Atommüll im Vakuum entschärfen - Umwandlung könnte Endlagerung ersetzen

Atommüll im Vakuum entschärfen - Umwandlung könnte Endlagerung ersetzen

Radioaktive Abfälle aus Kernkraftwerken müssen über viele Jahrtausende gelagert werden, bis sie aufhören zu strahlen. Durch Transmutation könnten sie jedoch – zumindest prinzipiell – weitgehend entschärft und unschädlich gemacht werden. Vakuumpumpen spielen dabei eine entscheidende Rolle.
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Umwandeln statt Lagern, lautet der vielversprechende Ansatz, um hochradioaktiven Abfall in nichtstrahlendes Material zu überführen, oder wenigstens die Halbwertzeiten auf überschaubare Zeiträume zu verkürzen. Vakuum gehört zu den Voraussetzungen für diesen Vorgang.

Halbwertzeit 15 Millionen Jahre

Abgebrannte Brennstäbe enthalten etwa ein Prozent Problemstoffe, darunter strahlendes Plutonium und weitere hochradioaktive Isotope, deren Halbwertzeit bis zu 15 Millionen Jahre betragen kann. Das Plutonium und noch enthaltenes spaltbares Uran werden bereits heute in den Wiederaufbereitungsanlagen zu neuen Brennstäben verarbeitet. Die verbleibenden hochgefährlichen Stoffe sind bisher Kandidaten für die praktisch endlose Endlagerung. Man kann sie aber auch chemisch abtrennen und dann der physikalischen Umwandlung (Transmutation) zuführen.

Die Umwandlung findet in einem sogenannten beschleunigergetriebenen System (accelerator-driven system, ADS) statt. Das Kernstück des ADS ist ein hunderte Meter langer Teilchenbeschleuniger, in dem Protonen nahezu auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Die Teilchen dürfen dabei nicht mit anderen Partikeln kollidieren. Deshalb erzeugen Spezialvakuumpumpen in der Anlage ein Ultrahochvakuum von 10-6 bis 10-10 hPa.

Erwünschter Zerfall

Die Protonen treffen mit gewaltiger kinetischer Energie auf ein Schwermetallgemisch und lassen dessen Atomkerne zerplatzen. Dabei werden Neutronen freigesetzt, die nun mit ebenfalls hoher Energie auf die Partikel des Atommülls treffen. Dieses Bombardement löst in den Atomkernen der radioaktiven Isotope diverse Zerfallsprozesse aus. Sie verwandeln sich zu einem beträchtlichen Teil in stabile – also nicht radioaktive – Isotope, oder in radioaktive Teilchen mit deutlich verkürzter Halbwertzeit. In mehreren Durchgängen lässt sich die Menge der kritischen Isotope sukzessive verringern.

Anders als die Kernspaltung kann die Transmutation nicht außer Kontrolle geraten – wird der Protonenstrahl abgestellt, findet keine Kettenreaktion mehr statt. Grundsätzlich kann sie trotzdem mehr Energie erzeugen als sie selbst benötigt. Im Labor funktioniert das schon seit einer Weile. An ADS in industriellem Maßstab wird seit Mitte der 1990er-Jahre geforscht. In Japan soll 2020 die erste Pilotanlage entstehen, eine zweite wird im belgischen Mol voraussichtlich 2023 den Betrieb aufnehmen. Ein Atommüll-Recyclingkraftwerk könnte jährlich den hochradioaktiven Müll von zehn Kernkraftwerken verarbeiten. Das Problem der Endlagerung von Atommüll hätte endlich überschaubare Dimensionen.


Abgebrannte Brennstäbe enthalten 95 Prozent Uran und ein Prozent Plutonium. Sie werden zunächst mechanisch zerkleinert, dann in Salpetersäure aufgelöst. Mit chemischen Reaktionen trennt man Uran, Plutonium und die restlichen enthaltenen Stoffe voneinander. Etwa 10 Prozent des Urans kann durch erneute Anreicherung wieder für neue Brennstäben verwendet werden. Auch das Plutonium wird zu Kernbrennstoff verarbeitet.

Rund 90 Prozent des Materials, das nach diesem Wiederverwertungsprozess zurückbleibt, ist jedoch Abfall, der aus radioaktiven Isotopen zahlreicher Elemente von Arsen bis Terbium besteht. Aus diesen Radioisotopen extrahiert man noch eine geringe Menge für technische, medizinische oder wissenschaftliche Zwecke nutzbare Strahlenquellen. Der verbleibende Müll wird anschließend in schwach-, mittel- und hochradioaktives Material getrennt. Rund sieben Prozent sind hochradioaktiver Abfall, und etwa ein Prozent „Problemmüll", der ohne Transmutation zum Teil über Jahrmillionen sicher versiegelt gelagert werden müsste. Das Volumen des Atommülls, der über Jahrtausende gelagert werden muss, wird durch die Wiederaufbereitung stark reduziert.


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