Transformation radioaktiver Abfälle

Bis in die zweite Hälfte des 19ten Jahrhunderts waren der Begriff „Radioaktivität“ und damit die in diesem Zusammenhang stehenden physikalischen Prozesse sowohl der Fachwelt als auch der sonstigen Öffentlichkeit unbekannt. Obwohl – wie wir heute wissen – natürliche Radioaktivität existierte und ihr Menschen (in geringem Masse) ausgesetzt waren, brauchte sich bis zu ihrer Entdeckung niemand zu sorgen. Doch dann kam es zu Entdeckungen auch mit Hilfe gezielter Experimente, die nicht nur das existierende Weltbild der klassischen Physik ins Wanken brachten, sondern letztendlich auch zu enormen gesellschaftlichen Auswirkungen führten. Henri Becquerel und das Ehepaar Curie entdeckten den radioaktiven Zerfall, dessen Strahlung kurze Zeit später durch Ernest Rutherford klassifiziert wurde. Das „Atomzeitalter“ war angebrochen.

Im Sommer des Jahres 1903 besuchte Ernest Rutherford mit seiner Frau Mary die Curies in Paris. Marie Curie erhielt ihren Doktortitel zufällig an dem Tag von deren Ankunft. Gemeinsame Freunde hatten eine Feier arrangiert. „Nach einem sehr lebendigen Abend“, erinnert sich Rutherford, „zogen wir uns gegen 11 Uhr in den Garten zurück, wo Professor Curie uns eine Röhre brachte, die teilweise mit Zinksulfid überzogen war, und die eine große Menge in Lösung befindliches Radium enthielt. Die Luminosität war brillant in der Dunkelheit, und es war ein passendes Finale zu einem unvergesslichen Tag.“ Der Zinksulfid-Überzug fluoreszierte weiß und machte dadurch den Ausstoß der energiereichen Teilchen aus dem Radium auf seinem Weg das Periodische System entlang von Uran bis Blei sichtbar in der Dunkelheit des Pariser Abends. Das Licht war hell genug, sodass Rutherford Pierre Curies Hände sehen konnte, „in einem sehr entzündeten und schmerzhaften Zustand nachdem sie den Radiumstrahlen so ausgesetzt waren.“ Geschwollene Hände durch Strahlungsverbrennungen war eine weitere Bestätigung dafür, zu was in Materie enthaltene Energie fähig war.

Alle Elemente auf der Erde, die schwerer sind als das Eisen, wurden bei der Entstehung der Erde aus dem Weltall eingefangen. Entstanden sind sie in massereichen Sternen; bei Supernova-Explosionen oder ähnlichen gewaltigen Ereignissen wurden sie ins All geschleudert. Weil die radioaktiven Isotope zum Teil extrem lange Halbwertszeiten besitzen, ist ihre Aktivität bis heute kaum abgeklungen. Manchmal bilden radioaktive Isotope auch Zerfallsreihen, und zwar immer dann, wenn das Tochterisotop wieder radioaktiv ist.

Als Kernbrennstoffkreislauf werden die Arbeitsschritte und Prozesse bezeichnet, die der Fertigung des Kernbrennstoffs und seiner Behandlung, bzw. Entsorgung nach dem Einsatz im Reaktor, dienen. Dementsprechend gibt es eine Versorgungs- und eine Entsorgungsseite des Brennstoffkreislaufs. Es gibt zwei Grundtypen des Brennstoffkreislaufs – den offenen und den geschlossenen –, wobei der Unterschied in der Behandlung der abgebrannten Brennelemente besteht.

Nach Angaben der World Nuclear Association entstehen Jahr für Jahr 12.000 Tonnen hoch radioaktive Abfälle. Bis Ende 2010 sind weltweit etwa 300.000 Tonnen hoch radioaktiven Abfalls angefallen, davon etwa 70.000 in den USA. In den deutschen Atomkraftwerken werden jährlich rund 450 Tonnen hoch radioaktive abgebrannte Brennelemente erzeugt. Man kennt heute etwa 200 verschiedene Spalt-Radionuklide, die sich auf 35 verschiedene Elemente beziehen.

