Teil 6: Das sogenannte Abfall-Problem

von Dr. Helmut Böttiger

Unnatürlich?
Abfall?
Abfälle und Abfallmengen
Vorbereitung zur Endlagerung
Endlager

Viele sagen: "Kernkraft dürfen wir nicht nutzen, weil das Abfallproblem nicht gelöst ist." Dieses Müllproblem hat drei Aspekte. Zum einen ist in dem "Atommüll" Plutonium enthalten. Es ist als radioaktives Schwermetall giftig - wie auch das nicht radioaktive Blei - und sollte deshalb nicht in den Körper gelangen, auch wenn seine Giftigkeit in der Regel maßlos übertrieben wird. Zudem kann es zur Herstellung von Atomwaffen verwendet werden, weshalb es nach international geltendem Recht auch in Endlagern ständig bewacht werden muß.

Ein weiterer Grund zur Sorge ist, daß in den Abfällen radioaktives Material mit extrem langen Halbwertszeiten enthalten ist. Vor der ionisierenden Strahlung dieses Materials müsse die Biosphäre jahrtausendelang geschützt werden, und daß das auch wirklich geschieht, könne niemand vollständig garantieren, wird argumentiert.

Schließlich erfaßt viele Menschen ein Grauen, weil diese Stoffe angeblich so nicht in der Natur vorkommen, weshalb sie für manche geradezu die "Unnatürlichkeit" der menschlichen Zivilisation verkörpern.

Unnatürlich?

Ehe wir die nuklearen Abfälle im einzelnen betrachten, wollen wir uns mit dem eher ideologischen Ablehnungsgrund der Unnatürlichkeit befassen. Die im Reaktor entstehenden Abfälle und selbst das Plutonium sind nämlich gar nicht so "unnatürlich", wie mit entsprechender Sorgenfalte immer wieder behauptet wird. Oklo liegt im afrikanischen Staat Gabun und weist eine unverhältnismäßig hohe "natürliche" Hintergrundstrahlung auf. Schuld daran ist das Vorhandensein von Uranerz mit hoher Konzentration. Man schaute sich um und stieß in der Umgebung von Oklo auf sechs linsenförmige Uranerztaschen von je 10 bis 20 m Ausdehnung und einem Meter Dicke. Sie wiesen eine ungewöhnlich hohe Urankonzentration von 60% auf.

Zur Enttäuschung ihrer Entdecker - der französischen Kolonialherren - stellte sich aber bald heraus, daß dieses Uranerz nur halb so viel spaltbares Uran235 - nämlich nur 0,35% - enthielt wie gewöhnliches Uranerz (meist Uran238). Natürlich wollte man wissen, wie es dazu kam, da der Anteil von Uran235 im natürlichen Uranerz keiner Willkür, sondern dem Naturgesetz der Halbwertszeit beim Zerfall radioaktiver Kerne unterliegt.

In den Urantaschen stieß man bald auf Spaltprodukte, die wegen ihrer Zusammensetzung und nach den Zerfallsgesetzen für radioaktive Kerne vor etwa 1,8 Mrd. Jahren entstanden sein mußten. Uran235 zerfällt schneller als Uran238. Man rechnete nach und stellte fest, daß das Uran vor 1,8 Mrd. Jahren wenigstens 3% Uran235 enthalten haben mußte. Wenn damals, was offensichtlich der Fall war, genug Wasser in der Umgebung der Lagerstätten vorhanden war, dann waren die Bedingungen für "natürliche" Kettenreaktionen und Kernspaltungen gegeben. Vor 1,8 Mrd. Jahren gab es an dieser Stelle offenbar einen "natürlichen" Kernreaktor, der etwa 100000 Jahre lang in Betrieb war. Der Beweis dafür liegt in Form des stabilen Elements Ruthenium99 vor, das sich allmählich aus dem radioaktiven Spaltprodukt Technetium99 gebildet hat.

Ob die Tatsache, daß es in der Natur tatsächlich "natürliche" Kernreaktoren gab, die Sache für die Kernkraftgegner erträglicher macht, ist fraglich. Daß auch in anderen Gegenden mit extrem hoher natürlicher Hintergrundstrahlung ähnliche Prozesse abgelaufen sein könnten, hilft da vermutlich ebenso wenig wie das allgemeine Wissen, daß die Erdwärme, die in alternativen Geothermie-Kraftwerken genutzt werden soll, zum großen Teil aus dem natürlichen Zerfall natürlich vorkommender radioaktiver Isotope wie Kalium, Uran oder Thorium stammt. Auch die Sonne, der riesige Fusionsreaktor am Himmel, hat die friedliche Nutzung der Kernenergie für Kernkraftgegner nicht "natürlicher" oder akzeptabler gemacht.

