Opalinuston als Endlager für hoch radioaktive Abfälle

Wir brauchen dringend ein Endlager für hoch radioaktive Abfälle, am besten unterirdisch und weit entfernt von der Biosphäre. Dafür kommen in Deutschland einige Gesteine infrage. Salz wird gerne als Favorit gehandelt, vor allem von Landespolitikern, die in ihrem Bundesland gerne weiter Atomkraftwerke betreiben würden, aber den Müll natürlich lieber anderen überlassen. Und für die habe ich jetzt eine schlechte Nachricht: Denn auch in ihrem Bundesland gäbe es eine Formation, die durchaus geeignet wäre. Den Opalinuston.

Auch wenn Deutschland inzwischen aus der Kernenergie ausgestiegen ist und das letzte Kernkraftwerk abgeschaltet wurde, ist der hoch radioaktive Atommüll noch da. Daran wird sich wohl auch so schnell nichts ändern, denn der ursprüngliche Zeitplan sah eine Entscheidung für ein Endlager im Jahr 2031 vor, was die Endlagerkommission wohl selbst für unrealistisch hält[1]. In diesem Jahr kam eine Studie zu dem Ergebnis, dass eine Entscheidung wohl erst im Jahr 2074 fallen wird[2].

Was hier irgendwie wie eine Posse aussieht, hat einige ernste Konsequenzen, denn wo soll denn der hoch radioaktive Atommüll bis zu dem Zeitpunkt lagern? Mal abgesehen davon wird ja auch noch der Bau bis zur Inbetriebnahme des Lagers einige Zeit brauchen. Solange lagern die Abfälle oberirdisch in Zwischenlagern, die aber selber keine Genehmigung über diese Zeiträume haben und in Behältern, die für diese langen Zeiträume nicht zugelassen sind.

Aber das soll hier erst einmal nicht das Thema sein.

Was braucht ein Endlager?

Schließlich ist die Suche nach einem Endlager für hoch radioaktive Abfälle keine einfache Aufgabe. Allein die schiere Menge, wir reden hier immerhin von ca. 27.000 m³ (oft und gerne aufgerundet auf[1] 30.000 m³). Die schwach und mittel radioaktiven Abfälle, immerhin noch rund 600.000 m³, sollen nur dann mit eingelagert werden, wenn der Platz vorhanden ist und negative Wechselwirkungen ausgeschlossen werden können.

Ein Endlager soll diese für Mensch und Umwelt gefährlichen Abfälle möglichst über einen sehr langen (auch geologischen) Zeitraum von der Biosphäre fernhalten. Das BMU geht hier von einem Zeitraum von einer Million Jahren aus [3]. Das ist durchaus ambitioniert, auch wenn im Gesetzestext selbst nur von „bestmöglichem“ Schutz die Rede ist.

Man kann sich sehr gut vorstellen, was in einer Million Jahren an einem Ort passieren kann, insbesondere an der Oberfläche unseres Planeten. Das lenkte den Blick sehr schnell auf die tieferen Schichten unseres Planeten, denn (als Beispiel) die Salzstöcke, die gerne für ein Endlager favorisiert werden, sind ca. 200 Millionen Jahre alt.

Was muss ein Endlager erfüllen – und welche Eigenschaften sollte es besser nicht haben?

Ein Endlager soll, so die Wunschvorstellung, die hoch radioaktiven Abfälle für geologisch lange Zeiträume, wir reden hier von gut einer Million Jahre, von der Biosphäre fernhalten. Da ist der Weg unter die Erdoberfläche eigentlich eine gute Richtung. Wir brauchen also eine Gesteinsformation, die eine möglichst geringe Durchlässigkeit hat. Nur so kann gewährleistet werden, dass das Wasser von außen möglichst wenig mit den Abfällen in Berührung kommt, und wenn doch, dann dauert es zumindest sehr lange, bis das kontaminierte Wasser wieder in den Kreislauf zurückgelangt.

Die Mächtigkeit des einschlusswirksamen Gebirgsbereiches sollte mindestens 100 m betragen, wobei bei kristalliner Lagerung geringere Mächtigkeiten möglich sind. Der einschlusswirksame Gebirgsbereich sollte mindestens 300 m unter der Geländeoberfläche liegen. Sie muss also in jedem Fall tiefer liegen als die zu erwartende größte Tiefe möglicher exogener Prozesse. Dies bedeutet nichts anderes, als dass während der Einlagerungszeit keine Ereignisse an der Oberfläche auftreten dürfen, die den einschlusswirksamen Gebirgsbereich direkt betreffen.

Außerdem muss die Rückholbarkeit für mindestens 500 Jahre gewährleistet sein.

