Radioaktiver Müll? - Kein Problem durch Transmutation!

[von Caroline Hartmann

Im Rahmen eines internationalen Forschungsprojekts in Villigen (Schweiz) wurde ein neues Prinzip zur Erzeugung einer deutlich höheren Neutronenflußdichte bestätigt. Damit ließe sich die Transmutation zur Umwandlung radioaktiver Elemente erheblich effektivieren.

Die Idee der Transmutation, d.h. der Umwandlung radioaktiver Elemente, ist eigentlich schon alt. Sie entstand bereits in den 50er Jahren, also vor dem Bau der ersten Kernkraftwerke in Europa, als die Idee der friedlichen Nutzung der Kernspaltung die Hoffnung in den Nationen aufkeimen ließ, durch eigene Energieproduktion endlich von den Ölkartellen unabhängig zu werden.

Die Transmutation beruht auf Prozessen, die in der Natur - auf der Erde sowie allen Himmelskörpern und im Kosmos - seit Milliarden von Jahren ablaufen: Atome zerfallen entweder von alleine in einzelne Teile (die sogenannte spontane Spaltung), oder einzelne Teilchen, die hochenergetischer Strahlung ausgesetzt sind, werden aus dem Atomkern herausgeschleudert. Ein Beispiel für solche Prozesse ist die Spallation, die man zuerst bei der kosmischen Strahlung beobachtet hat: hier werden Neutronen aus dem Kern geschleudert, nachdem der Kern von einem energiereichen Protonenstrahl getroffen wurde.

Diese natürliche Strahlung, terrestrische sowie kosmische, war vor vielen Hundertmillionen Jahren, als sich die Elemente bildeten und vor allem schwere Atome existierten, so groß, daß sie ein Lebewesen nicht ausgehalten hätte. Heute ist die natürliche radioaktive Strahlung unterschiedlich groß, in Waldgebieten und im Gebirge zum Beispiel höher als in Städten.^[1] In einigen Gebieten Indiens, Brasiliens oder Irans ist die natürliche Strahlung sogar extrem hoch (siehe Tab. 1). Das liegt an der jeweiligen Verteilung der Elemente im Erdgestein (terrestrische Strahlung) und an der mit der Höhe zunehmenden Intensität kosmischer Strahlung. Zusätzlich finden aber auch im Körper jedes einzelnen Menschen Zerfallsprozesse statt, die von natürlichen radioaktiven Isotopen herrühren.

Natürliche Strahlung findet statt, weil nicht alle Elemente gleich stabil sind. Gewöhnlich bestehen Atome aus einer Elektronenhülle und dem Kern. Dabei ist die elektrische Ladung ausgeglichen, da die Zahl der positiv geladenen Protonen im Kern die gleiche ist wie die der (negativ geladenen) Elektronen in der Hülle. Zusätzlich zu den Protonen befinden sich im dichtgepackten Kern (außer beim normalen Wasserstoff) noch elektrisch neutrale Teilchen von ähnlicher Größe und meist gleicher Anzahl wie die Protonen, die Neutronen.

Viele Elemente treten in der Natur jedoch als Gemisch von Isotopen auf. Isotope sind Atome, die zwar die gleiche Kernladungszahl, also gleich viele Protonen im Kern besitzen und somit zum gleichen chemischen Element gehören, jedoch eine unterschiedliche Neutronenzahl aufweisen. In der Natur kommen Elemente, von denen es mehrere Isotope gibt, in einem Isotopengemisch vor, das, von wenigen Ausnahmen abgesehen, überall auf der Erde gleich ist. Das Kupfer-Isotopengemisch hat z.B. immer das Verhältnis Cu-63 69% und Cu-65 31%. Meistens überwiegt aber ein Isotop, die anderen sind nur in Spuren vorhanden, z.B. beim Sauerstoff: 99,759% O-16, 0,0374% O-17, 0,2039% O-18. Bei manchen Elementen sind einige der Isotopen radioaktiv, da sie nicht so stabil sind wie das Isotop mit gleicher Protonen- und Neutronenzahl. Warum das so ist, ist bis heute nicht wirklich geklärt. Man vermutet, daß die Neutronen wie eine Art „Kernklebstoff“ wirken, doch wie funktioniert das? Auch den Zusammenhalt des Kerns kann man auf der Basis der Elektrizität nicht vollständig erklären: die Protonen sind, obwohl sie alle die gleiche Ladung haben und sich abstoßen müßten, auf engstem Raume zusammengepreßt. Der Durchmesser des Kerns ist im Vergleich zum gesamten Atom 10.000mal kleiner, er mißt nur einige Zehnbillionenstel Zentimeter (10^-13 cm).