Für die Forscher hatte diese Entdeckung einen weitergehenden Reiz. Sie konnten nämlich vor Ort untersuchen, was geschieht, wenn man radioaktive Spaltprodukte völlig ungeschützt im Boden vergraben würde. Mutter Natur führte hier ja ein "Langzeitexperiment" zur Lagerung des Atommülls durch. Tatsächlich wurden die nichtflüchtigen Spaltprodukte nicht durch den Sandsteinboden von Oklo hindurch ins Grundwasser geschwemmt, und sie haben sich auch nicht weiter verbreitet. Sie liegen noch immer dort, wo sie vor 1,8Mrd. Jahren entstanden waren. Doch das soll kein Argument dafür sein, feste, radioaktive Spaltprodukte einfach vor Ort zu vergraben.

Abfall?

Ungelöst ist das "Entsorgungsproblem" keineswegs. Aber schon der Begriff Abfall ist unzutreffend und tendenziös. Abfall ist etwas, das nicht mehr gebraucht wird. Radioaktive Strahler werden aber in unzähligen industriellen und medizinischen Anwendungen (Nuklearmedizin) gebraucht. Zur Zeit werden jährlich 5Tonnen (t) des nicht radioaktiven Elements Kobalt59 in Kernkraftwerken zum radioaktiven Kobalt60 gebrütet, weil man es unter anderem in der Medizintechnik benötigt. Man könnte statt dessen ebensogut auf Cäsium137 oder Technetium99 und anderes aus dem sogenannten Abfall zurückgreifen, wenn man diesen aufbereiten wollte.

Man entdeckt heute ständig neue nützliche Einsatzmöglichkeiten ionisierender Strahlen und dementsprechend auch für radioaktives Material. In Deutschland wird z.B. noch immer der Klärschlamm verbrannt und dabei viel Energie verschwendet, um die darin enthaltenen gefährlichen Krankheitserreger und sonstige Mikroben abzutöten. Daß so etwas sehr wichtig ist, wurde nicht erst durch den BSE-Skandal allgemein bewußt. Bisher wird nur in München der Klärschlamm mit Radionukliden aus "radioaktivem Abfall" mit Erfolg sterilisiert. Das spart nicht nur Energie, sondern macht den Schlamm, nachdem zuvor unerwünschte Schwermetalle abgesondert wurden, zu einem guten Düngemittel und Bodenverbesserer. In 36 Nationen werden luftdichtverpackte Nahrungsmittel mit ionisierenden Strahlen haltbar gemacht, statt sie - wie in Deutschland - mit oft bedenklichen chemischen Zusätzen zu konservieren. Aus dem nuklearen Abfall lassen sich sogar langlebige elektrische Batterien herstellen, die z. B. Menschen zur Stromversorgung ihrer Herzschrittmacher eingepflanzt werden.

Es gibt also tausend und drei Verwendungsmöglichkeiten für solche "Abfälle". Im "Atommüll" sind wertvolle Rohstoffe enthalten - für denjenigen, der sie zu nutzen weiß. Die Sorge der Kernkraftgegner scheint jedoch dahin zu zielen, die "Abfälle" möglichst so wegzustecken, daß diese Nutzungsmöglichkeiten für alle Zeiten unterbunden bleiben.

Abfälle und Abfallmengen

Man sollte sich diese Abfälle also näher ansehen. Zunächst fallen zwei sehr verschiedene Arten nuklearer Abfälle an. Man unterscheidet die Betriebsabfälle und die abgebrannten Brennstäbe. Zu den Betriebsabfällen gehören alle Dinge, die mit ionisierender Strahlung in Berührung kamen und dabei "kontaminiert" wurden. Dazu gehören Putzlumpen, Arbeitskleidung, aber auch ausgewechselte Rohrleitungen und dergleichen. Des weiteren gehören Filterrückstände aus dem Kühlmittelkreislauf und ähnliches dazu.

