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Transmutation

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Akronym: P + T = Partitionierung und Transmutation

Definition: die Umwandlung chemischer Elemente in andere Elemente, beispielsweise zwecks Reduktion der Gefahren radioaktiver Abfälle von Kernreaktoren

Englisch: transmutation

Kategorien: Grundbegriffe, Kernenergie

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 16.02.2013; letzte Änderung: 18.10.2015

Mit Transmutation bezeichnet man Vorgänge, bei denen ein chemisches Element in ein anderes umgewandelt wird. Historisch bedeutsam sind die über lange Zeiten erfolgten Versuche von Alchemisten, beispielsweise Gold aus anderen Metallen zu gewinnen. Diese Versuche wurden schließlich beendet durch die Erkenntnis, dass chemische Prozesse nur die Anordnung von Atomen in Molekülen verändern können, nicht jedoch die Atomsorten. Erst im 20. Jahrhundert fand man dann heraus, dass Transmutationsprozesse trotzdem möglich sind und auch in der Natur stattfinden, nämlich bei radioaktiven Zerfällen. Ebenso fand man, dass diverse Isotope (Sorten von Atomkernen) durch Bestrahlung zu einer Transmutation angeregt werden können.

Heute kennt man die folgenden Transmutationsprozesse:

Transmutationen werden häufig verwendet, um diverse Isotope für medizinische Behandlungen herzustellen. Beispielsweise wird Cobalt 60 durch Neutronenbestrahlung des natürlichen Stoffs Cobalt 59 gewonnen und für Krebstherapien verwendet.

Transmutation für die Unschädlichmachung von radioaktiven Abfällen?

Prinzip und theoretisches Potenzial

Es ist mögliche, diverse radioaktive Abfälle durch Transmutation unschädlich oder zumindest weniger problematisch zu machen. Die Grundidee ist, dass radioaktive Isotope mit hoher Halbwertszeit (langer Lebensdauer) durch die Bestrahlung mit Neutronen in andere Isotope umgewandelt werden könnten, die entweder stabil sind (also nicht mehr strahlen) oder aber wesentlich kürzere Halbwertszeiten aufweisen. Dies würde in manchen Fällen durch eine induzierte Kernspaltung, in anderen durch einen Neutroneneinfang ohne Kernspaltung geschehen, wobei meist weitere radioaktive Zerfälle geschehen würden. Wenn diese aber bald abklingen, wäre das Ziel erreicht.

Eine solche Transmutation könnte im Prinzip auf verschiedene Bestandteile radioaktiver Abfälle angewandt werden:

  • Diverse Transurane (Aktinoiden jenseits des Urans) wie Plutonium, Americium, Neptunium und Curium können einer Kernspaltung zugeführt werden. Hierbei würde viel Wärme frei, die in einer speziellen Art von Kernreaktor genutzt werden könnte. Übrig bleiben würden Spaltprodukte, die zum größten Teil weitaus kürzere Lebensdauern hätten.
  • Ebenfalls könnten gewisse langlebige Spaltprodukte so behandelt werden. In diesem Fall würden keine so großen Energiemengen freigesetzt.
  • Dieselbe Behandlung würde sich anbieten für gewisse langlebige Aktivierungsprodukte, also für Substanzen, die durch die Neutronenbestrahlung in Kernreaktoren entstanden sind.

Wenn solche Transmutationsprozesse auf den Großteil der langlebigen Bestandteile hochradioaktiver Abfälle aus abgebrannten Brennelementen von Kernreaktoren konsequent angewandt würden, so könnte theoretisch die Radioaktivität der verbleibende Abfälle innerhalb “nur” einiger Jahrhunderte auf ein unbedenkliches Maß abklingen, welches beispielsweise geringer wäre als das des ursprünglich geförderten Uranerzes. Dagegen würde ohne die Transmutation ein Teil der Radioaktivität für weitaus längere Zeiten bleiben, nämlich für hunderttausende von Jahren. Ein weiterer sehr erwünschter Effekt der Transmutation wäre, dass die langfristige Wärmeentwicklung reduziert würde, so dass ein Endlager auch wesentlich kleiner gebaut werden könnte. Hieraus entstand die Hoffnung, dass das Atommüllproblem der Kernenergie durch die Entwicklung der Transmutation stark entschärft würde. Eine sichere Lagerung der radioaktiven Abfälle in einem unterirdischen Endlager wäre dann nur noch für einige Jahrhunderte möglich, was weitaus realistischer ist als eine Lagerung über hunderttausende von Jahren.

