Atommüll

Behälter mit radioaktivem Abfall in den USA

Transport von radioaktivem Abfall in den USA

Unter radioaktiven Abfällen, die umgangssprachlich mit dem politischen Schlagwort Atommüll belegt werden, versteht man alle beim Umgang mit radioaktiven Stoffen in Kerntechnik, Medizin und Industrie anfallenden radioaktiven Stoffe, die nicht mehr oder einstweilen nicht genutzt werden können. Ob eine sichere Entsorgung oder ein sicherer Wiederverwertungszugriff zu gewährleisten ist, hängt von der Art des Abfalls ab.

Entstehung

Entstehung der radioaktiven Abfälle der Nuklear-Industrie

Der mengenmäßig überwiegende Teil der Abfälle entsteht durch die Uranwirtschaft: Der größte Teil mit rund 80 % der radioaktiven Abfälle stammt aus dem Uranabbau (Abraum und Tailings) und wird in der Nähe des jeweiligen Uranbergwerks gelagert. Weitere Teile stammen aus Kernkraftwerken, aus Kernforschungszentren, aus der Wiederaufarbeitung abgebrannter Brennelemente und in Kernwaffenstaaten aus militärischen Aktivitäten im Zusammenhang mit der Herstellung von Atomwaffen. Ein mengenmäßig geringer Anteil hat seinen Ursprung in der Anwendung radioaktiver Substanzen in Medizin, Industrie und Forschung.

Neben

• abgebrannten Brennelementen aus Kernkraftwerken und
• Abfällen aus der Wiederaufarbeitung,

die den medienwirksamen, aber von der Stoffmenge geringsten Teil der radioaktiven Abfälle ausmachen, sowie

• den oben genannten Tailings

gehören zu den radioaktiven Abfällen auch alle Materialien, die beim Umgang mit radioaktiven Stoffen in Kernkraftwerken, Medizin, Industrie und Forschung kontaminiert oder durch Neutronenstrahlung aktiviert wurden und die nicht wieder verwertbar sind. Dies umfasst eine breite Palette von Materialien, zum Beispiel

• Spritzen und Kanülen aus der Nuklearmedizin,
• Putzlappen,
• Verdampferkonzentrat (z. B. konzentrierte Putzwasser),
• demontierte Rohrleitungen,
• Betonschutt aus Umbaumaßnahmen,
• Isolierstoffe,
• alte Prüfstrahler,
• defekte Werkzeuge und Geräte,

und vieles andere mehr – prinzipiell kann alles, was in einem Betrieb, in dem mit radioaktiven Stoffen umgegangen wird, zu radioaktivem Abfall werden.

Charakterisierung von radioaktiven Abfällen

Radioaktiver Abfall

Radioaktive Abfälle werden abhängig vom jeweiligen Zweck der Betrachtung nach verschieden Kriterien unterschieden, nämlich nach dem Gehalt an radioaktiven Stoffen, der Wärmeentwicklung, dem physikalischen Zustand und den enthaltenen Radionukliden.

Radioaktivitätsgehalt / Wärmeentwicklung

Radioaktive Abfälle werden international in schwach-, mittel- und hochradioaktive Abfälle eingeteilt, bezeichnet als low- (LLW), intermediate- (ILW) und high-level waste (HLW). In Deutschland wird im Hinblick auf die geplanten Endlager Salzstock Gorleben (für wärmeentwickelnde Abfälle) und Konrad (alle anderen) zusätzlich eine Unterscheidung in wärmeentwickelnde und nicht wärmeentwickelnde Abfälle vorgenommen. Als wärmeentwickelnd sind in der Regel die Abfälle aus der Wiederaufarbeitung einzustufen, in denen zu großen Teilen die hochaktiven (und damit eher kurzlebigen) Spaltprodukte (s.u.) enthalten sind.

Physikalischer Zustand

Vorwiegend fallen radioaktive Abfälle als Feststoffe an, in geringerem Umfang (z. B. bei der Wiederaufarbeitung und in der Forschung) auch als Flüssigkeiten. Vor einer Endlagerung müssen Flüssigkeiten in eine chemisch stabile, feste Form überführt werden (Konditionierung). Radioaktive Gase wie Radon kommen im Zuge der Kernenergienutzung nur in sehr geringem Maße vor und werden nicht in dieser Form gelagert, sondern in der Regel in anderen Stoffen physikalisch oder chemisch gebunden.

