Radioaktive Abfälle aus Kernkraftwerken müssen gelagert werden, bis sie aufhören zu strahlen. Das kann mehrere Jahrtausende dauern. Durch Transmutation könnten sie jedoch – zumindest prinzipiell – weitgehend entschärft und unschädlich gemacht werden. Vakuumpumpen spielen dabei eine entscheidende Rolle.
Umwandeln statt Lagern, lautet der vielversprechende Ansatz, um hochradioaktiven Abfall in nichtstrahlendes Material zu überführen, oder wenigstens die Halbwertszeiten auf überschaubare Zeiträume zu verkürzen. Für diesen Vorgang ist Vakuum eine der grundlegenden Voraussetzungen.
Halbwertszeit von 15 Millionen Jahren
Abgebrannte Brennstäbe enthalten etwa ein Prozent Problemstoffe, darunter strahlendes Plutonium und weitere hochradioaktive Isotope, deren Halbwertszeit bis zu 15 Millionen Jahre betragen kann. Das Plutonium und noch enthaltenes spaltbares Uran werden bereits heute in den Wiederaufbereitungsanlagen zu neuen Brennstäben verarbeitet. Für die verbleibenden hochgefährlichen Stoffe blieb bisher nur die praktisch endlose Endlagerung. Man kann sie aber auch chemisch isolieren und dann der physikalischen Umwandlung (Transmutation) zuführen.
Diese 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.
Gewünschter Zerfall
Die Protonen treffen mit gewaltiger kinetischer Energie auf ein Schwermetallgemisch und lassen dessen Atomkerne zerplatzen. Dabei werden Neutronen freigesetzt, die nun ebenfalls mit hoher Energie auf die Partikel des Atommülls treffen. Dieser Beschuss 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 kürzerer Halbwertszeit. In mehreren Durchläufen 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. Damit würde das Problem der Endlagerung von Atommüll endlich überschaubare Dimensionen annehmen.

Atommüll im Vakuum entschärfen
Umwandlung könnte Endlagerung ersetzen
Wie werden Brennelemente wiederaufbereitet?
Abgebrannte Brennstäbe enthalten 95 Prozent Uran und ein Prozent Plutonium. Sie werden zunächst mechanisch zerkleinert und dann in Salpetersäure aufgelöst. Mit chemischen Verfahren werden Uran, Plutonium und die restlichen enthaltenen Stoffe voneinander getrennt. Etwa 10 Prozent des Urans kann durch erneute Anreicherung wieder für neue Brennstäbe 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 werden noch geringe Mengen an Material extrahiert, das als Strahlenquellen für technische, medizinische oder wissenschaftliche Zwecke genutzt werden kann. Der verbleibende Müll wird anschließend in schwach-, mittel- und hochradioaktives Material getrennt. Rund sieben Prozent davon 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.
Abgebrannte Brennstäbe enthalten 95 Prozent Uran und ein Prozent Plutonium. Sie werden zunächst mechanisch zerkleinert und dann in Salpetersäure aufgelöst. Mit chemischen Verfahren werden Uran, Plutonium und die restlichen enthaltenen Stoffe voneinander getrennt. Etwa 10 Prozent des Urans kann durch erneute Anreicherung wieder für neue Brennstäbe 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 werden noch geringe Mengen an Material extrahiert, das als Strahlenquellen für technische, medizinische oder wissenschaftliche Zwecke genutzt werden kann. Der verbleibende Müll wird anschließend in schwach-, mittel- und hochradioaktives Material getrennt. Rund sieben Prozent davon 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.