In einem Kraftwerk vom Typ Biblis (mit 1300MW Leistung) fallen pro Jahr etwa 330m3 solcher Betriebsabfälle an. Sie werden, so weit sie nicht schadlos wiederverwendet werden können, zuerst getrocknet und verbrannt, dann mit Zement vermischt in Fässer abgefüllt und in unterirdische Kavernen abgestellt. Es handelt sich um schwach- bis mittelaktive Abfälle, die keine Eigenwärme entwickeln. Sie bilden etwa 95% aller nuklearen Abfälle mit einem Aktivitätsanteil von etwa 1% am gesamten Nuklearabfall.

Nur 5% der Abfallmenge entfallen auf die Brennelemente. Sie sind hochradioaktiv und entwickeln selbst Abwärme. Sie stellen 99% der Radioaktivität.

Weltweit werden pro Jahr in Kernkraftwerken etwa 340 Gigawatt (GW) elektrische Leistung erzeugt. Dabei entstehen aus dem Abbrand jährlich etwa 9000t hochradioaktiver Abfälle, vor deren Strahlung Lebewesen geschützt werden müssen.1 Weil nicht genügend Wiederaufbereitungsanlagen vorhanden sind, wird etwa nur die Hälfte des Brennstoffs wieder aufbereitet. Auf diese Weise haben sich bis zum Jahr 2000 etwa 200000t hochradioaktiver Abfälle angesammelt2. Hinzu kommen als Folge der Abrüstung etwa 250t Waffenplutonium und etwa 1000t hochangereichertes Waffenuran, falls man es nicht in Kernkraftwerken "verbrennt". Man kann sich eine Vorstellung über die Menge machen, wenn man bedenkt, daß in Gorleben ein Endlager für eine Million Kubikmeter Abfall vorgesehen war - eine Menge, die sich aus der Stromerzeugung von 2500GW-Jahren ergibt. Die im folgenden genannten Abfallmengen beziehen sich auf die Jahresproduktion eines Reaktors vom Typ Biblis B. Jährlich fallen hier 33t abgebrannter Brennstäbe an, das sind rund 5m³ hochradioaktiver Abfälle.

Der größte Teil der abgebrannten Brennstäbe besteht allerdings noch immer aus Kernbrennstoff, der bei geeigneter Wiederaufbereitung weiter verheizt werden könnte. Von dem Uran235, dem eigentlichen Brennstoff, ist in den abgebrannten Brennelementen noch etwa ein Viertel der ursprünglichen Menge vorhanden - 31t sind wieder als Brennstoff verwendbares Uranoxid. Potentieller Nuklearbrennstoff sind auch die 301kg Plutonium, die aus Uran238 gebrütet wurden. 1,35t Abfall stammt aus dem Strukturmaterial der Hüllrohre und ist weniger problematisch.

Das gilt nicht für die 39kg sonstiger Transurane (das sind Kerne, die schwerer sind als Uran und durch Neutroneneinfang entstehen) und Spaltprodukte, die zum Teil sehr starke Strahler sind, dafür aber nur eine verhältnismäßig kurze Halbwertzeit haben. Ihre Strahlung verklingt also in relativ kurzer Zeit.

Element	Isotop	Halbwertzeit in Jahren	Masse in kg
Jod	J-129	1,57 x 10⁷	5,9
Neptunium	Np-237	2,14 x 10⁶	14,3
Plutonium	Pu-242	3,76 x 10⁵	15
Technetium	Tc-99	2,10 x 10⁵	26,7
Plutonium 239	Pu-239	24110	176
Americium 243	Am-243	7370	1,4
Plutonium 240	Pu-240	6550	73
Americium	Am-241	433	17,3
Plutonium 238	Pu-238	87,8	4,7
Cäsium 137	CS-137	30,2
Strontium 90	Sr-90	28,8
Curium	Cm-244	18,1	0,3
Plutonium 241	Pu-241	14,4	27

Unter den "Abfällen" befinden sich aber auch Spaltprodukte und Transurane3 mit einer mitunter sehr langen Halbwertszeit - die dafür allerdings auch schwächer strahlen. Diese (je nach Einstellung) Wertstoffe oder Abfälle bilden den Haupteinwand gegen die friedliche Nutzung der Kernenergie. (4) In der Tabelle oben ist die Jahresproduktion der langlebigen Spaltprodukte einschließlich des Plutoniums eines Reaktors vom Typ Biblis B aufgeführt. Der Rest der verschiedenen Isotope zerfällt rascher und stellt daher kein Endlagerproblem dar.