Die wesentliche verbesserte energetische Ausnutzung des Urans wäre ein weiterer nützlicher Aspekt, der allerdings nur bei einer langfristigen Nutzung der Kernenergie relevant wäre.

Quellen für die Neutronenstrahlung

Für die Transmutation kann die Neutronenstrahlung innerhalb eines Kernreaktors genutzt werden, der vorwiegend der Energiegewinnung dient. Hier sind die heute vorherrschenden Leichtwasserreaktoren allerdings wenig geeignet, da in ihnen die Neutronen stark abgebremst (moderiert) werden. Wenn Mischoxidbrennelemente als Brennelemente eingesetzt werden, wird zwar Plutonium durch die Kernspaltung abgebaut, gleichzeitig aber neues Plutonium aus Uran 238 erbrütet; je nach den Verhältnissen kann die erbrütete Menge größer oder kleiner sein als die verbrauchte. Für die Beseitigung der anderen Transurane sind die Neutronenenergien zu niedrig. Besser geeignet wären Hochtemperaturreaktoren und “schnelle” Reaktoren, d. h. Reaktoren ohne Moderator, die mit schnellen Neutronen arbeiten. Hierzu gehören z. B. die schnellen Brutreaktoren, deren ursprünglicher Zweck freilich die Erzeugung und nicht die Beseitigung von Plutonium war. Sowohl Hochtemperaturreaktoren als auch schnelle Brutreaktoren haben sich ohnehin nicht durchsetzen können, da sie zu viele technische Probleme aufweisen und bisher nie wirtschaftlich betrieben werden konnten. Dasselbe gilt für Thorium-Reaktoren, bei denen aus Thorium 232 Uran 233 erbrütet wird, aber kein Plutonium.

Es gibt heute auch Versuche, neue Reaktorkonzepte zu entwickeln, die insbesondere auch der Transmutation dienen könnten. Dies trifft auf manche der Konzepte zu, die zur Generation IV der Kernreaktoren gezählt werden. Bislang zeichnet sich jedoch nicht ab, dass solche Reaktoren irgendwo konkret realisiert werden könnten; es bleibt meist bei Konzeptstudien.

Als alternative Neutronenquelle könnte eine Anlage mit einem Teilchenbeschleuniger dienen. Insbesondere könnte der Strahl eines Protonenbeschleunigers sehr hoher Leistung auf ein Spallationstarget (z. B. aus Blei, Thorium oder Uran) gerichtet werden, um hochenergetische Neutronen zu erzeugen. Da die Neutronenerzeugung in einem solchen accelerator-driven system (ADS) jedoch sehr aufwendig ist, müsste man hauptsächlich zusätzliche Neutronen aus der Kernspaltung nutzen, wie auch in einem gewöhnlichen Kernreaktor. Dieses Konzept führt zu einem unterkritischen Kernreaktor, bei dem nur ein kleiner Teil der Neutronen von der Spallationsquelle stammt, der Großteil jedoch von der nuklearen Kettenreaktion. Dieses Konzept wurde von Carlo Rubbia am CERN für einen mit flüssigem Blei gekühlten Thorium-Reaktor detailliert ausgearbeitet und als “energy amplifier” bezeichnet, weil der Reaktor mehr Energie liefern kann, als zum Betrieb des Beschleunigers benötigt wird. (Auch die Bezeichnungen “Rubbia-Reaktor” und “Rubbiatron” sind später aufgekommen.) Der Unterschied zu einem schnellen Reaktor wie oben beschrieben wäre hauptsächlich, dass der Betrieb unterkritisch ist, d. h. dass die Kettenreaktion bei Abschalten des Beschleunigers sofort beendet würde. Somit wäre eines der Sicherheitsprobleme schneller Reaktoren – die Beherrschung der Kritikalität selbst bei hohem Anteil von Transuranen in den Brennelementen – gelöst. Ebenfalls würden praktisch keine neue Transurane erzeugt, somit auch kein waffenfähiges Material. Andere Probleme wie z. B. die Nachzerfallswärme bleiben jedoch erhalten. Die Kosten dürften noch viel höher liegen als bei kritischen schnellen Reaktoren. Deshalb hat dieser Ansatz bisher nur zu Konzeptstudien geführt, nicht aber zu konkreten Plänen für eine Realisierung.

