Arten, Mengen und Zwischenlagerung radioaktiven Abfalls

Jedes Jahr entstehen beim Betrieb von Kernkraftwerken weltweit ungefähr 12.000 Tonnen hochradioaktive Abfälle. In einem mittelgroßen Land wie Deutschland mit einigen Kernkraftwerken fallen etliche Zehn- bis Hunderttausend Kubikmeter an leicht- und mittelradioaktiven Abfällen an und ungefähr ein Zehntel hiervon an hochradioaktiven.

Fuel Pool

Abgebrannte Brennstäbe beinhalten viele verschiedene hochradioaktive Substanzen. Sie müssen erst mehrere Jahre unter Wasser abklingen, bevor sie in Castor-Behälter verpackt werden können. (Bild: U.S. Department of Energy)

In verbrauchten Brennstäben sind nicht nur unbrauchbare radioaktive Stoffe, sondern auch spaltbares Uran und Plutonium enthalten, die sich noch einmal in neuen Brennstäben einsetzen lassen. Wiederaufbereitungsanlagen können diese beiden Elemente aus verbrauchten Brennstäben zurückgewinnen. Diese werden zu diesem Zweck in kleine Stücke geschnitten, in Säure aufgelöst und dann chemisch getrennt. Der Betrieb von Wiederaufbereitungsanlagen ist aber teuer und dient vor allem dazu, die vorhandenen Vorräte zu strecken. Ursprünglich stammt die Wiederaufbereitungstechnik aus der militärischen Nutzung, um Waffenplutonium aus Brennstäben zu gewinnen. Denn das für den Bau von Atomwaffen sehr geeignete Plutonium kommt im Gegensatz zu Uran nicht natürlich vor, sondern muss erst beim Betrieb von Kernkraftwerken erbrütet werden.

Heute verzichten die meisten Staaten aufgrund der wirtschaftlichen und strahlenschutzmäßigen Probleme auf die Wiederaufbereitung. Stattdessen werden gebrauchte Brennstäbe als Ganzes in Transport- und Lagerbehälter (CASTOR) verpackt.

Frisch abgebrannte Brennstäbe sind extrem radioaktiv und entwickeln starke Hitze. Deshalb werden sie zunächst einige Jahre unter Wasser in den Abklingbecken von Kernkraftwerken gelagert, bis die größte Aktivität nachgelassen hat. Dann können sie in CASTORen gefüllt und an der Luft in Zwischenlagern gelagert werden. Es dauert dann noch mehrere Jahrzehnte, bis die Brennstäbe weiter abgeklungen sind, bevor sie überhaupt unterirdisch gelagert werden können. Denn sie erzeugen anfangs noch so viel Hitze, dass sie im Gestein das (in kleinen Mengen immer vorhandene) Wasser verdampfen lassen könnten. Dies könnte das Gestein auflockern und als Lagerstätte untauglich machen.

Die anfänglich sehr hohe Wärmeentwicklung von hochradioaktivem Atommüll ist ein Zeichen dafür, dass dieser Müll noch extrem stark strahlt. Wenn die kürzerlebigen radioaktiven Stoffe zerfallen sind, verbleiben jedoch noch die langlebigen, die zwar weniger Wärme erzeugen, aufgrund ihrer Radioaktivität aber immer noch über Jahrhunderttausende sicher gelagert werden müssen.

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Dirk Eidemüller studierte Physik und Philosophie in Darmstadt, Heidelberg, Rom und Berlin. Nach einem Diplom in der Astroteilchenphysik und Promotion in Wissenschafts- und Erkenntnistheorie führte ihn die Lust am Schreiben zum Wissenschaftsjournalismus.