Aus dem Gesagten ergibt sich, daß eine säuberliche Trennung zwischen den wiederverwendbaren Brennstoffen, den langlebigen und den rasch zerfallenden Strahlern die Abfallmenge für die lange Endlagerung beträchtlich vermindern würde. Bei der Wiederaufbereitung, bei der die Trennung vorgenommen wird, entstehen jedoch erneut niederaktive Abfälle ohne eigene Wärmeerzeugung - nach dem derzeitigen Stand etwa das Sechzigfache der zu trennenden hochradioaktiven Abfälle.

Vorbereitung zur Endlagerung

Die niederaktiven Sekundärabfälle werden, wie gesagt, verbrannt, eingedickt oder sonstwie verdichtet und dann in Fässer einzementiert. Bis sich das Zementgebinde aufgelöst hat, ist ihre Radioaktivität verklungen.

Die hochradioaktiven Abfälle werden zunächst über zehn Jahre in sogenannten Abklingbecken gehalten, in denen sie ihre Wärme an das Wasser der Becken abgeben. In dieser Zeit büßen sie bereits einen Großteil der Radioaktivität aus Spaltprodukten mit kurzer Halbwertzeit ein. Nach dieser Zeit werden sie im günstigsten Fall wiederaufbereitet. Dazu werden sie mechanisch zerkleinert und dann in Säure aufgelöst, wobei die verwendbaren Kernbrennstoffe von den Abfällen getrennt und zusammen mit dem Plutonium wieder zu sogenannten Mischoxyd-Brennelementen (MOX) verarbeitet werden.

Einem zu diesem Zweck in Hanau für 2Mrd.DM errichteten Werk versagten die politisch Verantwortlichen nach der Fertigstellung die Betriebsgenehmigung. Die ungenutzten Abfälle werden nun ebenfalls konzentriert und dann entweder zu Glas verschmolzen oder zu speziellen, sehr haltbaren Keramiken verbacken. In dieser Form sind die hochradioaktiven Spaltprodukte kaum mehr zurückzugewinnen.

In den Glas- oder Keramikblöcken entwickelt sich weiter Wärme, die in oberirdischen Lagern weitere zehn bis zwanzig Jahre kontrolliert luftgekühlt abklingen darf. Dann erst erhalten die Kokillen einen dichten Mantel aus Edelstahl und werden ins Endlager verbracht. Wegen der Abklingdauer gab es bisher keine Eile, das Endlagerproblem "zu lösen". Aber diese Tatsache dient als Vorwand, auf die "Unverantwortlichkeit" der Kernkraftnutzer zu schimpfen.

Wer - aus welchen Gründen auch immer - auf die Wiederaufbereitung verzichten will, tritt für die "direkte Endlagerung" ein. Hierzu sind aus offensichtlichen Gründen wesentlich größere Lagerkapazitäten erforderlich. Im Fall der direkten Endlagerung werden die Brennelemente - nachdem sie den Abklingbecken und dann dem Zwischenlager entnommen wurden, in denen ihre Wärmeentwicklung auf ein erträgliches Maß zurückgegangen ist - in dickwandige, aus einem Stück gefertigten Stahlbehälter verpackt und ins Endlager verbracht.

Die "direkte Endlagerung" erweist sich bei den gegebenen, niedrigen Rohstoffpreisen als halb so teuer wie die Wiederaufbereitung. Dabei wird jedoch der Nutzen sonstiger verwendbarer Spaltprodukte und vor allem der größere Bedarf an Lagerraum über unabsehbar lange Zeiträume nicht berücksichtigt. Auch die geringere "Sicherheit" dieser Lösung scheint keine Rolle zu spielen. Das hierin enthaltene Plutonium muß in diesem Fall nach internationalem Recht bewacht werden.

Endlager

Über die beste Form des Endlagers gibt es unterschiedliche Grundannahmen. Man streitet sich, ob es besser sei, das Endlager kaum erreichbar tief unten im Boden oder noch in erreichbarer Nähe weiter oben anzulegen. Bei der oberflächennahen Ablagerung fürchtet man, daß das Lager mit der Zeit vergessen und durch Erosion einmal freigelegt werden könnte. Im Wesentlichen sind es wohl "psychologische" Gründe, die für ein tiefgelegenes Endlager sprechen.

