutronen freigesetzt. Also genau das, was wir brauchen. Cool!
Aber natürlich gibt es wieder irgendwo einen Haken, der hier in den technischen Details liegt. Zum einen beschleunigen sich die Protonen nicht von alleine, so dass wir Energie aufwenden müssen. Ist das zuviel, rentiert sich die Anlage aus wirtschaftlichen Gründen nicht. Man könnte höchstens die geringeren Kosten bei der Endlagerung einbeziehen, aber das ist schwierig.
Zum anderen muss sichergestellt werden, dass der Neutronenstrahl nicht abreißt. Tut er das nämlich, bricht die Kernspaltung zusammen und die Temperatur sinkt innerhalb vom Bruchteil einer Sekunde auf ein Niveau, bei der sie nicht mehr funktionieren kann — auch wenn der Strahl wieder einsetzt. Man muss also erst wieder ein aufwändiges Startprozedere einleiten. Allerdings ist das auch ein schöner Sicherheitsaspekt: fällt z.B. der Strom für die Regelung des Kraftwerks aus, hört die Kernspaltung instantan auf.

Aktuelle Vorhaben zur Umsetzung

Die MYRRHA-Anlage in Belgien. (Bild: SCK•CEN)

Ein Forschungsreaktor im Forschungszentrum Casaccia bei Rom wurde für den Betrieb mit einer Neutronenquelle umgebaut und konnte das Funktionsprinzip bestätigen. Die erste Anlage, die auch Energie produzieren kann, ist momentan in Planung und soll ab 2015 im Forschungszentrum SCK•CEN in Mol7 in Belgien gebaut werden. Das mit 960 Millionen Euro angeschlagene Projekt »MYRRHA« ist auf eine Leistung von etwa 100 MWth ausgelegt — ein normales Kernkraftwerk liegt etwa einen Faktor 30-40 darüber. Mit ihr wird es dann ab etwa 2022/23 möglich sein, auf der einen Seite Strom gewinnbringend zu produzieren und auf der anderen Seite radioaktiven Müll zu verwerten.

Unterm Strich ist die Transmutation von Atommüll mit einem Teilchenbeschleuniger ein interessantes und vielversprechendes Konzept. Insbesondere die Rückstände wären “nur noch” ein paar Generationen stark strahlend und würden dann bereits auf das Niveau einer natürlichen Uranerz-Mine abgefallen sein. Ob es sich aber wirklich durchsetzt bleibt abzuwarten, insbesondere die Politik muss bei dem Vorhaben mitspielen.

Wer mehr Details zum Thema lesen will, dem seien folgende Links ans Herz gelegt:
→ Wikipedia: Kernspaltung, Transmutation
MYRRHA-Projektseite am SCK•CEN Forschungszentrum
Projektseite der Transmutations-Forschungsgruppe am KIT in Karlsruhe
Artikel im Deutschlandfunk zum Transmutations-Konzept
Wenn ihr selber noch interessante Links habt: ab in die Kommentare damit!

Eine kleine Bitte für die Kommentare: Ich weiß dass es ein Reizthema ist, aber an dieser Stelle soll keine Diskussion über das Für und Wider von Atomkraft an sich entstehen. Kommentare mit Bezug zur Atommüllverwertung und dem vorgestellten Konzept sind aber natürlich herzlich willkommen.

  1. … zusammen mit dem Proton die Bestandteile der Atomkerne. []
  2. Für die Teilchenphysiker unter uns: der Wirkungsquerschnitt für den Neutroneneinfang. []
  3. alternativ auch die grünen, gelben oder pink-ocker-gestreiften []
  4. Halbwertszeit = Zeit, bei der nur noch halb soviel vorhanden ist. []
  5. Der hat maßgeblich an der Entdeckung der W- und Z-Bosonen mitgearbeitet. []
  6. Das ist aus heutiger Sicht nicht mehr wirklich viel, selbst kommerzielle Beschleuniger für Krankenhäusern zur Protonen-Krebs-Therapie erreichen bereits seit den 90er Jahren 250 MeV (→ Wikipedia) []
  7. Ca. 6 * 1023 Attometer entfernt von Antwerpen. []
Kurzlink
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7 Antworten auf Das Potential im Atommüll nutzen

  1. Sideboard sagt:
    #1

    Ui, ich hab mich schon gefragt, warum das noch keiner macht. Dachte immer, das ließe sich nicht (energie-)gewinnbringend umsetzen.

    Wenn ich mich richtig an die Astronomievorlesung erinnere wäre von der Energie her Eisen das Ende der Fahnenstange. Gibt es also auch Überlegungen, den Generationenmüll noch weiterzuverbarbeiten? Kann man die Halbwertzeit auch auf wenige Jahre oder Jahrzente (z.B. eine Generation von 30 Jahren) bringen?