21 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Wenn Wiederaufbereitung insgesamt weniger langlebigen radioaktiven Abfall bedeutet, dann sollte sie praktiziert werden. Grund: Radioaktiver Abfall kann für einige Jahrzehnte gut und sicher gelagert werden. Problematisch wird erst die Endlagerung, vor allem weil im Wort „Endlager“ wohl eine gehörige Portion Selbsttäuschung steckt. Ein Endlager, das von aussen zugänglich ist -z.B. innerhalb eines Salzstockes – ist aus anderer Sicht kein Endlager sondern ein Munitionsdepot mit Munition für eine schmutzige Bombe.

  2. Brennstäbe auf dem Gelände eines AKW’s abklingen lassen kann natürlich selbst ein Risiko sein wie Fukushima gezeigt hat. Andererseits kann ein Abklingbecken innerhalb eines AKW’s von der Schutzhülle um den Kern profitieren.

    • Das ist sogar eine sehr gefährliche Angewohnheit der Nuklearindustrie, denn das strahlende Inventar gehört eigentlich in gut geschützte, zentrale Zwischenlager. Viele AKW-Betreiber weltweit lagern stattdessen aber über viele Jahre große Mengen abgebrannter Brennstäbe direkt bei den AKWs, obwohl sie dort gegenüber Naturkatastrophen, Flugzeugabstürzen oder terroristischen Angriffen schlechter geschützt sind. Das spart zwar logistische und politische Kosten, erhöht im Unglücksfall (s. Fukushima) jedoch das Risiko und die Bergungskosten (für die im Zweifelsfall die Gesellschaft aufkommt) deutlich.

      In Fukushima war etwa im Block 4, dessen Reaktor zum Zeitpunkt des Tsunamis gar nicht in Betrieb war, das Abklingbecken bis an den Rand des Zulässigen mit abgebrannten Brennstäben gefüllt, als eine Knallgasexplosion die oberen Teile des Gebäudes zerstörte. Nur mit unkonventionellen, provisorischen Maßnahmen (sowie einer Portion Glück, dass keine Nachbeben diese störten) konnten die Techniker damals ein Austrocknen dieses Abklingbeckens und Aufschmelzen der heißen Brennstäbe verhindern.

  3. Allmählich frage ich mich, ob die viele Wärme, die der radioaktive Abfall offenbar erzeugt, nicht wenigstens zur Energieerzeugung genutzt werden könnte. Damit man außer Probleme doch wenigstens etwas Nützliches davon hat…..

    • Rein naturgesetzlich wäre das natürlich möglich. Aber damit profitabel Stromzu erzeugen, ist wieder etwas anderes..
      Es gab sogar einmal Pläne bei der BASF, in Ludwigshafen ein AKW zur Erzeugung von Prozesswärme zu bauen. Auch das ist naturgesetzlich keine dumme Idee, da der Wirkungsgrad bei der Stromproduktion nur bei rund 33% liegt, während man die Wärme im Prinzip zu 100% nutzen könnte. Das Problem dabei ist aber, das große Chemieanlagen immer da sind, wo viele Menschen leben und arbeiten. AKWs will man aber lieber einige Kilometer weiter weg haben, falls doch mal was passiert. Deshalb hat auch die BASF nach schwierigen Verhandlungen mit den betroffenen Kommunen diese Pläne schnell wieder begraben.

      • Dass grosse Chemieanlagen immer dort sind, wo viele Menschen leben und arbeiten scheint nicht besondees klug zu sein, wenn man an Seveso, Bhopal, Schweizerhalle oder Toulouse denkt.

      • Na ja, aber es gibt doch auch viele sehr interessante Konzepte. Der Dual-Fluid-Reaktor zum Beispiel, oder auch Salzschmelzereaktoren. Hier wird der ebenfalls der abgebrannte Brennstoff wieder- und weiterverwertet. Zudem sind diese Art von Reaktoren inhärent sicher. Leider ist hier noch Forschungsarbeit nötig und die scheuen viele. Zumal in Deutschland nach dem Ausstieg die Arbeit in der Kerntechnik ohnehin mit einem Stigma belegt ist.