Eines läßt sich aber doch über den dicht gepackten Kern aussagen: Es muß eine riesige Kraft aufwendet werden, um ein Proton oder Neutron aus dem Kern herauszuschlagen. Diese Kraft, die erforderlich ist, um ein Nukleon (Kernteilchen) aus dem Kern herauszulösen, nennt man „Bindungsenergie“. Sie variiert mit der Kernladungszahl der Elemente: sie ist besonders groß bei den stabilsten Elementen, zum Beispiel Eisen, nimmt aber in Richtung geringerer Kernladungszahl (z.B. Helium) sowie bei denen mit sehr hoher Kernladungszahl, wie zum Beispiel Uran, immer mehr ab. Sie ist aber nicht abhängig von der Anzahl der Protonen, denn sie ist nicht am größten bei den leichten Kernen, sondern bei denen mittlerer Kernladungszahl.

Source: (Quelle: KFZ Karlsruhe)

Bei den sehr leichten Kernen der Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium ist sie sogar so gering, daß bei einer Kernverschmelzung zum Heliumkern mit deutlich höherer Bindungsenergie große Energiemengen freigesetzt werden (Kernfusion, die auf der Sonne ständig abläuft). Andererseits nimmt die „Bindungsenergie“ mit steigender Massenzahl drastisch ab, weshalb die Elemente ab dem Uran nicht mehr stabil sind.

Bei sehr langlebigen, in der Natur vorkommenden instabilen Elementen, den sogenannten natürlichen Radionukliden, dauert es teilweise Milliarden von Jahre, bis der Zerfallsprozeß zur Ruhe kommt, d.h. die Zerfallsreihe mit einem stabilen Element endet. Die Halbwertszeit des Uran 238 beträgt z.B. 4,5 Milliarden Jahre. Da bei der friedlichen Nutzung der Kernenergie solche Radionuklide entstehen - sozusagen als „Müll“ anfallen - kam man auf die Idee, den natürlichen Zerfallsprozeß zu beschleunigen und möglichst so abzukürzen, daß die Elemente gleich stabil sind oder zumindest nur noch für eine bestimmte, überschaubare Zeit strahlen. Transmutation ist also eine Anregung des natürlichen radioaktiven Zerfalls.

Wie funktioniert die Transmutation?

An der technischen Umsetzung dieser Idee wird verstärkt seit den 90er Jahren in Forschungsinstituten auf der ganzen Welt gearbeitet - zum Beispiel am CERN in Genf oder in der Forschungsanlage Jülich. Im Prinzip arbeitet man dabei mit einem Reaktor, dessen Brennstoff aus den Überresten der Spaltungsprozesse von Kernkraftwerken besteht. Um deren Zerfall anzuregen, braucht man Neutronen, denn diese elektrisch neutralen Teilchen haben bekanntlich die Fähigkeit, in den Atomkern einzudringen und Teile davon herauszuschlagen. Je nach Element ist es sehr unterschiedlich, welche Geschwindigkeit die Neutronen haben müssen, um den weiteren Zerfall anzuregen. Deshalb werden die Brennstoffe in verschiedenen Zonen um das als Neutronenquelle dienende „Target“ (Ziel) herum angeordnet, da in dessen Nähe die Neutronen am schnellsten sind. Technetium reagiert z.B. besonders gut auf relativ schnelle, sog. epithermische Neutronen. Da Technetium (Tc) außerdem zu langsame Neutronen, die aus der Reaktorzone zurückgeworfen werden, absorbiert, sowie die Neutronenstrahlung insgesamt bremst, wird bei dem Transmutationskonzept der Forschungsanstalt Jülich Tc-99 in metallischer Form als Brennstäbe in die erste Reaktorregion eingebracht. Am weitesten entfernt werden die Transurane angebracht, die von langsamen (thermischen) Neutronen beschossen werden. Je nachdem, welche Neutronengeschwindigkeiten in den Regionen vorherrschen, lassen sich sogar unterschiedliche Kreisläufe mit unterschiedlichen Brennstoffgemischen vorsehen.