  2. JanG sagt:
    #2

    Hallo,

    ein sehr interessantes Thema. Ich selber arbeite als Physiker nun schon seit längerem auf dem Gebiet der Endlagerforschung und sehe es schon so, dass es rein von der technischen Seite lösbar ist. Der Gedanke, diesen Müll allerdings zu nutzen ist natürlich auch sehr reizvoll und ich verfolge die Debatte sehr interessiert. Danke für diesen guten Artikel.

    Btw: auf meinem Blog setze ich mich ebenfalls mit diesem Thema auseinander, zur Frage der technischen Machbarkeit habe ich dort den Artikel “Endlagerung in Deutschland” geschrieben. Und zum Thema Transmutation arbeite ich grad was aus. Vielleicht interessierts ja?

    Beste Grüße,
    Jan

  3. Andi sagt:
    #3

    @JanG: Dein Blog kenne ich – aber mir waren deine Texte immer zu lang. Aber es wird in den Feedreader aufgenommen – ich werde sicherlich die Zeit finden. Freue mich auf den Transmutationsartikel!

    @Sideboard: Eisen ist richtig. Energiegewinnung bis Eisen via Fusion, ab Eisen via Spaltung (von den kleinen Elementen startend). Ich könnte mir vorstellen, dass man das tatsächlich auf Eisen reduzieren könnte, allerdings mit immer höherem Energieaufwand… (aber sicherlich vergesse ich gerade etwas Elementares, weshalb das nicht funktioniert).

  4. André sagt:
    #4

    @Andi, @Sideboard: Ihr habt schon recht, theoretisch gibt es Energiegewinne bis zum Eisen. Allerdings ist das nicht ganz so einfach, weil eine effektive Umwandlung nur durch Spaltung erreichbar ist. Alternativ wäre halt die Anregung des Kerns durch zuviele Neutronen, so dass er schließlich radioaktiv wird und sich durch Strahlung ändert.
    Wenn man jedenfalls Kernspaltung fordert, dann hat man das Problem, dass die Produkte häufig radioaktiv sind, egal ob über oder unter Eisen. Und man kommt eben nicht genau zum Eisen, sondern es gibt eine Verteilung, welche Elemente bei der Spaltung wahrscheinlich sind.
    Wenn man im Bereich von ein paar Geneartionen (also ~100 Jahre) mit der Halbwertszeit ist, gewinnt man glaube ich durch weitere Spaltvorgänge auch im Sinne der Radioaktivität nicht mehr viel.

  5. Basti sagt:
    #5

    Seit ich vor einigen Jahren zum ersten Mal etwas von der Möglichkeit der Transmutation erfahren habe, frage ich mich, wieso man so wenig davon mitbekommt. Ich habe das Gefühl man hört deutlich mehr und öfter von kalter Fusion als von Transmutation – natürlich ist kalte Fusion eine Größenordnung cooler. Transmutation ist aber eine realistische Angelegenheit, die für die nächsten 50 Jahre sehr wichtig sein kann (im Gegensatz zur kalten Fusion).
    Gerade Atomkraft-Befürworter müssten sich doch darauf stürzen – immerhin nimmt es eines der Hauptargumente gegen Atomkraft ein wenig die Luft aus den Segeln.

    Ich habe auch den Eindruck, dass sich die Energieunternehmen nicht wirklich darum bemühen. Da scheint eine “Wir lassen den Staat mal forschen, und wenn es wirklich klappt verdienen wir Geld damit”-Einstellung vorzuherrschen. Es ist ja richtig, dass diese Forschungen dem Interesse der Allgemeinheit dienen und daher staatlich finanziert werden sollten. Aber die Unternehmen sollten ein umso größeres Interesse daran haben (und hätten sie vermutlich auch, wenn sie sich auch nur in irgendeiner Weise selber um den von ihnen erzeugten Atommüll kümmern müssten). Weiß jemand, ob es AKW-Betreiber gibt, die daran forschen?

    Und sorry André, aber ich kann nichts zu einem Teilaspekt der Atomkraft Stellung nehmen, ohne “Atomkraft an sich” zu thematisieren…

  6. André sagt:
    #6

    @Basti: Ja, was ich damit meine ist, dass hier keine Diskussion über das Für und Wider von Atomkraft im Allgemeinen entstehen soll.

    Was den Rest angeht: stimme ich dir voll zu. Ich find es erstaunlich, dass das Konzept schon seit ca. 20 Jahren besteht und das gefühlt alles extrem langsam voran geht.

  7. Knox sagt:
    #7

    Hört sich nach einem interessanten und kreativen Konzept an, das tatsächlich Zukunft haben könnte. Bleibt nur die Frage was Atomkraftgegner davon halten. Eigentlich müsste das nach den hier gegebenen Informationen ja in ihrem Sinne sein, aber irgendwie habe ich so das Gefühl, es würden mit der Zeit noch weitere Nachteile und Risiken gefunden werden.
    Aber vielleicht bin ich da auch zu pessimistisch.
    Den Atommüll zu verwerten ist auf jeden Fall jeden Versuch wert. Also unterdrücke ich mal meine pessimistischen Instinkte…