Diverse physikalische und technische Einschränkungen

Leider ergeben sich aus physikalischen und technischen Gründen diverse schwerwiegende Schwierigkeiten für die Transmutation zur Behandlung radioaktiver Abfälle:

  • Die sogenannten Neutroneneinfangquerschnitte der relevanten Isotope sind sehr unterschiedlich. Deswegen benötigen diese Isotope sehr unterschiedliche und zum Teil extrem hohe Bestrahlungsdosen.
  • Der Atommüll enthält außerdem diverse “Neutronengifte”, die Neutronen nutzlos absorbieren würden. Wegen der ohnehin benötigten sehr hohen Neutronendosen sollten solche Isotope vor der Bestrahlung weitestgehend entfernt werden. Manche Substanzen würden sogar erst durch diese Bestrahlung radioaktiv; auch diese sollten zuvor entfernt werden.
  • Aus den genannten Gründen könnte man nicht einfach die abgebrannten Brennelemente oder Brennstäbe bestrahlen. Vielmehr müssen zunächst diverse Bestandteile des radioaktiven Abfalls voneinander getrennt (partitioniert) werden, damit nur die geeigneten Isotope bestrahlt werden und verschiedene Anteile mit den jeweils geeigneten Strahlendosen behandelt werden können. Die jeweiligen Anteile müssten in entsprechend optimierte Brennelemente oder Transmutationselemente eingebracht werden, die dann unterschiedlich behandelt würden.
  • Bei der Bestrahlung ändert sich die physikalische und chemische Natur des Materials stark. Die Bestrahlung muss in der Regel nach einigen Jahren beendet werden, schon bevor alle unerwünschten Stoffe abgebaut sind, da sonst ein Austritt gefährlicher Stoffe schwer zu vermeiden wäre. Dies bedeutet, dass die Brenn- oder Transmutationselemente wiederholt der Partitionierung zugeführt werden müssten, und die Transurane und anderen Stoffe müssten wiederholt in neue Elemente eingebaut werden. Der gesamte Prozess würde wohl mehrere Jahrzehnte dauern und einen enormen Aufwand erfordern.
  • Die detaillierte Entwicklung der benötigten Prozesse würde etliche Jahrzehnte dauern, vor allem weil die Bestrahlungsexperimente für die Entwicklung der Brenn- und Transmutationselemente sehr langwierig wären. Es stehen auch kaum Strahlungsquellen für solche Experimente zur Verfügung.
  • Radioaktive Abfälle, die bereits verglast worden sind, um sie in einen sicherheitstechnisch besser beherrschbaren Zustand zu bringen, können der Transmutation praktisch nicht mehr zugeführt werden. Wenn auf die zukünftige Transmutation gesetzt würde, müsste die Verglasung also gestoppt werden (was manche Stimmen auch fordern). Dies würde jedoch bedeuten, dass die hochradioaktiven Abfälle für viele Jahre in einer sehr viel gefährlicheren Form gelagert werden müssten.

Partitionierung

Ein Kernbestandteil des Verfahrens wäre die Partitionierung, d. h. die Auftrennung von Abfällen in verschiedene Substanzen oder Substanzgruppen. Eine solche würde nicht nur auf den ursprünglichen Atommüll angewandt; vielmehr müssten die bestrahlten Elemente wiederholt der Partitionierung zugeführt und in neue zu bestrahlende Elemente überführt werden.