      • Mit Prozesswärme aus nuklearen Anlagen könnte man Wasserstoff-betriebene Autos ermöglichen, Meerwasser entsalzen und sogar Treibstoffe aus CO2 und Wasser herstellen.
        Das Potenzial ist also gross und nicht bei jedem Anwendungsfall muss die nukleare Anlage in Siedlungsnähe sein. Die WNO (World Nuclear Organization) listet noch folgende potenziellen Anwendunge von Prozesswärme auf: Dampf für die Gewinnung von Öl aus Ölsand, Ölraffinierung, Umwandlung von Kohle zu Flüssigtreibstoff (DIesel), Wasserstofferzeugung für die Herstellung von Dünger und Wasserstoffherstellung für diverse weitere Anwendungsfälle.

        China wird schon bald mehrere Hochtemperaturreaktoren (pebble bed) in Betrieb nehmen mit denen sich Prozesswärme gewinnen lässt.

  4. @Dirk Eidemüller 1.11.2014 17:10. Zitat: „Die radioaktive Belastung der Irischen See ist deshalb deutlich erhöht.“ Erhöht heisst nicht, dass das gesundheitsschädlich ist, zumal die „natürliche“ Radioaktivität (Hintergrundsstrahlung) von Ort zu Ort stark schwankt und hohe Werte „natürlicher“ Radioaktivität wie sie an mehreren durchaus bewohnten Orten vorkommen bis jetzt nicht mit einer erhöhten Häufigkeit von Krebs oder anderen Erkrankungen in Zusammenhang gebracht werden konnte.
    In der Öffentlichkeit wird heute aber oft angenommen, jede noch so kleine Erhöhung der radioaktiven Strahlung sei schädlich, wobei das Linear-No-Treshhold-Modell diese Meinung scheinbar wissenschaftlich unterstützt. Es gibt aber einige Studien, die sogar einen positiven Effekt einer etwas höheren Hintergrundsstrahlung meinten feststellen zu können.

    Bezüglich Sellafield scheinen die Mengen an Radioaktivität, die in die irische See „entlassen“ werden seit den 1970er Jahren um bis den Faktor 100 gesunken zu sein. Man liest in IrishSea/Radioactivity folgendes:

    The consumption of seafood harvested from the Irish Sea is the main pathway for exposure of humans to radioactivity.[29] The environmental monitoring report for the period 2003 to 2005 published by the Radiological Protection Institute of Ireland (RPII) reported that in 2005 average quantities of radioactive contamination found in seafood ranged from less than 1Bq/kg for fish to under 44Bq/kg for mussels.[30] Doses of man-made radioactivity received by the heaviest consumers of seafood in Ireland in 2005 was 1.10µSv.[31] This compares with a corresponding dosage of radioactivity naturally occurring in the seafood consumed by this group of 148µSv and a total average dosage in Ireland from all sources of 3620µSv.[32] In terms of risk to this group, heavy consumption of seafood generates a 1 in 18 million chance of causing cancer. The general risk of contracting cancer in Ireland is 1 in 522.

    Wer also sehr viel Fisch aus der irischen See konsumiert, erhält eine zusätzliche Strahlendosis von 1.10µSv, zusätzlich zur natürlich vorhandenen Dosis von 148µSv im Fisch. Mit anderen Worten, die zusätzliche Strahlendosis beträgt weniger als 1% der natürlichen Strahlendosis. Für meine Masstäbe ist dieser zusätzliche Wert unbedeutend zumal er weit unter den natürlichen Schwankungen zwischen verschiedenen Weltgegenden liegt.

  5. Durch Sellafield-Abwässer radioaktiv gemachter Fisch aus der irischen See enthält im Vergleich zur natürlichen Radioaktivätät ein zusätzliches Bequerel pro Kilogramm, einen sehr kleine Radioaktivitätsmenge, liest man doch bei der World Nuclear Assocation, dass ein Kilogramm Mensch durchschnitlich 100 Bequerel an Radioaktivität enthält.