Auch welche Umgebung die bessere sei, ist umstritten. Die einen meinen, Urgestein (Granit oder Gneis) sei der beste Einschluß. Dem halten andere entgegen, daß diese Felsen durch Spalten, durch die Wasser dringen kann, zerklüftet seien. Sie bevorzugen dagegen Ton oder Schiefer, weil sie relativ wasserdicht und verformbar sind und den Geschiebedruck aufnehmen können. Im Hinblick auf Erdgeschiebe ist auch Steinsalz plastisch. Es hat dazu noch den Vorteil, daß sich Steinsalz nur dort halten kann, wo es nicht durch Grundwasser aufgelöst wird. Diesem Vorteil widersprechen andere. Sie verweisen nicht nur auf die raschere Korrosion der Behälter im Salz, sondern auf die Subrosion (Abtrag des Salzes) hin, die nach heutiger Kenntnis bei 0,04mm im Jahr liegt. Schließlich befürchten sie einen massiven Laugenangriff. In geologischen Zeiträumen sei nicht auszuschließen, daß es zu Wassereinbrüchen kommt, die den Salzstock, auch wenn er sich schon über Jahrmillionen gehalten hat, auflösen und dabei das Lagergut freilegen.

Würde dieser Laugenangriff sofort eintreten, nachdem das Lager gefüllt und verschlossen wurde, würde es immer noch Jahrtausende dauern, bis die Stahlbehälter zerfressen sind, das radioaktive Material zusammen mit dem Salz ins Grundwasser gerät und mit diesem wieder auf den Menschen trifft. Allerdings würde es in einem solchen Fall zu einer beträchtlichen Verdünnung der radioaktiven Substanzen kommen.

Man hat aufgrund vielfältiger ungünstiger Annahmen die sich aus einem solchen Unfall ergebende maximale effektive Dosisbelastung im Grundwasser errechnet und kam auf etwa ein Hundertstel bis ein Tausendstel der mittleren natürlichen Dosisbelastung von etwa 2,4mSv/a (Millisiervert pro Jahr).

Endlager halten auch bei gewaltigen äußeren Einwirkungen das radioaktive Material ausreichend lange fest, daß keine nennenswerte zusätzliche Dosisbelastung auftritt. Die Herstellung der Endlager und ihre Überwachung ist bekannte und vielfach erprobte Bergbautechnik. Der Einlagerungsvorgang ist ebenfalls einfach und wird vielfach schon gehandhabt. Im Fall des "Naturrektors" von Oklo blieben die radioaktiven Stoffe auch ohne künstliche Behältnisse und Schutzvorrichtungen 1,8 Mrd. Jahre sicher an Ort und Stelle. Trotzdem stoßen die Endlager auf große Vorbehalte, weil sie wegen der langen Zeiträume scheinbar unzumutbare Unwägbarkeiten bergen könnten.

Daher ist mit dem Endlager noch nicht das letzte Wort über die Nuklearabfälle gesprochen. Eine weitergehende Antwort auf das Abfallproblem wäre die Transmutation, auf die wir im nächsten Beitrag eingehen wollen.
Anmerkungen
1. Baestle, L.H.: Role and Influence of Partitioning and Transmutation on the Management of Nuclear Waste Streams, Nuclear Energy Agency/P&T Report Nr. 3, OECD-NDC, 1992.
2. N. Candelli et al.: PAGIS-Performance, Assessment of Geological Isolation Systems for Radioactive Waste, Report EUR 11775 EN, 1988.
3. K. Kugler, P.W.Philippen: Energietechnik, Springerverlag Berlin, 1992.
4. Siehe Anm. 2

Teil1 Ehrlich streiten über Kernenergie
Teil2 Quellen der Energie
Teil3 Was geschieht eigentlich im Kernreaktor?
Teil4 Warum der "GAU" beherrschbar ist
Teil5 Wann ist Radioaktivität gefährlich?
Teil6 Das sogenannte Abfall-Problem
Teil7 Transmutation
Teil8 Der Öko-Reaktor
Teil9 Ist der Ausstieg aus der Kernenergie moralisch vertretbar?

Name: Dr. Helmut Bttiger
Email:boettigerdrh@web.de
Dieser Beitrag darf nur Mitzustimmung des Autors verndert werden.

Created : 2007-01-09 18:09 (-112 days)
Modified: 2007-01-10 13:01 (-111 days)
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2/2007

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