Enthaltene Radionuklide

An Radionukliden kommen in radioaktiven Abfällen aus Kernkraftwerken die folgenden wesentlichen Stoffgruppen vor:

• Spaltprodukte, also die bei der Kernspaltung entstehenden „Bruchstücke“. Diese sind zum größten Teil sehr kurzlebig (z. B. Iod-131, etc.), jedoch sind auch einige längerlebig (z. B. Cäsium-137, Strontium-90 etc.) oder langlebig (z. B. Iod-129 etc.).
• Aktivierungsprodukte. Dies sind ursprünglich nichtradioaktive Materialien aus dem Reaktor oder dessen Umgebung, die durch Neutroneneinfang von Spalt-Neutronen in radioaktive Nuklide umgewandelt wurden (prominentestes Nuklid ist hier Cobalt-60).
• Erbrüteter Kernbrennstoff (z. B. Plutonium-239, das durch Neutroneneinfang und zwei anschließenden Betazerfällen aus Uran-238 gebildet wird. Sowie das aus Plutonium-239 durch zwei Neutroneneinfänge erbrütete Plutonium-241.
• Erbrütete weitere Transurane (z. B. Americium-241, das durch mehrfachen Neutroneneinfang aus Plutonium-239 über Plutonium-240 und Plutonium-241 mit nachfolgenden Betazerfall entsteht.
• Unverbrauchter ursprünglicher Brennstoff (Uran-235, Pu-239), und Plutonium-241
• nicht in Plutonium umgewandeltes Uran-238.

Wiederaufbereitungsanlagen sollen unverbrauchten und erbrüteten Brennstoff zur Wiederverwendung vom radioaktiven Abfall abtrennen. Der Gehalt an Radionukliden und deren Mischungsverhältnis ist von vielen Faktoren abhängig, insbesondere von der Art, Herkunft und Vorgeschichte des Abfalls.

Entsorgung

Die Entsorgungsfrage ist bisher weltweit nur unbefriedigend gelöst, obwohl seit Jahrzehnten technische Verfahren zur Konditionierung und Endlagerung erprobt werden. Insbesondere mittel- und hochradioaktive Abfälle stellen große Herausforderungen an die Entsorgung. Aufgrund der langen Halbwertszeiten vieler radioaktiver Substanzen muss eine sichere Lagerung über Jahrtausende sichergestellt werden. Dies ist eines der Hauptargumente, mit dem Atomkraftgegner schon seit Jahren den Ausstieg aus der Atomtechnologie fordern. Auch Atommülltransporte geben immer wieder Anlass zu Demonstrationen für einen Atomausstieg. In Europa warten 8000m³ HLW in Zwischenlagern auf die Endlagerung, jährlich werden es 300m³ mehr.^[1]

Konditionierung

Durch die Konditionierung werden die radioaktiven Abfälle in einen chemisch stabilen, in Wasser nicht oder nur schwer löslichen Zustand überführt und den Anforderungen von Transporten und Endlager entsprechend verpackt. Je nach Material werden dazu unterschiedliche Verfahren verwendet.

Hochradioaktive Spaltproduktlösungen, die bei der Wiederaufarbeitung abgebrannter Brennelemente anfallen, werden in Glas eingeschmolzen. Die dabei entstehenden Glaskokillen sind korrosionsfest und unlöslich in Wasser. Alternativ hierzu wird an der Einbindung in Keramik gearbeitet; hier ist ebenfalls eine chemisch stabile Lagerung gewährleistet.

Andere radioaktive Abfälle werden – je nach Art – durch unterschiedliche Verfahren (zum Beispiel Verbrennen, Verpressen) in eine möglichst raumsparende, chemisch stabile Form gebracht und anschließend in der Regel in einer chemisch stabilen, wasserunlöslichen Matrix (Zement, Bitumen) fixiert. Hierbei können teilweise radioaktive Stoffe verwertet werden, unter anderem finden radioaktive Lösungen zum Anmischen von Zement bei der Fixierung anderer Abfälle Verwendung und aus schwach radioaktivem Stahlschrott werden beispielsweise Abschirmplatten für Behälter gefertigt.

