Arten, Mengen und Zwischenlagerung radioaktiven Abfalls
BLOG: Atommüll-Debatte
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.
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.
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.
Ich befürworte jegliche Möglichkeit, den radioaktiven Abfall zu reduzieren. Transmutation, Dual-Fluid-Reaktor, Thorium-Salzschmelze-Reaktoren oder eben die Wiederaufarbeitung – es gibt viele Möglichkeiten.
Allen gemein ist, dass dennoch ein nicht zu vernachlässigender Rest bleibt, der fachgerecht entsorgt werden muss. Und hier stellt nun mal die Endlagerung in Salz eine sehr gute Möglichkeit dar. Zudem gilt, dass das über einen geologisch recht kurzen und daher durchaus überschaubaren Zeitraum von einer Mio Jahre zu erfolgen hat. Bedenkt man, dass die Natur die rund 400 in Deutschland verfügbaren Salzstöcke über teilweise mehr als 200 Mio Jahre komplett von der Biosphäre isolieren konnte, steht die Chance nicht so schlecht, das selbe über eine Mio Jahre technisch zu realisieren. Auch soll nach Abschluss des Endlagers ein Zugang nicht mehr möglich sein.
Was die Munsitionsdepots für schmutzige Bomben angeht, da möchte ich Ihren Blick auf unsere vier, bereits seit einigen Jahren in Betrieb befindlichen Endlager richten, dort wird wirklich im ganz großen Stil Abfall endgelagert der für immer hochgradig gefährlich bleibt. Interessiert nur keinen so richtig …:
http://www.kerngedanken.de/2011/01/funktionierende-endlagerung/
war nicht das Versprechen der Transmutation, dass eben kein (oder ein zu vernachlässigender) Rest bleibt, der Halbwertszeiten im Bereich “über einigen hundert, unter einigen zehn Millionen” Jahren hat? Bei einigen zehn bis hundert Jahren HWZ strahlt das Zeug zwar mörderisch, ist aber in historisch überschaubaren Zeiträumen “weg”.
Wo mich im Alltag aber auch immer niemand versteht ist wenn ich darauf hinweise, dass man für Soffe, die “grad mal” einige hunderttausend Jahre problematisch sind (z.B. Plutonium) ein “Riesengschiss” um Endlager macht, aber für Stoffe, die “auf ewig” giftig bleiben wie quecksilberhaltige Abfälle, man fast beliebige Stollen nimmt. Und auch diese Abflle sind – zumindest teilweise, also wie radioaktive Soffe – wasserlöslich und können bei Grundwassereinbruch dieses verseuchen. Aber Radioaktivität ist halt im Allgemeinbewusstsein gefährlicher als “bloß Gift”. Wobei man ja bei so manchem radioaktiven Stoff eher an (Schwermetall-)vergiftung als an der Radioaktivität sterben würde…
Ja, Radioaktivität ist im Bewusstsein vieler das Gift schlechthin und wird von vielen als Hauptverantwortlichen für Krebs und gar für an die Nachkommenschaft weitergegebene Mutationen gesehen.
Überrascht zeigen sich die Leute dann, wenn sie erfahren, dass braungebrannte Pommes chips oder Pommes frites (Acrylamid) im Tierversuch zu Mutationen führen, die an die Nachkommenschaft weitergegeben werden oder dass es sehr viele Karzinogenen gibt und die meisten davon Chemikalien sind, die nicht allzu selten in unserer Umwelt vorkommen.
Allerdings sind Endlager für radioaktive Stoffe trotz dieser Vergleichbarkeit mit chemischen Giften problematisch. Gerade auch weil solche Endlager grosse Radiaokativitätsmengen umfassen, die an einem definierten Ort vorkommen und über die Strahlung gut nachzuweisen sind, was sie auch attraktiv als Quelle für schmutzige Bomben macht. So gesehen wäre es besser als Endlager den Ozean oder den Erdmantel zu benutzen. In gleichmässiger Verteilung im Ozean würden alle heutigen radioaktiven Abfälle den Radioaktivitätspegel des Ozeans kaum erhöhen.
