Wenn man Atome spaltet, bleibt etwas übrig. Man nennt es “Atommüll” und schreibt ihm jede Eigenschaft zu, die man für die aktuelle Politik gerade braucht. Von der Politik abgesehen, haben die benutzten Brennelemente aus unseren Kernkraftwerken auch Eigenschaften, die über bloße Rhetorik weit hinaus gehen.
Einiges davon habe ich in früheren Postings schon angedeutet, aber es wird Zeit, alles in einem Artikel zusammen zu bringen. Einige wichtige Grundlagen sind in den Artikeln “Elemente, Isotope und Radioaktivität” und “Was heißt hier eigentlich Spaltbar?“. Ein kleiner Teil des Artikels stammt aus “Radioisotopenbatterien(3)“. Wem etwas bekannt vor kommt ist bitte nicht böse, der Artikel ist leider einer der am wenigsten gelesenen hier im Blog. (Weshalb ich auch von mehrteiligen Serien abgerückt bin.) Aber zum Thema:
Nachdem der Kernbrennstoff den Reaktor verlassen hat, ist er stärker radioakiv als zuvor. Die Brennelemente in unseren Kernkraftwerken bestehen aus Uran und Stoffen, die aus Uran entstanden sind. Das Uranerz, das dafür abgebaut werden musste, war auch schon radioaktiv. Diese Radioaktivität entsteht aus dem Uran und den instabilen Stoffen, die bei dessen Zerfall nach und nach entstehen, bis es schließlich zu stabilem Blei wird.
Wird Uran gespalten, kann es nicht mehr auf diese Weise zerfallen und die Radioaktivität dieses Urans verschwindet von der Welt. Sie wird ersetzt durch die Radioaktivität von Stoffen, die bei der Kernspaltung und der Benutzung von Kernreaktoren entstehen. Ihre Radioaktivität ist zunächst deutlich stärker und schädlicher als die der natürlichen Stoffe, aus denen sie entstanden. Irgendwann ist die Radioaktivität dieser Stoffe für den Menschen weniger schädlich, als das natürliche Uranerz aus dem sie entstanden. Dann kann man auch vom Ende der Lagerung sprechen.
Mit natürlichen radioaktiven Stoffen müssen wir ohnehin umgehen und wir können mit Sicherheit sagen, dass ihre Schädlichkeit für die Menschheit sehr begrenzt ist. Deswegen ist das ein in jedem Fall akzeptables Kriterium. Es soll hier darum gehen, wie man dieses Kriterium erreicht und wie lange das dauert.
Spaltprodukte
Die Kernspaltung an sich ist der offensichtlichste und auch absolut unvermeidliche Weg, wie in einem Kernreaktor stark radioaktives Material entsteht. Ein großes Atom (wie U-235) wird gespalten und es kommen zwei kleinere Atome heraus. Die Spaltung passiert dabei nach dem Zufallsprinzip. Das genaue Ergebnis läßt sich im Einzelfall nicht vorhersagen. Fest steht nur: Meistens wird kein stabiles Atom dabei heraus kommen. Große Atomkerne brauchen viel mehr Neutronen um stabil zu sein als kleine Atomkerne. Diese Form von radioaktivem Abfall ist bei der Kernspaltung unvermeidlich. In der englischen Wikipedia gibt es eine gute Darstellung der Spaltprodukte:
Wir sehen die Halbwertszeit in der Spalte links und die Spaltprodukte entsprechend ihrer Häufigkeit rechts. Wie man sieht entstehen bei der Kernspaltung nur Stoffe mit Halbwertszeiten zwischen 4 und 97 Jahren, sowie zwischen 210.000 Jahren und 15mio Jahren. Die Radioaktivität in der erste Gruppe ist nach etwa 300 Jahren bedeutungslos und es gibt auch Stoffe mit noch kürzeren Halbwertszeiten. Diese Stoffe werden noch schneller zu stabilen Stoffen, sind bis dahin aber auch viel stärker radioaktiv. Wegen ihnen müssen Brennstäbe nach der Entfernung aus dem Reaktor zunächst 1-2 Jahre in einem Abklingbecken gekühlt gelagert werden. Für den langfristigen Umgang sind sie aber nicht interessant.