    100 Bequerel pro Kilogramm Masse sind also unter natürlichen Bedingungen zu erwarten, und zwar auch im Meerwasser. Würden wir die Radioaktivität des Weltozeans so erhöhen, dass anstatt die „natürlichen“ 100 Bequerel 101 Beqwuerel pro Liter Wasser vorhanden wären, könnten im Weltozean (10^21 Kilogramm) 10^21 Bequerel an Radioaktivität entsorgt werden. 1 kg hochradioaktiven Mülls enthält 10^13 Bequerel, so dass wir 100’000 Tonnen hochradioaktiven Mülls im Meer entsorgen könnten. Dies entspricht ungefähr einem Zehntel des jährlich durch den Betrieb von Nuklearreaktoren anfallenden 12’000 Tonnen hochradioaktiven Abfalls.
    Das bedeutet konkret, dass die Entsorgung allen radiaktiven Abfalls über Verdünnung im Ozean doch keine Option darstellt, anders als von mir in einem früheren Kommentar dargestellt, denn bereits nach 10 Jahren derartiger Entsorgung hätten wir die Radioaktivät des Weltmeers um mehr als 1% erhöht.

    Fazit: Heute erzeugen AKW’s jährlich 100’000 Terabequerel hochradioaktiven Mülls. Für eine Entsorgung durch Verdünnung im Weltozean ist das bereits zu viel obwohl eine derartige Entsorgung sehr viele Vorteile hätte und den Missbrauch der Radioaktivät als Waffe verhindern würde.
    Empfehlung: Es sollte alles unternommen werden um die Menge an erzeugtem hochradioaktiven Müll zu reduzieren, denn kleinere Mengen ergeben weniger Entsorgungsprobleme.

  6. Sehr geehrter Herr Eidemüller,

    in der Debatte um verbrauchte Brennstäbe bzw. radioaktiven Abfall vermisse ich konstruktionsbedingte Stoffe / Elemente, wie z.B. Stahl (Eisen), die Hüllmaterialen der Brennstäbe (Zirkonium?), die Materialien der Regelstäbe (Hafnium?) usw.

    Durch die verschiedenen, hochdosierten Strahlungsarten, gerade in der heißen Zone eines Reaktors verändern viele Stoffe / Elemente ihre atomare „DNS“ bzw. werden selbst strahlende Isotope.

    Sind diese Vorgänge bei den genannten Elementen gering bzw. zu vernachlässigen?
    Wie beständig gegen diese radioaktive „Mutationen“ sind andere Baustoffe wie Beton, Glas, Kunststoffe oder das Kühl-Wasser?

    Mit besten Grüßen
    Matthias Schaarschmidt

    • Auch wenn meine Antwort wegen Reisetätigkeit ein wenig spät kommt: Die von ihnen angesprochenen „Mutationen“ werden durch Neutroneneinfang verursacht. Dabei wandelt sich ein Atomkern des betroffenen Materials in einen anderen, meist instabilen und deshalb radioaktiven um. Man spricht auch von „Aktivierung“, denn hierdurch entsteht Radioaktivität.

      Wie radioaktiv ein Stoff nach einer gewissen Weile wird, hängt von mehreren Faktoren ab: einerseits davon, wie reaktionsfreudig seine Atomkerne mit Neutronen reagieren, andererseits von der Strahlungsart, Energie und Halbwertszeit des entstehenden Radionuklids und natürlich von Dauer und Intensität der Neutronenbestrahlung im Kernreaktor.

      Derartige Aktivierung ist dafür verantwortlich, dass ein Kernreaktor erst etliche Jahre nach Betriebsende zurückgebaut werden kann, wenn sie größtenteils abgeklungen ist. Aktivierte Materialien stellen aber mit Abstand kein so großes Problem dar wie die abgebrannten Brennstäbe, also der hochradioaktive Atommüll.

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