Suche
Suchfunktion der Seite

aus der Forschung des Karlsruher Instituts für Technologie

Zukunftsvision Partitioning & Transmutation

Etwa ein Prozent des radioaktiven Abfalls ist besonders problematisch, da er Halbwertszeiten von mehreren hunderttausend Jahren aufweist. Aus diesem Grund muss das gesamte Abfallvolumen über diese langen Zeiträume sicher von der Biosphäre isoliert werden. Die Idee, besonders langlebige Abfälle aus abgebrannten Brennelementen abzutrennen (Partitioning) und in weniger problematische Isotope zu verwandeln (Transmutation) funktioniert bislang nur im kleinsten Maßstab. Die Umsetzung in eine technische Anwendung ist noch eine große Herausforderung.

Flüssigmetalllabor KALLA
Im Flüssigmetalllabor KALLA an KIT untersuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das Verhalten der metallischen Schmelzen. Foto/Grafik: KIT/ M. Lober.

Radioaktive Abfälle aus Kernkraftwerken bestehen zu 99 Prozent aus unterschiedlichen Spaltprodukten des Kernbrennstoffs Uran, deren Aktivität nach einigen hundert Jahren abklingt. Doch ein Prozent des Abfalls besteht auch aus schwereren Elementen mit höheren Ordnungszahlen wie Plutonium, Americium, Neptunium oder Curium. Diese Transurane oder minoren Actiniden entstehen, wenn Uran-Atomkerne gespalten werden sowie ihre Folgeprodukte Neutronen einfangen oder selber gespalten werden. Sie besitzen Halbwertszeiten von mehreren hunderttausend Jahren und sind extrem radiotoxisch, also gefährlich für den Menschen und andere lebende Organismen. Aus diesem Grund muss das gesamte Abfallvolumen über diese langen Zeiträume sicher von der Biosphäre isoliert werden.

Die Idee, die besonders langlebigen Abfälle aus den abgebrannten Brennelementen abzutrennen (Partitioning) und durch Neutroneneinfangreaktionen oder erneute Kernspaltungen in weniger problematische Isotope mit kürzerer Halbwertszeit zu verwandeln (Transmutation) funktioniert grundsätzlich. Gezeigt werden konnte dies allerdings nur im kleinsten Maßstab. Die Umsetzung in eine technische Anwendung ist eine große Herausforderung und beschäftigt weltweit Grundlagenforscher und Ingenieure gleichermaßen.

Forschung am KIT

Am Karlsruher Institut für Technologie forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Dr. Joachim Knebel an beiden Aspekten. Im Labormaßstab gelingt ihnen bereits die chemische Abtrennung von Plutonium, Americium und anderen minoren Actiniden mit Hilfe spezieller Moleküle, die gezielt an bestimmte Atomsorten andocken. „Das funktioniert gut, obwohl wir noch nicht im Detail genau verstehen, was dabei auf atomarer und molekularer Ebene die entscheidenden Mechanismen sind“, erklärt Joachim Knebel. Sein Kollege Dr. Andreas Geist arbeitet am KIT-Institut für Nukleare Entsorgung mit seinen Mitarbeitern daran, diesen chemischen Prozess genauer aufzuklären, um die Abtrennung zu optimieren. „Im Labormaßstab schaffen wir es, 99,9% der minoren Actiniden aus dem abgebrannten Abfall abzutrennen. Und darauf sind wir sehr stolz!“, sagt Andreas Geist.

Am KIT-Institut für Kern- und Energietechnik untersuchen Strömungs- und Werkstoffexperten um Professor Dr. Thomas Wetzel das Verhalten von Metallschmelzen, die in einer künftigen Transmutationsmaschine zwei Funktionen erfüllen sollen. Zum einen dienen die Metallatome als Neutronenquellen: Dafür wird ein Protonenstrahl aus einem Teilchenbeschleuniger auf die Metallschmelze gelenkt, und schlägt Neutronen aus den Metallatomkernen (Spallation) heraus, die dann in den Brennelementen die minoren Actiniden spalten sollen. Zum anderen soll die metallische Schmelze die enorme Hitze abführen, die bei der Transmutation in den Brennelementen entsteht. Die Schmelze ist also Neutronenquelle und Kühlmittel zugleich. Als besonders viel versprechend gilt bislang ein flüssiges Gemisch aus etwa gleichen Teilen Blei und Wismut, das Fachleute Eutektikum nennen.
Trifft ein Proton auf ein Blei-Atom, zerplatzt dieses und setzt im Mittel 30 schnelle Neutronen frei, die fast ungebremst durch diese besondere Schmelze dringen, so dass sie genügend Energie für die Spaltung des hochradioaktiven Abfalls behalten. Sobald der Protonenstrahl unterbrochen wird, versiegen auch die Neutronen und damit kommt der Spaltungsprozess in den Brennstäben zum Stillstand. Dies ist eine besondere Sicherheitseigenschaft einer durch einen Beschleuniger getriebenen Transmutationsanlage, die auch Accelerator Driven System oder verkürzt ADS genannt wird.