Unerwünscht sind dagegen Gebiete mit aktiver Tektonik sowie aktuelle oder ehemalige Bergbau- und Vulkangebiete oder Überschwemmungsgebiete. Von bewohnten Gebieten, Grundwasserleitern zur Trinkwassergewinnung oder schützenswerten Natur- und Kulturgütern sollte das Lager möglichst weit entfernt sein. Grundsätzlich ist sicherzustellen, dass die Radionuklide so langsam diffundieren, dass sie weitgehend zerfallen sind, bevor sie die Biosphäre erreichen.

Generell sollen die Abfälle sicher und möglichst unbefristet von der Biosphäre abgeschlossen werden, wie auch immer die geologischen Einschlusskriterien im Einzelfall aussehen mögen. Dies eröffnet eine Vielzahl von Möglichkeiten. Deutschland hat lange allein auf Salzstöcke gesetzt.

Skandinavien und der Granit

Da nicht in jedem Land ideale Bedingungen herrschen, muss man sich oft mit dem begnügen, was man hat, und gegebenenfalls mit technischen Maßnahmen nachhelfen, wenn das Wirtsgestein nicht alle Anforderungen erfüllt. Diesen Weg geht man beispielsweise in Finnland und Schweden. Dort sind geeignete Wirtsgesteine wie Salz oder Ton nicht in ausreichender Menge vorhanden. Deshalb hat man sich entschlossen, die nationalen Endlager in Graniten zu errichten. Das erfordert aber auch entsprechende Nachrüstungen, zum Beispiel mit Behältern, die mindestens 100.000 Jahre korrosionsbeständig sind.

Opalinuston als Endlager

Die Schweiz beispielsweise setzt für ihr Endlager auf Tongestein, genauer gesagt auf Opalinuston[4]. Am Standort des schweizerischen Endlagers Nördlich Lägern liegt der Opalinuston in einer Tiefe von rund 800 m und hat eine Mächtigkeit von rund 100 m. Dies wird von Schweizer Seite als ausreichend weit von wasserführenden Schichten entfernt betrachtet.

Was ist Opalinuston?

Der Opalinuston ist ein Tongestein des süddeutschen und schweizerischen Juras. Er wurde im Aalenium vor etwa 170 bis 174 Millionen Jahren in einem Flachmeer abgelagert. Benannt wurde der Ton nach dem Ammoniten Leioceras opalinum (Reinecke 1818). Er ist für seine geringe Wasserdurchlässigkeit bekannt, weshalb sich an seiner Obergrenze häufig Quellhorizonte bilden.

Der Opalinuston besteht aus relativ homogenen Tonsteinen mit einer Mächtigkeit von 100 bis 120 m. Die Ablagerung muss in geologisch sehr kurzer Zeit erfolgt sein, da zumindest im Bereich der Schwäbischen Alb nur die Ammonitenzone vom Opalinuston erfasst wird.

Was macht den Opalinuston als Endlager geeignet?

Bisher wurde in Deutschland bei der Suche nach einem geeigneten Endlager immer gerne auf die Salzvorkommen im Norden verwiesen. Es kommen aber auch andere Gesteine infrage, in diesem Fall der Opalinuston. Für den Opalinuston sprechen vor allem seine Homogenität und seine sehr geringe Wasserdurchlässigkeit. Hinzu kommt die Eigenschaft der Tonminerale, eventuell freigesetzte Radionuklide wirksam zu adsorbieren. In Laborversuchen wurde eine nahezu hundertprozentige Adsorption von vierwertigem Plutonium beobachtet. Sechswertiges Plutonium wird durch die Tonminerale zu vierwertigem Plutonium reduziert.

Auch bei anderen Nukliden wie Neptunium hängt die Adsorption stark von der Oxidationsstufe ab. Bei fünfwertigem Neptunium ist sie deutlich geringer, wird Neptunium dagegen z.B. durch Eisenminerale im Ton zu vierwertigem Neptunium reduziert, erfolgt auch hier eine nahezu vollständige Adsorption [5]. Der Ton besitzt eine enorme Oberfläche. Ein Gramm des Opalinustons würde, wenn man alle Tonplättchen aneinanderfügen würde, gut 100 m² Fläche ergeben. Während die Tonminerale negativ geladen sind, sind die meisten Metalle, zu denen auch die radioaktiven Nuklide im Atommüll gehren, meist positiv geladen.

Gleichzeitig ist der Ton quellfähig. Das heißt, wenn doch einmal Wasser durch einen Riss eindringt, nimmt sein Volumen zu und verschließt den Riss dadurch wieder. Er ist quasi selbstdichtend.