Die Verbringung in den Ozean ist eine gute Idee, aber politisch nicht durchsetzbar weil aufgrund von Unkenntnis den Menschen nicht vermittelbar. Die Idee eines deep borehole disposal, also die Verbringung in einigen Kilometer Tiefe hingegen wäre eine vielversprechende Alternative, muss aber noch erforscht werden.
Was die Strahlung aus einem Endlager angeht: wenn es über den geforderten Zeitraum von einer Mio Jahre dicht bleibt, dann kommt keine Radioaktivität an die Oberfläche, Strahlung “verrät” dann also nicht den Standort an Terroristen.
In der Tat hat gerade hier Salz grandiose Eigenschaften, hält doch die geforderte Schichtdicke von min. 300 m jegliche Strahlung gut zurück. Bedingung aber: der Salzstock ist unverritzt und hat die entsprechenden Dicken zum Deckgebirge und die Dichtheit über den Zeitraum.
Das Verklappen in den Ozeanen wurde eine ganze Weile lang ja einfach so gemacht, in Europa vor allem von der britischen und der schweizerischen Nuklearindustrie. Diese Praxis wurde erst 1994 von der International Maritime Organization verboten, nachdem über 100.000 Tonnen radioaktive Abfälle bereits versenkt wurden. Ein großer Teil dieser Fässer haben sich im hoch-korrosiven Meerwasser bereits mitsamt Inhalt aufgelöst.
Leicht radioaktive flüssige Abfälle dürfen aber immer noch in Meerwasser eingeleitet werden, in Europa etwa in den Wiederaufbereitungsanlagen La Hague und Sellafield. Die radioaktive Belastung der Irischen See ist deshalb deutlich erhöht.
Die Ozeane besitzen aber in der Tat ein so großes Volumen, dass radioaktive Substanzen stark verdünnt werden. Biologische und geochemisch-physikalische Prozesse (wie etwa “sea-spray”) können diese geringen Konzentrationen aber stark aufkonzentrieren, wodurch die Belastung in der Nahrungskette steigt. Und an deren Ende steht der Mensch.
Hier zwei interessante Artikel zum Thema:
http://www.welt.de/print-welt/article626897/Die-radioaktive-Dreckschleuder-von-Sellafield.html
http://www.tagesspiegel.de/wissen/radioaktivitaet-in-organismen-brennstaebe-und-fischstaebchen/4005730.html
Dieser gesamte Themenkomplex ist aber sehr komplex. Das Problem mit der Verklappung ist neben der unvermeidlichen Strahlenbelastung für alle (!) Menschen vor allem, dass sie sich nicht rückgängig machen lässt.
Das Problem beim Salz ist, dass Salz eben immer schon ein wichtiger Rohstoff für den Menschen war. Wer weiß, ob nicht in 10.000 oder 100.000 Jahren Menschen im Bereich des Endlagers Salz abbauen werden? Eine Asse plus hochradioaktiven Abfall möchte niemand vor seiner Haustür.
@Dirk Eidemüller 11. November : “Das Problem mit der Verklappung ist …, dass sie sich nicht rückgängig machen lässt.”
Rückgängig machbar muss etwas sein, wenn es sich im Nachhinein als Fehler herausstellen könnte. Heute sind rückholbare Lager für radioaktive Stoffe aus meiner Sicht vor allem deshalb sinnvoll, weil in Zukunft vielleicht auf billige Art und Weise eine Transmutation möglich wird.