Endlagerung

Aufgrund der langen Zeiträume sowie durch die Radioaktivität sind die Lagermaterialien nicht notwendigerweise dauerhaft in der Lage, die eingebundenen Stoffe zu halten. Daher ist die sichere Lagerung des verarbeiteten Mülls entscheidend. Unterirdische Lagerstätten, die keinen oder nur geringen Wasserdurchfluss haben, sind von Vorteil, da in Abwesenheit von Wasser die Lagerbehälter vergleichsweise langsam korrodieren. Selbst nach Zerfall der Lagerbehälter soll ein Transport der radioaktiven Substanzen durch das Gestein sehr langsam erfolgen. Die geologischen Eigenschaften des Gebirges müssen dabei den sicheren Einschluss der radioaktiven Stoffe gewährleisten, so dass diese nicht in die Biosphäre gelangen können. Die Untersuchungen zur Schaffung von Warnzeichen und Warnsymbolen, die über Jahrtausende auf die eingelagerten radioaktiven Stoffe hinweisen, werden unter dem Begriff Atomsemiotik zusammengefasst. Als Endlagerstätten werden etwa Salzstöcke in geologisch stabilen Gesteinsschichten diskutiert. Auch Granit, Tongestein oder Tuff kommen als Wirtsgesteine in Frage. Die seit 1979 andauernde Erkundung des Standortes im Salzstock Gorleben in Norddeutschland wurde im Oktober 2000 durch das BMU unterbrochen. Der Arbeitskreis Auswahlverfahren Endlagerstandort (AkEnd) wurde beauftragt, wissenschaftlich fundierte Kriterien für ein relativ sicheres Endlager aufzustellen. Die derzeitige Bundesregierung unter Angela Merkel strebt jedoch eine forcierte Lösung der Endlagerfrage an.

Wiederverwertung

Unter Umständen kann aber auch eine gewollte Bergung von endgelagerten intakten Behältern mit den radioaktiven Resten der Kernspaltung sowie eventuell zwischenzeitlich durch den andauernden radioaktiven Zerfall angereicherten Stoffen in der fernen Zukunft planmäßig durchgeführt werden, da sowohl unter den Spalt- als auch den Zerfallsprodukten wertvolle Stoffe wie Rhodium, Ruthenium und das radioaktive Metall Technetium sind. Insbesondere sind direkt (ohne Wiederaufarbeitung) endgelagerte Brennelemente wegen ihres erheblichen Gehalts an unverbrauchten Kernbrennstoffen unter Umständen für nachfolgende Generationen eine wertvolle Ressource.

Viele radioaktiv kontaminierte Stoffe können – soweit wirtschaftlich sinnvoll – gereinigt (Dekontamination) und bei erwiesener Kontaminationsfreiheit bzw. Grenzwertunterschreitung (Freimessen) normal weiter genutzt werden. Des Weiteren können radioaktive Reststoffe in der Kerntechnik weiterverwendet werden, so wird z. B. schwachradioaktiver Stahlschrott zu Abschirmungen für Abfallbehälter verarbeitet.

Sonstige Konzepte

Entsorgung im Weltraum

Weiter gibt es Vorschläge, die atomaren Abfälle im Weltraum zu entsorgen. Neben der Lagerung in Asteroiden und auf anderen Planeten gibt es auch Überlegungen, den Müll direkt in die Sonne zu schießen. Gelänge dies, wäre der Atommüll tatsächlich wirksam von der Biosphäre isoliert.

Dem stehen allerdings die beim gegenwärtigen Stand der Technik immensen Kosten der Raumfahrt entgegen, die schon allein für das Erreichen der Erdumlaufbahn anfallen würden. Weiterhin bestünde ein enormes Risiko, da viele Starts jährlich erfolgen müssten und bei einem Fehlstart, der bei allen existierenden Trägersystemen mit einer Wahrscheinlichkeit > 1 % auftritt, mit einer Freisetzung der radioaktiven Fracht auf der Erde oder durch Verglühen in der Atmosphäre zu rechnen wäre. Folge wäre eine großflächige Kontamination. Eine notwendige sichere Verpackung der Fracht – wie sie z. B. bei den für Raumsonden verwendeten Radionuklidbatterien verwendet wird – wäre zwar in der Lage, einen Fehlstart mit hoher Wahrscheinlichkeit ohne Leckage zu überstehen, würde allerdings die zu befördernde Masse vervielfachen und die Entsorgungskosten vollends utopisch machen.