Die für die Partitionierung benötigten Verfahren wären eine Erweiterung der bereits in diversen Wiederaufarbeitungsanlagen durchgeführten Prozesse. Dort wird insbesondere bereits das Plutonium abgetrennt, und es wären noch einige zusätzliche Schritte notwendig. Die benötigten zusätzlichen Verfahren sind bereits im Labormaßstab demonstriert worden, müssten aber noch weiter entwickelt werden, um auch im industriellen Maßstab durchgeführt werden zu können. Man beachte, dass eine sehr präzise Abscheidung von Substanzen benötigt wird, nachdem die Partitionierung wiederholt durchgeführt werden muss.

Die technischen Probleme der Partionierung für die Transmutation sind wohl lösbar, allerdings nur mit hohem finanziellem Aufwand. Dies dürfte kaum in Frage kommen für Länder, die die Kernenergie nicht dauerhaft nutzen möchten.

Das Gefahrenpotenzial der Partitionierung ist eher größer als das des Betriebs von Reaktoren, weil große Mengen radioaktiver Stoffe in sehr gefährlichen (auch flüchtigen) Formen gehandhabt werden müssen. Insbesondere sind auch die radioaktiven Emissionen solcher Anlagen im Normalbetrieb sowie bei den relativ häufigen Störfällen erheblich. (Die Emissionen von Kernreaktoren sind nur bei sehr schweren Störfällen noch wesentlich größer.) Deswegen dürfte es vielerorts schwierig sein, dafür eine Akzeptanz der Bevölkerung zu erreichen.

Gefahr der Weiterverbreitung von Atomwaffen

Die Nutzung der Kernenergie ist verbunden mit der Gefahr der Weiterverbreitung von Atomwaffen (Proliferation). Diese Gefahr kann durch die Transmutation auf verschiedene Weisen erhöht oder vermindert werden. Der Abbau von Plutonium ist insofern vorteilhaft, dass damit kernwaffenfähiges Material vernichtet wird. Andererseits macht es aber die Partitionierung der Abfälle in der Regel leichter, Teile davon für Kernwaffen zu missbrauchen. Dies hängt allerdings davon ab, wie die Partitionierung und Transmutation konkret gestaltet wird. Es wird heute an Verfahren gearbeitet, bei denen Plutonium nicht in relativ reiner Form anfiele, sondern zusammen mit anderen Transuranen in einer nicht waffenfähigen Form. Die Frage ist freilich, ob es nicht doch möglich wäre, mit einer zusätzlichen Anlage hieraus wieder waffenfähiges Plutonium zu gewinnen, und zwar leichter als direkt aus den Brennelementen.

Wenn manche Stimmen von einer Verminderung der Proliferationsgefahren durch Transmutation sprechen, mag das auch so gemeint sein, dass die Transmutation nur in gewissen “guten” Staaten durchgeführt würde, um insbesondere Plutonium abzubauen – beispielsweise Plutonium aus abgebrannten Brennstäben, die “böse” oder unsichere Staaten abgeben würden. Darin, dass die “guten” Staaten in der Regel auch über Atomwaffen verfügen, wird dann kein Problem gesehen, entweder weil sie diese ohnehin schon haben oder weil sie ja “gut” sind. Selbst wenn man diese Einschätzung teilt, wird man allerdings kaum annehmen können, dass “böse” Staaten freiwillig ihre Brennstäbe abgeben würden, mit denen sie sonst Atomwaffen herstellen würden.

Aus diesen Gründen ist wohl davon auszugehen, dass eine vermehrte Nutzung der Kernenergie die Gefahren der Weiterverbreitung von Atomwaffen vergrößern würde. Programme für die Partitionierung und Transmutation kämen aber nur in eine solchen Szenario überhaupt in Frage, und sie könnten diese Risiken noch weiter vergrößern.