Ein Lied von Uran und Bakterien

Während hier die Tonminerale die Hauptrolle und die Eisenminerale eine Nebenrolle bei der Immobilisierung der Radionuklide spielen, können im Opalinuston auch andere Akteure eine Rolle spielen. Dies können zum Beispiel Lebensgemeinschaften von Mikroorganismen sein, die natürlicherweise im Gestein vorkommen. Diese Lebewesen können die Mobilität der Stoffe stark beeinflussen.

Eine Arbeitsgruppe des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hat jetzt einen Vertreter der Mikroorganismen der Gattung Desulfosporosinus näher untersucht, die in Tongesteinen und möglicherweise auch in Bentonitbarrieren in Endlagern vorkommen.

Dabei ging es vor allem um die Mobilität von Uran. Uran kann in verschiedenen Verbindungen und Oxidationsstufen vorkommen. In der Regel sind dies in natürlichen Vorkommen vierwertige und sechswertige Oxidationsstufen. Dabei sind die vierwertigen Uranverbindungen unter normalen Bedingungen praktisch unlöslich in Wasser, während die sechswertigen relativ leicht löslich sind. Da Uranverbindungen unabhängig von ihrer Radioaktivität auch toxisch sind, hängt die Toxizität hier stark von der Löslichkeit der jeweiligen Verbindung ab.

Desulfosporosinus

Desulfosporosinus bevorzugt anaerobe Bedingungen und kommt auch in tiefen Gesteinsschichten vor. Als die Bakterien im Labor mit Uransalzlösungen in naturnahen Porenwässern in Kontakt kamen, wandelten sie das leicht lösliche sechswertige Uran in das schwer lösliche vierwertige Uran um. Dieses lagerte sich dann in Membranbläschen auf der Zelloberfläche der Bakterien ab. Die Forschenden vermuten, dass es sich dabei um eine Abwehrreaktion handeln könnte.

Innerhalb einer Woche wurden auf diese Weise rund 40 Prozent des ursprünglich gelösten Urans in die unbewegliche Variante umgewandelt. Dabei wurde auch eine weitere, relativ seltene Oxidationsstufe des Urans beobachtet. Diese fünfwertige Oxidationsstufe ist normalerweise relativ instabil. Vermutlich wurde sie bei der Reduktion durch die Bakterien so lange stabilisiert, dass sie nachgewiesen werden konnte [6].

Fazit

Die Ergebnisse zeigen, dass auch der Opalinuston als Wirtgestein für ein Endlager sehr gut geeignet sein dürfte, auch wenn das manchen Lokalpolitikern nicht in den Kram passt. Aber unabhängig davon: Wir brauchen ein Endlager, und zwar dringend. Es ist ja nicht so, dass sich der radioaktive Abfall unserer Kernkraftwerke mit dem Ausstieg aus der Kernenergie in Luft auflöst. Im Gegenteil, er bleibt uns erhalten. Dass wir bei der Endlagersuche immer noch so weit hinterherhinken, sollte eigentlich eine Mahnung an alle sein, die dieser Technologie noch eine Chance geben wollen.

Abgesehen davon finde ich die Ergebnisse der HZDR-Arbeitsgruppe auch deshalb spannend, weil sie nicht nur für die Endlagersuche hilfreich sind, sondern auch neue Perspektiven für die Sanierung kontaminierter Gewässer aufzeigen. Ich glaube, dass sich hier viele neue Möglichkeiten auftun.

 

References

• [1] Bundestag, D. (2016). Abschlussbericht der Kommission Lagerung hochradioaktiver Abfallstoffe „Verantwortung für die Zukunft “, .
• [2] Krohn, J.; Spieth-Achtnich, A.; Schütte, S.; Mbah, M.; Lampke, A.; Hünecke, K.; Fouquet, D.; Kuhbier, J.; Reinhardt, T. and others (2024). Unterstützung des BASE bei der Prozessanalyse des Standortauswahlverfahrens (PaSta): Vorhaben: FKZ 4718F10001, .
• [3] BMU (2010). Sicherheitsanforderungen an die Endlagerung wärmeentwickelnder radioaktiver Abfälle, .
• [4] Kelén (Grafik), C. S. (T. and Joana (2022). Endlager für Atommüll: Die Schweiz setzt auf Opalinuston, Neue Zürcher Zeitung .
• [5] Anonymus (2011). Opalinuston als Wirtsgestein für Atommüll untersucht textbar Kommunikation und Presse (KOM), Johannes Gutenberg-Universität Mainz .
• [6] Hilpmann, S.; Rossberg, A.; Steudtner, R.; Drobot, B.; Hübner, R.; Bok, F.; Prieur, D.; Bauters, S.; Kvashnina, K. O.; Stumpf, T. and others (2023). Presence of uranium (V) during uranium (VI) reduction by Desulfosporosinus hippei DSM 8344T, Science of The Total Environment 875 : 162593.