Schmelze aus flüssigem Metall kühlt den neuen Kernbrennstab

Doch die Blei-Wismut-Schmelze ist nicht einfach zu handhaben: Die Karlsruher Forscher betreiben im Flüssigmetalllabor KALLA eine aufwändige Forschungsanlage, in der sie das Strömungsverhalten der Schmelze bei unterschiedlichen Temperaturen und Strömungsgeschwindigkeiten untersuchen können. Dabei arbeiten sie eng mit Experten aus dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf zusammen, die eine exzellente Messtechnikabteilung für Flüssigmetalle aufgebaut haben.

Damit die aus Edelstählen gefertigten Behälter und Aggregate der chemisch aggressiven Schmelze standhalten, müssen spezielle Beschichtungen entwickelt werden. Die gezielte Auflegierung der Oberfläche mit Aluminium ist ein am KIT-Institut für Hochleistungsenergie und Mikrowellentechnik um Dr. Georg Müller entwickeltes Verfahren, das erste Tests erfolgreich bestanden hat und internationale Anerkennung genießt. „Zusammen mit unseren russischen Partnern in St. Petersburg und Obninsk haben wir ein Verfahren entwickelt, mit dem wir heute in unserer Elektronenstrahlanlage GESA komplette Brennstäbe mit einer Schutzschicht aus Aluminiumoxid versehen können“, berichtet Müller.

Die Transmutationsmaschine entsteht in europäischer Zusammenarbeit

Joachim Knebel hat von 2005 bis 2010 das sehr erfolgreiche europäische Forschungsprojekt EUROTRANS koordiniert, an dem 400 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus 15 europäischen Ländern sowie den USA, Russland, Weißrussland und Japan beteiligt waren. Die 36 Partner aus Industrie und Forschung (von Helmholtz sind FZJ, GSI, HZDR und KIT dabei) haben zusammen mit 17 europäischen Universitäten die wissenschaftlich-technischen Grundlagen einer Transmutationsmaschine konzipiert, die jetzt im Rahmen des Europäischen Strategieforums für Forschungsinfrastrukturen (ESFRI) im belgischen Kernforschungszentrum SCK-CEN in Mol realisiert werden soll. Der Name MYRRHA steht für „Multi-purpose hybrid research reactor for high-tech applications” und die etwa eine Milliarde teure Forschungs-Anlage könnte schon 2023 in Betrieb gehen. „In der Forschungsanlage MYRRHA wird dann erstmals ein Protonenbeschleuniger mit einem Spallationstarget sowie einem unterkritischen Kern zu einer vollständigen Transmutationsanlage gekoppelt“, erläutert Joachim Knebel. MYRRHA könnte damit erstmals demonstrieren, dass die Transmutation auch in großem Maßstab gelingt.

Die Hoffnung: Eine Entschärfung des Endlagerungsproblems

Eine Transmutationsmaschine wie MYRRHA würde das Endlagerungsproblem nicht lösen, aber deutlich entschärfen, sagt Knebel. „Man könnte es schaffen, von den geologischen Zeiträumen von mehreren hunderttausend Jahren auf historische Zeiträume von vielleicht 2000 Jahren zu kommen. Als Maschinenbau-Ingenieur gehe ich davon aus, dass wir diese Zeiten technisch beherrschen können.“ Wenn das gesamte Plutonium sowie die minoren Actiniden abgetrennt und gespalten werden, so kann das Volumen der verbleibenden hochradioaktiven Abfälle um etwa den Faktor 100 sowie das Langzeitgefährdungspotential etwa um einen Faktor von 1000 reduziert werden. „Dafür müsste man allerdings den Prozess der Abtrennung und Transmutation fünfmal wiederholen, die Brennstäbe also immer wieder rezyklieren“, präzisiert Knebel. Ob der Gewinn an Langzeitsicherheit den Aufwand rechtfertigt, ist keine wissenschaftliche Frage mehr, sondern muss in der Gesellschaft breit diskutiert und entschieden werden.

Zum Schluss fasst Joachim Knebel zusammen: „Die Strategie von Partitioning & Transmutation ist eine wissenschaftliche Herausforderung, aber auch eine gesellschafts-politische Chance,  die die europäische Forschungsgemeinschaft in einer gemeinschaftlichen Anstrengung aufgreifen sollte. Helmholtz kann hier wesentliche Beiträge leisten.“

Antonia Rötger