In den gebräuchlichsten Reaktoren sieht der Plutonium-Gehalt der Brennstäbe ungefähr so aus wie in der Tabelle. (Der letzte Magnox Reaktor wird allerdings dieses oder nächstes Jahr abgeschaltet, es werden dafür keine Brennelemente mehr hergestellt.)
Der Umgang mit Plutonium und Americium
Es ist in solchen Reaktoren möglich, die Menge an Plutonium zu reduzieren. Es wird immer weniger erzeugt, als gespalten wird. Aber es ist aus technischen Gründen damit nicht möglich, auf diese Weise das gesamte Plutonium zu spalten. Warum genau muss ich irgendwann später erklären. Die Probleme kommen aber alle daher, dass man Plutonium-240 und Plutonium-242 nicht mit langsamen Neutronen spalten kann.
Mit schnellen Neutronen funktioniert das hingegen schon. Alle Reaktoren ohne Moderator sind in der Lage, das gesamte Plutonium zu spalten. Weil bei der Kernspaltung mit schnellen Neutronen auch mehr Neutronen frei werden als in Reaktoren mit Moderator, sind solche Reakotren auch sehr gut für die Transmutation der Spaltprodukte geeignet.
Bekannt geworden sind solche Reaktoren natürlich für eine andere Verwendung der zusätzlichen Neutronen – das Brüten von möglichst viel zusätzlichem Plutonium. Das ist natürlich optional. Weniger Plutonium zu erbrüten geht immer, weniger Plutonium zu erbrüten als der Reaktor verbraucht, geht ohnehin.
Plutonium kann man schon deswegen getrennt von den anderen Stoffen betrachten, weil man es mit chemischen Verfahren vom Rest der Stoffe abtrennen kann. In Aufbereitungsanlagen hat man dabei heutzutage am Ende im wesentlichen drei Stoffgruppen. Das Uran, das Plutonium und den ganzen Rest. Das ist auch ein sinnvolles Vorgehen, denn so kann man die Stoffe jeweils getrennt behandeln. Zum Beispiel kann man Uran und Plutonium als Brennstoff lagern, anstatt ihn als Müll zu betrachten. Schon damit wird die Endlagerproblematik deutlich vereinfacht.
Der ganze Rest besteht hauptsächlich aus den Spaltprodukten, aber auch aus den anderen Aktivierungsprodukten die kein Uran oder Plutonium sind. Das wichtigste davon ist Americium-241. Americium-241 entsteht direkt aus Pu-241. Denn Pu-241 ist ein Beta-Strahler mit knapp 15 Jahren Halbwertszeit und bei diesem Beta-Zerfall entsteht ein Isotop des nächsthöheren Elements – Americium-241. Das ist nicht der einzige Bestandteil, aber der entscheidende für die Endlagerung.
Americium-241 hat eine Halbwertszeit von knapp 500 Jahren. Wenn man das Americium-241 nicht für Radioisotopenbatterien benutzt (und das wird immer nur ein kleiner Teil sein), dann muss man entweder 5.000-10.000 Jahre abwarten bis es von allein zerfällt, oder man muss es spalten. Auch Americium-241 ist spaltbar, muss dafür vorher aber von den Spaltprodukten abgetrennt werden. Dabei darf der Anteil von Americium-241 im Reaktor nicht zu groß werden (es darf also nicht den überwiegenden Teil des spaltbaren Materials ausmachen), die Details dazu würden jetzt zu weit führen – es ist auch so schon mein längster Blogartikel.
Endlagerung: Fazit
Ohne jede Nachbehandlung müssen gebrauchte Brennstäbe mehrere 100.000 Jahre gelagert werden.
Ohne Uran und Plutonium müssen die restlichen Stoffe etwa 10.000 Jahre gelagert werden.
Die Spaltprodukte allein müssten nur etwa 300 Jahre lagern, um das Niveau der Uranerze zu erreichen.
Allerdings ist das Auftrennen der Stoffe nie 100% perfekt. Realistische Konzepte gehen von Lagerzeiten von etwa 1000 Jahren aus, wenn Uran, Plutonium und Americium in den Reaktoren gespalten werden und nur die (verunreinigte) Fraktion der Spaltprodukte gelagert werden muss.
Mehr Diskussionen in den Kommentaren und weiteren Blogbeiträgen. Einer der nächsten Beiträge zum Thema Kernkraft wird dann von Thorium handeln. Ich wollte die ganze Thematik mit dem klassischen Uran-Plutonium Brennstoffzyklus darstellen, sonst macht die Diskussion von Thorium wenig Sinn.
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