Was ist radioaktiver Abfall?
Hier nehmen wir vornehmlich Bezug zu den hochradioaktiven Abfällen, da sie im Zentrum der Debatte stehen. Schwach-, und mittelradioaktive Abfälle werden hier nicht behandelt.
Die meisten hochradioakive Abfälle sind verbrauchte Brennstoffbündel, die aus Kraftwerksreaktoren stammen. Brennstoffbündel bzw. nukleare Brennelemente gelten als verbraucht, wenn sie keine effiziente Kettenreaktion mehr aufrecht erhalten können. Das sind also die sogenannten "abgebrannten Brennelemente" und sind gemeint, wenn wir über "Atommüll" sprechen, und nicht zum Beispiel über Abfälle aus der medizinischen Verwendung von radioaktiven Stoffen.
Betrachten wir nun die Brennstoffe und ihre jeweiligen Bestandteile vor und nach ihrer Verwendung in Kernkraftwerken. Dabei geht es um Recyceln, Zwischenlagerung oder Endlagerung.
Der Brennstoff für Kernkraftwerke
Der Brennstoff für Kernkraftwerke besteht aus Uran, wobei das Isotop U-235 mit einer Konzentration von etwa 3% der eigentliche Brennstoff ist. U-235 wird durch die Bombardierung durch langsame Neutronen instabil und spaltet sich in 2 Atomen spaltet, wobei in seltenen Fällen U-235 sich auch in 3 Atomen spaltet. Das meiste des Urans ist allerdings U-238, der durch die Bombardierung mit langsamen Protonen nicht spalten kann.Der Spaltvorgang produziert Wärme und auch zwei bis drei Neutronen, die dann für die Aufrechterhaltung der Kettenreaktion dienen.
Als Brennstoff kann auch das Plutonium Isotop Pu-239 dienen, die sich ebenso wie U-235 so spalten kann. Dieses Plutonium Isotop gibt es allerdings nicht (besser kaum) in der Natur und wird durch andere kerntechnischen Prozessen erzeugt. Im Reaktor entsteht Plutonium Pu-239 durch die Aufnahme von Neutronen durch Uran U-238 und zwei weiteren Zwischenschritten. Dieser Pu-239 dient dann ebenfalls als Brennstoff.
Auch Uran U-233 ist als Ausgangsmaterial denkbar, kommt aber natürlich so gut wie nicht vor. U-233 müsste deshalb erst aus Thorium Th-232 durch die Aufnahme eines Neutrons und zwei weiteren Zerfallsschritten erzeugt werden, ähnlich wie die Erzeugung von Pu-239 durch U-238.
Die Spaltprodukte
Die Spaltprodukte, die als Abfall gelten sind die Überreste der Kerne Uran (U-235) und Plutonium (Pu-239) des Brennstoffs, nachdem sie sich in zwei oder in seltenen Fällen drei kleineren Atome gespalten haben. Diese "Spaltfragmente" befinden sich im "Atommüll".
Quelle: http://www.hiroshimasyndrome.com/
Nach der Spaltung haben die zwei Spaltelemente zusammen die Ordnungszahl 92 bei Uran und 94 bei Plutonium. Diese könnten zum Beispiel die wahrscheinlichste Kombination Cäsium (Ordnungszahl 55) und Rubidium (Ordnungszahl 37). Nur sehr selten spalten sie sich zu zwei gleichen Elementen, hier Palladium (Ordnungszahl 46).
Die Spaltprodukte sind meist hochradioaktiv, da sie nach der Spaltung eine überschüssige Zahl an Neutronen haben. Die schwache Kernkraft konvertiert das Neutron in ein Proton und emittiert dabei ein Elektron. Dieser Vorgang führt zur β Strahlung.
Diese hohe Strahlungsdichte kann ohne Schutz lebensgefählich sein, weshalb die abgebrannten Brennstäbe in Wasser getaucht werden. Das Wasser kühlt nicht nur, es absorbiert die Strahlung, so dass man direkt darüber ohne Probleme stehen kann.
Viele der Spaltprodukte sind Lanthanoide, die zu den Metallen der seltenen Erden gehören.
Die Menge des Abfalls
Die Energiedichte bei der Kernspaltung ist in etwa 1 Million Mal höher, als beispielsweise bei Kohle. Bei Sonnen- und Windenergie entsteht zwar kein Abfall, sie brauchen aber viel mehr Anlagen und verbrauchen mehr als 100 Mal soviel Landfläche. Bis 2050 erwartet man 78 Millionen Tonnen chemischen Abfall nur aus der solaren Industrie, der im Gegensatz zum nuklearen Abfall an Toxizität nich abnimmt. Demgegenüber hat die nukleare Industrie nach 60 Jahren etwa 250 Tonnen Abfall produziert, also weniger als 1% dessen, was die Solarindustrie in einem entsprechendem Zeitraum produzieren würde <Hinwies: Die Zahlen müssen überprüft werden>.