Wenn man langlebigen radioaktiven Müll aber für alle Zeiten loswerden will, dann sollte er nicht-rückholbar entsorgt werden, gerade weil das Rückholen ja in terroristischer Absicht geschehen kann. Ich sehe folgende Möglichkeiten für eine auf alle Zeiten sichere Entsorgung:
1) Extreme Verdünnung (z.B. im Ozean)
2) Nichtrückholbare Versenkung in sehr tiefen Borhlöchern oder gar in Subduktionszonen oder sonstwie im Erdmantel
3) Entsorgung im Weltraum auf Flugbahnen, die für immer weg von der Erde führen
Für alle 3 dieser definitiven Entsorgungsmethoden sollten die zu entsorgenden Mengen möglichst klein sein, weil es sonst sehr teuer oder unsicher wird (Verdünnung beispielsweise). Deshalb sollten möglichst wenig langlebige radioaktive Stoffe erzeugt werden und die existierende Menge an langlebigen radioaktiven Stoffen sollte zu kurzlebigeren transmutiert werden, wenn immer das möglich ist.
Ich bin überzeugt davon, dass man schon bald auch international zur Überzeugung kommen wird, dass Transmutation wenn immer möglch angewandt werden sollte.
Deep Borehole Disposal ist eine der besten Entsorgungsweisen von radioaktivem Abfall. Das denke nicht nur ich, das denken auch Forscher der Universität Sheffield, die eine erstes 5km tiefes, voerst nur 0.5 Meter weites Testbohrlich in den Vereinigten Staaten in Betrieb nehmen wollen.
Vorteile der Entsorgung in sehr grosser Tiefe sind
– Kein Grundwasserzugang
– Wasser ist in dieser Tiefe sehr salzhaltig => kein Aufstieg von Radioaktivitä
– Entsorgter Abfall kaum mehr rückholbar => Sicherheit vor Terroristen, die Material für eine schmutzige Bombe beschaffen wollen
Die Entsorgung in tiefen Bohrlöchern hat einige positive Aspekte. Insbesondere der bessere Abschluss vor dem Grundwasser ist interessant. Diese Methode hat aber auch Nachteile, nicht zuletzt den schwierigen Zugriff, sollten Probleme, bessere Entsorgungsmethoden etc. auftreten. Ich komme im Augenblick nicht dazu, mich regelmäßig um den Blog zu kümmern, aber ab Juni sollte wieder mehr kommen. Deep Borehole Disposal ist auf jeden Fall ein wichtiges Thema, das einen eigenen Beitrag verdient. (und vielleicht mehr als einen..)
@Dirk Eidemüller, 11. 11. 2014: Das sichere Endlager gibt es nicht, weil Menschen die grössten Unischerheitsfaktoren sind. Dies zu (Zitat):
“Wer weiß, ob nicht in 10.000 oder 100.000 Jahren Menschen im Bereich des Endlagers Salz abbauen werden?”
Viel wahrscheinlicher als ein unbeabsichtigtes Freilegen eines Endlagers ist das beabsichtigte Freilegen um Waffenmaterial zu gewinnen. Dieser Ansicht ist auch Didier Sornette, der sich mit Risikofragen vor allem – aber nicht nur – in der Finanz- und Wirtschaftswelt beschäfigt. Sehr überzeugend sind für mich seine Aussagen und Überlebungen im Zeitungsinterview «Wir können nicht einfach den Stecker aus der Atomkraft ziehen und davonlaufen» wo er die grundsätzliche Instabilität der menschlichen Gesellschaften in den Fokus rückt. Krieg, Revolutionen, Unruhen sind über den Zeitraum nur schon von einigen Jahrzehnten bis Jahrhunderten an der Tagesordnung. Dass sich die sich bekämpfenden Parteien dann auf den radioaktiven Müll als Waffen zurückgreifen ist recht wahrscheinlich.
Schlussfolgerung: Hochradioaktive Abfälle dürfen schlussendlich nicht mehr frei zugänglich sein. Das Risiko, dass sie für kriegerische oder terroristische Zwecke benutzt werdne ist viel zu gross.
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.
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.
@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:
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.
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.
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.