Mögliche Wiederaufbereitungsverfahren sind: Teileseise Abtrennung von Spaltprodukten; vollständige Abtrennung von Spaltprodukten; Brutstoffabtrennung; Spaltstoffabtrennung; Abtrennung der Spaltprodukte und Trennung von Brut- und Brennstoff; Abtrennung der Spaltprodukte und vollständige Trennung aller Actinoiden.

Die Einschlusszeit im Endlager bestimmt die Dauer, die notwendig ist, damit der Atommüll die Dosis von Natururan erreicht. Ab diesem Zeitpunkt ist es also belanglos, ob sich ein natürliches Uranerzvorkommen oder ein Endlager für hoch radioaktive Abfälle unter der Erde befindet. Bei der direkten Endlagerung sind etwa 200.000 Jahre nötig. Dies ist die kostengünstigste, und daher auch die am weitesten verbreiteten Methode der Endlagerung. Da die meisten Leistungsreaktoren der Welt in den 70er-Jahren errichtet wurden und zwischen dem Einsetzen der Brennelemente in den Reaktor und ihrem endlagerungsfähigen Zustand etwa ein halbes Jahrhundert vergeht (etwa 4 Jahre im Reaktor, 5 Jahre im Abklingbecken und 40 Jahre Trockenlagerung), kann eine Endlagerung frühestens in den 2020er-Jahren erfolgen.

Jedes Land hat seine eigene Organisation, die dafür sorgt, dass entsprechend der jeweiligen Gesetzgebung radioaktiver Abfall gelagert und entsorgt wird. Das trifft auch für Länder zu, die keine Kernreaktoren betreiben, in denen aber radioaktive Stoffe z. B. in der Medizintechnik oder in Forschungseinrichtungen eingesetzt werden bzw. entstehen.

Nach der Entdeckung der Radioaktivität durch Becquerel und den Curies konnte die Erklärung der Radioaktivität im Zusammenhang mit der Struktur von Atomen zunächst nicht geliefert werden. Das zu tun, blieb Ernest Rutherford vorbehalten. Rutherford erkannte, dass die Strahlung, die z. B. vom Uran ausging, aus mindestens zwei unterschiedlichen Komponenten bestand, die er als α- und β-Strahlung bezeichnete. Später identifiziert er das α-Teilchen als den Kern des Heliumatoms (₂He⁴). Im Jahre 1908 erhielt er dafür den Nobelpreis der Chemie. Um der induzierten Radioaktivität auf der Spur zu kommen, führten Rutherford und Ernest Marsden später ein spannendes Experiment durch Dieses Experiment zeigte bereits, dass es neben in der Natur vorkommenden Transmutationen auch künstlich erzeugte Umwandlungen gibt.

In fast allen Ländern, in denen die Erzeugung von Elektrizität durch Kernenergie eine Rolle spielt, existieren theoretische Überlegungen und experimentelle Forschungsvorhaben zgl. des Brennstoffzyklus, der Beschaffenheit von Brennelementen und der Transmutation von minoren Actinoiden, insbesondere der Verwendung von Pu. Zu diesen Ländern gehören: Belgien, China, Frankreich, Deutschland, Indien, Italien, Japan, Niederlande, Polen, Russland, Südkorea, Tschechien, Ukraine, USA und das Vereinigte Königreich. Im Laufe dieses Kapitels werden einige der wichtigsten Forschungsvorhaben vorgestellt.

Die bisherigen Betrachtungen zur Transmutation bezogen sich auf Uran, Plutonium und minore Actinoide. Es fallen allerdings in Forschung, Medizin und Energiewirtschaft noch weitere radioaktive Abfallstoffe in größeren Mengen an. Dazu gehören vor allem Spaltprodukte aus Reaktoren. Spaltprodukte haben teilweise lange Halbwertszeiten und damit nur eine geringe Radioaktivität. Diese Radioaktivität fällt im Laufe der Zeit noch weiter ab. Das ist bereits nach einhundert Jahren der Fall. Nach 500 Jahren beträgt sie etwa ein Tausendstel derjenigen der minoren Actinoide oder ein Fünfzigtausendstel dessen bei der Entladung aus dem Reaktor.