Die Stoffe mit denen wir es hier zu tun haben, sind allesamt Betastrahler von denen einige auch Gammastrahlen abgeben. Nach der Spaltung sind sie zu klein, um noch durch Alpha-Zerfall zu zerfallen. Das ist äußerst wichtig aus Sicht der Radiotoxikologie.
Wie schädlich sind Spaltprodukte?
Beta- und Gammastrahler richten mit der gleichen Energiemenge sehr viel weniger Schaden in Geweben des Körpers an als Alpha-Strahler. Allgemein anerkannt ist dabei ein Faktor (“Qualitätsfaktor”) von 20 für Alpha-Strahlung, 5 für Neutronen und 1 für Gamma und Beta. Es braucht also Beta-Zerfälle mit insgesamt 100MeV Energie um den gleichen Gewebeschaden anzurichten, wie ein typischer Alpha-Zerfall mit 5MeV.
Die englische Wikipedia hat eine Tabelle zu den 7 langlebigen Spaltprodukten, in der die wichtigsten Daten aufgeführt sind:
Nach dem Namen des Isotops folgen in der Tabelle die Halbwertszeit in Millionen Jahren. Der “Yield” sagt, wieviele Atome dieses Isotops bei der Kernspaltung entstehen. Bei der Spaltung von 100 Uran-235 Atomen entstehen also etwa 6 Atome Tc-99. (Weil immer 2 Atome entstehen, würden sich die Prozentzahlen zu 200% addieren. Leider gibt es zwei Konventionen und es gibt auch Tabellen, in denen die Werte halb so groß sind und sich zu 100% addieren.) Der dritte Wert gibt die Zerfallsenergie an und der letzte schließlich die Art des Zerfalls.
Es ist also nicht nur wichtig zu wissen, wieviele Atome pro Sekunde zerfallen, sondern auch welche Atome es sind. Das natürliche Uran-238 zerfällt zum Beispiel in mehreren Schritten zu Blei-206. Auf dem Weg kommt es unweigerlich zu 8 Alpha-Zerfällen mit zusammen 40MeV Energie. Im Körper können sie damit aber den gleichen Schaden anrichten wie Beta-Zerfälle mit 800MeV Energie. Die Beta-Zerfälle, die dabei auch auftreten, spielen für die Frage nach Gesundheitsschäden aber schon fast keine Rolle mehr.
Das häufigste Uranisotop, Uran-238, hat eine Halbwertszeit von 4,5Mrd Jahren. Es zerfallen also pro Sekunde immer nur wenige Atome. Aber der potentielle Schaden der aus jedem Zerfall eines Uran-238 Atoms und bis hin zu Blei-206 resultieren kann, ist so groß wie der Schaden von 1000 Beta-Zerfällen mit 800keV Energie.
Die Zahl der Zerfälle ist immer proportional zur Zahl der Atome und umgekehrt proportional zur Halbwertszeit. Wenn man doppelt so viele Atome hat, werden doppelt so viele Atome pro Sekunde zerfallen. Wenn es doppelt so lange dauert, bis die Hälfte der Atome zerfallen ist, dann werden nur halb so viele Atome pro Sekunde zerfallen. Der mit Abstand wichtigste langlebige Stoff in der Tabelle ist deswegen Techntium-99 (Tc-99).
Es hat etwa 0,2mio Jahre Halbwertszeit, eine Zerfallsenergie von etwa 300keV und eines dieser Atome entsteht aus etwa 16 gespaltenen Atomen. Im Vergleich dazu hat Uran-238 die rund 21.500fache Halbwertszeit und eine Zerfallskette mit der 2666 fachen Schädlichkeit. Im Vergleich zu Uran-238 ist Tc-99 von Anfang an also nur halb so schädlich.