Schlussfolgerungen für das praktisch realisierbare Potenzial

Aufgrund der oben genannten Probleme ergeben sich starke Einschränkungen für die Realisierbarkeit des Konzepts:

  • Die eine oder andere Form von Kernreaktor – kritisch oder unkritisch betrieben – würde in jedem Fall ebenso benötigt wie die zugehörigen erweiterten Wiederaufarbeitungsanlagen. Dies käme nur in Frage für solche Länder, die die Kernenergie definitiv noch für viele Jahrzehnte nutzen wollen – keineswegs jedoch für Länder, die einen Atomausstieg vorhaben. Eine so langfristige Festlegung ist jedoch naturgemäß sehr schwierig; beispielsweise haben die Erfahrungen von Fukushima in 2011 auch solche Länder zu einem Atomausstieg bewegt, wo dies kurz zuvor keineswegs auf der Agenda gestanden hatte, und dass das Unglück von Fukushima das letzte war, ist keineswegs sicher.
  • Man beachte auch, dass ein Einstieg in die Transmutations-Technologie, der dann aber nach wenigen Jahrzehnten doch wieder rückgängig gemacht würde, viele Nachteile miteinander verbinden würde: sehr hohe Kosten, einen höchstens zu einem kleinen Teil verwirklichten Beitrag zum Abbau gefährlicher Abfälle, und sogar wesentlich erhöhte Gefahren in dieser Zeit.
  • Da die Entwicklung der Transmutationsverfahren Jahrzehnte dauern würde, bereits verglaster Atommüll aber nicht mehr der Transmutation zugeführt werden könnte, müsste die Verglasung eingestellt werden. Der Atommüll müsste dann für viele Jahre in einer sehr viel gefährlicheren (z. B. flüssigen oder nur provisorisch verfestigen) Form gelagert werden. Die spätere Transmutation von bereits in ein Endlager verbrachte Abfälle erscheint so gut wie unmöglich.
  • Ohnehin käme die Transmutation nur für hochradioaktive Abfälle in Frage, nicht für schwach- oder mittelaktive.
  • Aus wirtschaftlichen Gründen dürfte höchstens ein Teil der technischen Optionen für die Transmutation realisiert werden, wobei dann aber auch nur ein Teil des theoretischen Potenzials für die Verminderung der Gefährlichkeit von Abfällen verwirklicht würde. Beispielsweise würden vielleicht nur Transurane abgebaut, nicht aber langlebige Spaltprodukte und Aktivierungsprodukte. Ohnehin könnte diese Technologie dann nur auf einen Teil der Abfälle angewandt werden (u. a. weil ein großer Teil bereits verglast worden wäre), so dass sich effektiv die Mengen allenfalls ein Stück weit reduzieren ließen.
  • Nachdem ein detailliertes Gesamtkonzept für ein konkret zu verwirklichendes Verfahren der Transmutation bisher nicht existiert, können diverse Aspekte (z. B. Kosten, Proliferationsrisiko, benötigte Reaktoren inklusive deren Zahl) nicht abschließend beurteilt werden. Dafür wären sehr umfangreiche, langwierige und teure Forschungsprojekte notwendig. Angesichts der geringen Aussichten ist freilich fraglich, wie solche Kosten gerechtfertigt werden können.

Aus den genannten Gründen kam beispielsweise ein von der britischen Regierung eingesetztes Komitee zur Empfehlung, nicht länger auf das Konzept der Transmutation zu setzen, da die Transmutation das Problem der Entsorgung nicht einmal teilweise lösen könne, wenn das Land nicht fest entschlossen ist, die Kernenergie langfristig zu nutzen [1].

Andere vereinzelte Stimmen fordern einen beherzten Einstieg in die Transmutations-Technologie, oft als Teil einer ganz umfassenden nuklearen Strategie. Die großen Schwierigkeiten werden von solchen Stimmen oft vollkommen ausgeblendet. Mit dem großen theoretischen Potenzial der Transmutation werden Hoffnungen geweckt, ohne dass plausibel gemacht werden könnte, wie diese tatsächlich zu erfüllen wären.

Literatur

[1]“The radioactive waste management advisory committee's advice to ministers on partitioning and transmutation in the United Kingdom”, ein Report des Radioactive Waste Management Advisory Committee (RWMAC), http://collections.europarchive.org/tna/20080727101330/http://defra.gov.uk/rwmac/reports/part-trans/index.htm (2003)

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: radioaktiver Abfall, Halbwertszeit, Kernspaltung, Kernreaktor, Wiederaufarbeitung
sowie andere Artikel in den Kategorien Grundbegriffe, Kernenergie

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