Das wichtigste bei all diesen Prozessen sind die Neutronen. Sie eignen sich bekanntlich deshalb so hervorragend zu Forschungs- und Untersuchungszwecken, weil sie elektrisch neutral sind, die Teilchen also ungehindert von elektrischen oder magnetischen Kräften Material durchdringen. Das macht es aber gleichzeitig schwierig, sie zu einem bestimmten Ort hinzulenken, so daß man sie quasi „vor Ort“ direkt erzeugen muß. Zur Erzeugung eines genügend starken Neutronenstrahls für die Zwecke der Transmutation werden aus einem Metalltarget durch Beschuß mit einem hochenergetischen Protonenstrahl, den man aus einem Teilchenbeschleuniger herausleitet, Neutronen aus den Metallkernen herausgeschlagen.

Höhere Neutronenflußdichte erreicht

Seit dem Jahre 2000 arbeitet am Paul-Scherrer-Institut in Villigen/Schweiz eine internationale Forschungsgruppe an dem Ziel, die folgende wichtige Erkenntnis technisch zu bestätigen: daß eine Transmutationsanlage sehr viel effektiver arbeitet, wenn die Neutronenflußdichte der Quelle sehr hoch ist. Bisher erzeugte man die Neutronen durch den Beschuß eines metallischen Festkörpers, doch theoretische Überlegungen und Berechnungen ergaben, daß man mit einem Flüssigmetalltarget weit höhere Neutronenflußdichten erzielen würde.

Die 170 Mitglieder starke Gruppe besteht aus Wissenschaftlern, Ingenieuren und Technikern aus neun Forschungseinrichtungen in Europa, der Europäischen Kommission, Japan, den USA und Korea. In dem vier Monate dauernden Langzeitexperiment mit Namen MEGAPIE wurden nun diese theoretischen Überlegungen bestätigt: man erreicht mit einem Flüssigmetalltarget tatsächlich eine um 80 Prozent höhere Neutronenflußdichte. Der Vorteil eines flüssigen Targets ist darüber hinaus, daß es sich selber kühlt. Die Wärme wird durch die Wärmebewegung im flüssigen Metall an einen Wärmeaustauscher abgegeben.

Der Einsatz von Transmutationsanlagen zur Umwandlung radioaktiver Abfälle würde den nuklearen Brennstoffkreislauf endgültig schließen und den Gegnern der friedlichen Nutzung der Kernenergie den letzten Wind aus den Segeln nehmen. Nicht nur das Wort „Abfall“ erschiene dann in einem ganz neuen Licht, weil ja viele Stoffe, die aus den radioaktiven Elementen hergestellt werden, teilweise wieder genutzt werden können. Der weitere Nebeneffekt ist, daß diese Anlagen pro Jahr 500 bis über 1000 Megawatt thermische Energie lieferten, die größtenteils dem allgemeinen Stromnetz zugeführt werden könnte. Darüber hinaus eröffnete die Beherrschung der Transmutation ganz neue Forschungszweige, denn sie ließe sich nicht nur zur Umwandlung von radioaktivem „Abfall“, sondern auch zur Erzeugung spezieller Isotopen benutzen, die für vielfältige Zwecke dringend gebraucht werden. Schon heute ist der Bedarf an Radionukliden in der Medizin, der medizinischen Forschung, der Materialforschung oder der Biologie enorm, während die Produktionskapazitäten durch die wenigen verfügbaren Neutronenquellen begrenzt ist. Außerdem sei erwähnt, daß der Nutzen vieler Isotope heute noch gar nicht erforscht ist. Die Transmutation zeigt somit eine Zukunft voller neuer und faszinierender Erkenntnisse und Entdeckungen auf.

Quellen

1. Presseinfo 4/07 des Forschungszentrums Karlsruhe.

2. Lexikon zur Kernenergie, W. Koelzer, Forschungszentrum Karlsruhe, 1980/1997.

3. „Transmutation – Das Zeitalter der Kerntechnik beginnt erst“ Dr. H. Böttiger, Neue-Solidarität-Themenheft 1999.