Tc-99 entsteht 60 mal so häufig wie Sn-126 (Zinn-126), hat aber nur 1/14tel der Zerfallsenergie. Sn-126 kommt damit auf ein Viertel des Wertes von Tc-99. Zirkonium-93 ist etwas seltener als Tc-99 und hat nur ein Drittel der Zerfallsenergie. Außerdem hat es fast die 8-fache Halbwertszeit. Die Schädlichkeit liegt deshalb nur bei etwa 4% des Niveaus von Tc-99.
Die langlebigen Spaltprodukte stehen einem früheren Ende der Lagerung von Brennelementen also nicht entgegen. Das ist gut. Denn es ist unvermeidlich, dass diese Stoffe in einem Kernreaktor entstehen. Aber trotzdem wäre es gut, wenn man etwas gegen die lange Halbwertszeit einiger dieser Stoffe tun könnte. Es bliebe dann mehr Spielraum für andere Stoffe, die beim Betrieb eines Kernreaktors ebenso entstehen.
Transmutation von Spaltprodukten
Tatsächlich gibt es diese Möglichkeit und ein gutes Beispiel ist Cäsium-135. Im Gegensatz zu Cs-137 mit 30 Jahren Halbwertszeit und Cs-134 mit 2 jahren Halbwertszeit hat Cs-135 eine Halbwertszeit von über 2 Millionen Jahren. Es entsteht so häufig, dass es vom Niveau der Schädlichkeit knapp über dem Niveau von Zirkonium-93 läge. Aber es tritt in Brennelementen tatsächlich nicht im Ansatz so häufig auf, wie es die Tabelle vermuten lassen würde.
Cs-135 würde aus dem Zerfall von Xenon-135 entstehen. Aber Xenon-135 hat eine extrem gute Fähigkeit, Neutronen zu absorbieren und sich dabei in stabiles Xenon-136 zu verwandeln. Neutronen gibt es in Kernreaktoren mehr als genug und letztlich hat nur sehr wenig Xenon-135 genug Zeit zu Cs-135 zu werden. (Ok, Xenon-136 ist radioaktiv, aber mit einer Halbwertszeit die über 400 Milliarden mal so lang ist, wie die von Uran-238.)
Im Prinzip kann man das gleiche auch mit anderen Stoffen als nur Xenon-135 machen. Allerdings haben diese Stoffe keine annähernd so gute Fähigkeit, Neutronen zu absorbieren. Aber das kann man kompensieren. Man muss nur eine sehr große Menge eines Stoffs wie Tc-99 in einen Reaktor einbringen. Um so mehr davon im Reaktor ist, um so größer ist die Chance, dass eines der sehr vielen Tc-99 Atome ein Neutron absorbiert und sich mit 15 Sekunden Halbwertszeit in stabiles Ruthenium-100 vewandelt. Wenn genug Tc-99 eingebracht wird, wird in dem Reaktor mehr Tc-99 in stabiles Ru-100 verwandelt, als neues Tc-99 entsteht. Dabei ist nicht nur Ru-100 stabil, sondern auch Ru-101, Ru-102 und Ru-104. Ru-103 wird mit kurzer Halbwertszeit auch stabil. Es gibt also auch keine Probleme, wenn das Tc-99 zu lang im Reaktor hängt.
Allerdings gibt dann doch ein Problem: Die Neutronen für die Transmutation müssen irgendwoher kommen. Bei der Transmutation entstehen keine neuen Neutronen und die absorbierten Neutronen könnten für die Kettenreaktion fehlen. Eine solche Transmutation erfordert also Reaktoren mit einem ausreichenden Überschuss an Neutronen.
Nicht nur für Technetium-99 ist die Transmutation angedacht, sondern auch für Iod-129 ganz am Ende der Tabelle. Es entsteht zwar nur sehr wenig davon und die Halbwertszeit ist extrem lang, aber weil es bevorzugt von der Schilddrüse des Menschen aufgenommen wird, gilt es als besonders schädlich. Beide Stoffe haben Eigenschaften, die eine Transmutation durchaus zulassen. Ihr Neutronenquerschnitt, die Fähigkeit Neutronen zu absorbieren, ist noch groß genug. Außerdem treten sie nicht zusammen mit anderen Isotopen des gleichen Elements auf. Die könnten sonst bei der Transmutation radioaktiv werden. Zumindest würden sie noch mehr Neutronen absorbieren, als die Isotope die man transmutieren will.