Obwohl an Verbesserungen der Antriebstechnologien gearbeitet wird („Advanced Propulsion Concepts“, erarbeitet vom JPL), welche die Transportkosten merklich verringern sollen, sind bis auf weiteres keine Entwicklungen in Sicht, die eine solche Lösung auch nur annähernd wirtschaftlich erscheinen lassen.

Weiterhin steht der Abschnitt A, Artikel IX des Weltraumvertrags (Zitat: „States Parties to the Treaty shall (…), including the Moon and other celestial bodies, (…) to avoid their harmful contamination“) einer Entsorgung gefährlicher Stoffe im Weltraum entgegen. Weiterhin lässt sich aus den „Principles Relevant to the Use of Nuclear Power Sources in Outer Space“ ebenfalls ableiten, dass eine Verbringung radioaktiver Materialien in den Weltraum unerwünscht ist.^[2]

Transmutation

Es gibt Vorschläge^[3], die langlebigen Nuklide aus hoch radioaktiven Abfällen in geeigneten Anlagen (spezielle Reaktoren, Spallations-Neutronenquellen) durch Neutronenbeschuss in kurzlebige Nuklide umzuwandeln, was die notwendige Dauer des Abschlusses von der Biosphäre erheblich verkürzen würde. Die entsprechenden Forschungen in der Transmutation sind jedoch noch in den Anfängen.

Lagerung in der Antarktis

Als weitere Entsorgungsmöglichkeit wurde die Endlagerung unter dem Eisschild der Antarktis besprochen. Dadurch wäre es prinzipiell möglich, den Abfall sehr sicher von der Biosphäre zu trennen. Nachteilig wäre die Wärmeentwicklung mancher Abfälle, die sich auf die Stabilität der Lagerkammern oder Ähnliches negativ auswirken könnte. Auch kann eine radioaktive Verseuchung des fragilen Ökosystems Antarktis, zum Beispiel durch Unfälle, nicht ausgeschlossen werden. Der Antarktisvertrag schreibt zudem hohe Umweltschutznormen für den sechsten Kontinent vor; eine Verwendung als Endlager für radioaktive Stoffe ist damit nach internationalem Recht nicht möglich.

Es ist umstritten, in welchem Maß die langfristige Isolation der Abfälle gesichert ist. Einerseits könnten durch den Treibhauseffekt die Eiswände schmelzen, andererseits wird der gegenteilige Effekt beobachtet.^[4]

Meeresversenkungen

Anfänglich wurden schwach- und mittelaktive Abfälle unter der Führung der OECD im Nordatlantik versenkt. Schnell zeigte sich jedoch, dass diese Methode nicht nachhaltig ist. Aufgrund des steigenden politischen internationalen Drucks gegen solche Meeresversenkungen wurde diese Methode 1982 aufgegeben.^[5]

Siehe auch

• Brennstoffkreislauf
• Sicherheit von Kernkraftwerken
• Karatschai-See, Kerntechnische Anlage Majak

Literatur

• Atommüll oder Der Abschied von einem teuren Traum. Rowohlt, 1986, ISBN 3-499-14117-5

Quellen

1. ↑ Süddeutsche Zeitung 2008
2. ↑ Vereinte Nationen, Treaties and Principles On Outer Space, 2002 – Weltraumvertrag und zugehörige Abkommen (PDF-Datei)
3. ↑ Bericht über Transmutation bei Science Daily (Sept. 2008) (englisch)
4. ↑ Welt Online, Die Eisdecke der Antarktis wächst, 7. März 2005
5. ↑ Hauptabteilung für die Sicherheit der Kernanlagen, Entsorgungsnachweis: Etappe auf einem langen Weg, 2005, PDF-Datei

Weblinks

• Seite des Bundesamtes für Strahlenschutz zum Thema Endlager
• Die Behandlung und Endlagerung radioaktiver Abfälle aus Atomkraftwerken (PDF) Fachbereichsarbeit von Markus Frühwirth
• Broschüre des IK Kernenergie zum Thema Endlager
• Downloadbereich des IK Kernenergie
• populärwissenschaftlicher Artikel 1 zu den Bakterien, die Atommüll „fressen“
• populärwissenschaftlicher Artikel 2 zu den Bakterien, die Atommüll „fressen“