Umgang mit den Reststoffen nach ihrer Verwendung
Viele Länder bevorzugen zur Zeit die Einmalverwendung des Brennstoffes. Nach dem Abklingen der Brennelemente zum Beispiel in Wasserbecken und eine Zwischenlagerung in Castoren in Kernkraftwerken sollen die Reststoffe im Endlager entsorgt werden. Dieser Einmalzylklus ist unten abgebildet:
Einie Länder haben bereits Endlager mit den notwendigen Sicherheitsvorkehrungen bestimmt, wie Finnland oder Schweden. In den USA oder Deutschland hat sich die Suche schwieriger gestaltet und eine Entscheidung steht noch aus.
Dabei kann dieser Abfall vielfach wiederverwertet werden, weshalb der Einmalzyklus nicht die einzige und langfristig gesehen auch nicht die beste Alternative ist. Die Reste Uran U-235 und Plutonium Pu-239 können in gleichartigen Kernkraftwerken wiederverwendet werden, sie müssen nur vom Rest des Abfalls getrennt werden. Tatsächlich verwenden einige Länder diesen Zyklus mit Wiederverwertung, womit der Rohstoff länger hält. Dieser Vorgang ist unten beschrieben:
Dieser erweiterter Zyklus wird von Ländern, wie Japan, Frankreich und Indien verfolgt und führt zu einer weniger verschwenderischen Verwendung des Brennstoffes.
Wenn man darüberhinaus Brüterreaktoren mit schnellen (unmoderierten) Neutronen verwenden wird sogar das viel häufig vorkommende Uran U-238 zum Brennstoff. Damit kann ein noch größerer Teil des ursprünglichen Brennstoffes verwendet werden, wodurch die Uran-Reserven viel länger in die Zukunft verwendet werden kann.
Warum werden also diese Technologien nicht verwendet?
Ein wesentlicher Grund auch für das Fehlen an Investitionen in Brütertechnologien mit schnellen Neutronen ist, dass Uran immer noch so billig ist, dass ein Recyceln sich nicht lohnt.
Gefahrenabschätzung nach einer Endlagerung
Es ist nicht immer davon auszugehen, dass nach einer Endlagerung und Verschließung des Endlagers alles nach Plan geht. Man kann Risiken auf ein absolutes Minimum reduzieren, so dass ein "Entkommen" des Abfalls aus den Kanistern extrem unwahrscheinlich ist. Wie lange das geschieht hängt davon ab, ob man den einfachen Zyklus verwendet oder die Abfälle recycelt.
Was bei der Endlagerung meist maßlos überschätzt wird ist, wie gefährlich die entwichenen Stoffe nach einem Unfall sind und inwieweit diese trotz des unwahrscheinlichen Leckwerdens in sagen wir 1000 Jahren Menschen diesen Stoffen ausgesetzt sind. Diese Gefährdung wird im Gegensatz zu Emissionen durch fossilen Brennstoffen und die Auswirkungen auf das Klima immer lokal begrenzt sein. Erst wenn die Belastung des Menschen 100 Millisievert pro Jahr übersteigt wird es zum Problem werden und selbst dann punktuell.
Ist das ein realistischen Szenario? In Finnland, wo ein solches Endlager konzipiert worden ist wurden solche Fälle berechnet. Die Finnen Kohonen und Partanen schreiben hierzu: Wenn die Abfallkanister nach 1000 Jahren undicht werden und Menschen in einer Stadt direkt über dem Endlager die ganze Zeit wohnen und nur Produkte aus der Gegend verwenden hätten Sie im Jahr eine zusätzliche Stahlungsbelastung von 0,00018 Millisievert pro Jahr.
Es wurde also bereits gezeigt, dass sichere Endlager gebaut werden können und selbst im schlimmsten Fall der Schaden im Vergleich zu allen sonstigen Gefahren im Leben keine Rolle spielt.
Einschätzung der Autoren
Aus dem Abfall sollten wir zumindest die Transurane separieren, zum einen wegen der daraus noch zu gewinnenden Energie und der entsprechend längeren Reichweite der Uranvorräte (bzw. weniger Uranbergbau, der ja auch nicht unproblematisch ist), zum anderen, weil die verbleibenden Elemente eher Halbwertszeiten von Jahrzehnten als von Jahrtausenden hat. Aus den verbleibenden Elementen sollte man auch wertvolle Metalle für eine Verwendung in anderen Gebieten herausnehmen. Langfristig holen solche Recycling-Verfahren das Maximum aus dem bereits entnommenen Uran heraus und reduzieren den Restabfall auf ein Minumum, das bereits in wenigen Jahrhunderten kaum noch radioaktiv ist.
Die zweitbeste Alternative wäre eine längerfristige Lagerung mit Rückholbarkeit, die jedenfalls gegenüber einer direkten Endlagerung mit Schließung des Endlagers vorzuziehen werden. Somit verbauen wir keine Optionen für die Zukunft und ermöglichen es künftige Generationen, mit den vorhandenen Ressourcen der Erde vernünftiger umzugehen. Die direkte Endlagerung entspricht zu sehr eine Wegwerfgesellschaft, die auf Recycling verzichtet.
Eine Endlagerung ohne Rückholoption, wie es zur Zeit Deutschland und die USA vorhaben halten wir für die schlechteste Option.