Langfristig würde man bei der Spaltung von 100 Atomen ungefähr 7 Neutronen für die Transmutation dieser beiden Spaltstoffe abzweigen müssen. Je nach Reaktor entstehen bei der Spaltung von 100 Atomen etwa 200 bis 300 Neutronen. Es handelt sich hier also keineswegs um ein Hirngespinst, wie oft behauptet wird. Zumal die Transmutation von Xenon-135 einen ganz ähnlichen Umfang hat, wie die Transmutation von Technetium-99. Die findet aber ohnehin zwangsweise in jedem Reaktor stattfindet.
Das größte Problem von Atommüll hat nichts mit den Stoffen zu tun, die bei der Kernspaltung an sich entstehen. Das größte Problem sind die Aktivierungsprodukte, die im Reaktor aus Uran entstehen das nicht gespalten wird.
Aktivierungsprodukte
Aktivierungsprodukte werden auch Transurane oder Actinide genannt. (Wobei Uran eigentlich selbst ein Actinid ist.) Ein Teil der Actinide entsteht, weil nur etwa 88% der Uran-235 Atome tatsächlich gespalten werden, wenn sie ein Neutron einfangen. Es entsteht dann Uran-236. Aus Uran-236 kann durch ein weiteres eingefangenes Neutron und einen Beta-Zerfall auch eine kleine Menge Neptunium-237 entstehen.
Aber die meisten und bei weitem wichtigsten Actinide entstehen, wenn Uran-238 langsame Neutronen einfängt. Uran-238 macht den größten Teil des Urans in einem Brennstab aus, kann aber von langsamen Neutronen nicht gespalten werden. Wenn U-238 ein Neutron einfängt, entsteht daraus mit einer Halbwertszeit von etwas mehr als 2 Tagen das bekannte und spaltbare Plutonium-239.
Pu-239 zerfällt mit einer Halbwertszeit von etwa 24000 Jahren zu Uran-235. So lange sich noch größere Mengen Pu-239 in den Brennelementen befinden, sind sie gefährlicher als das Uranerz aus dem sie entstanden. Es dauert einige 100.000 Jahre, bis der spontane Zerfall von Pu-239 weit genug fortgeschritten ist um vom Ende der Lagerung zu sprechen. Genau das wird an Atommüll kritisiert.
Aber man muss nicht auf den spontanen, radioaktiven Zerfall warten. Pu-239 ist spaltbar und wird bei der Kernspaltung zu Spaltprodukten. Diese Spaltprodukte sind nach viel kürzerer Zeit, sehr viel weniger schädlich als Plutonium-239.
Ganz so leicht ist das aber nicht. Während Uran-235 noch in 88% der Fälle von langsamen Neutronen gespalten wird, ist das bei Pu-239 nur noch in 2 von 3 Fällen so. Wenn es nicht gespalten wird, entsteht das nächsthöhere Isotop: Pu-240. Dieses Isotop ist mit langsamen Neutronen nicht mehr spaltbar. Es kann sich aber durch einfangen eines weiteren Neutrons in Pu-241 verwandeln, das wiederum spaltbar ist. Auch Pu-241 ist nicht perfekt spaltbar und es entsteht Pu-242 und so weiter. Das Pu-240 ist dabei ein wichtiges Isotop. Es neigt mit einer kleinen Wahrscheinlichkeit dazu, spontan durch Kernspaltung zu zerfallen an Stelle eines Alpha-Zerfalls. Aber diese Wahrscheinlichkeit reicht schon. Plutonium mit einem Gehalt von mehr als 7% Pu-240 gilt deswegen nicht mehr als waffenfähig.
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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