Teil 7: Transmutation

Dr. Helmut Böttiger

Grundsätzliches
Die Neutronenquelle

Radioaktive Abfälle lassen sich relativ sicher und lange in sogenannten Endlagern halten. Eine Alternative zur Endlagerung der nicht verwendbaren radioaktiven Stoffe ist die Stoffumwandlung oder Transmutation. Diesen Traum der ersten Alchemisten, der Goldmacher, kann die moderne Kerntechnik heute verwirklichen. Als Ursache der Radioaktivität erkannten wir die Instabilität der Atomkerne bestimmter Elemente und ihrer Isotopen. Diese Instabilität entsteht, wenn die Kerne eine bestimmte Grenzgröße überschritten haben (Transurane) oder in ihnen ein ungünstiges Verhältnis zwischen Protonen und Neutronen besteht. In diese Kernzustände greift die Transmutationstechnik ein, indem sie günstige kernphysikalische Wechselwirkungen auslöst. Werkzeuge hierzu sind geladene Teilchen, Protonen und Deuteronen, und vor allem Neutronen. Durch sie werden überschwere Kerne gespalten und instabile leichte Kerne stabil "gebrütet" oder in noch schneller zerfallende Kerne (mit kürzerer Halbwertszeit) umgewandelt. Mit Hilfe der Transmutation läßt sich die "gefährliche Asche" der Atommeiler so umwandeln, daß ihr Endlager in überschaubaren Zeiträumen nicht stärker strahlt als das Rohstofflager, dem man das Uran zur Erzeugung der Kernkraft entnommen hatte. Um die Abklingzeit des gesamten Abbrands innerhalb von 700 Jahren auf das Gefährdungspotential der ursprünglichen Lagerstätten zu senken, müssen die darin enthaltenen Elemente Uran, Neptunium und Curium bis auf einen Rest von 1% umgewandelt werden, Plutonium und Americium sogar bis auf 0,1%.

Grundsätzliches

Man unterscheidet Neutronen nach ihrer Geschwindigkeit und spricht von schnellen und von thermischen (langsamen) Neutronen. Um bei den Kernen bestimmter Elemente und Isotope bestimmte Reaktionen auszulösen, sind jeweils ganz bestimmte Neutronengeschwindigkeiten nötig - etwa, um die Kerne zu zertrümmern oder sich spalten zu lassen, Alphateilchen abzugeben, ihre Ladung zu ändern oder Neutronen zu absorbieren. Für die meisten bei der Kernenergienutzung anfallenden Stoffe ist sehr genau bekannt, wie sie auf Neutronen unterschiedlicher Geschwindigkeit reagieren. Die Transmutation radioaktiver Substanzen zerfällt daher in zwei Aufgaben.

Zum einen müssen die verschiedenen Stoffe aus dem nuklearen Aschegemisch sauber herausgetrennt werden, damit sie den Neutronen optimal ausgesetzt werden können. Diese Aufgabe heißt in der Fachsprache Partitioning (Aufteilung) und umfaßt weitgehend das, was im Bereich der Wiederaufbereitung geschieht.
Zum anderen muß das Geschwindigkeitsprofil des Neutronenflusses im Reaktor möglichst genau beherrscht werden. Diese Aufgabe gehört zum Bereich der sicheren Reaktorsteuerung. Transmutation ist daher ein Betrieb, der die Arbeit des Reaktors und die Wiederaufbereitung zusammenfaßt. Dabei lassen sich wechselseitige Vorteile (sogenannte Synergieeffekte) nutzen.

Transmutation ist für Teilchen innerhalb der Atomkerne das, was die Chemie für die Elemente innerhalb der verschiedenen Stoffe ist. Die Transmutationstechnik ist seit den 50er Jahren bekannt *), wurde der Öffentlichkeit aber bisher kaum zur Kenntnis gebracht oder von ihr wahrgenommen.
Transmutationstechnik beseitigt nicht nur die Langlebigkeit der Radionuklide (strahlende Stoffe), sie liefert eine zusätzliche Energieausbeute aus den eingesetzten Brennstoffen. Sie ermöglicht es, die bisherigen nuklearen Brennstoffe besser auszunutzen und auch andere Brennstoffe (z.B. Thorium) nuklear zu verbrennen, was die Energiereserven in unüberschaubarer Größenordnung vermehrt. Außerdem erlauben es die angebotenen Verfahren der Transmutationstechnik, Kernreaktoren noch sicherer zu betreiben, weil in ihnen die Kettenreaktion durch Neutronen, die von außen kontrolliert zugeführt werden, aufrechterhalten wird und ihre Quelle jeder-zeit abgeschaltet werden kann.
*) Vgl. M. Steinberg, G. Wotzak, B. Manowitz: Neutron Burning of Long-Lived Fission Products for Waste Disposal, Brookhaven National Laboratory, BNL-8558 Upton, NY USA 1958.

Schon im herkömmlichen Reaktor findet Transmutation durch Neutronen statt. Im nuklearen Brennstoff sammeln sich allmählich Spaltprodukte an und absorbieren so viele Neutronen, daß sich die Kettenreaktion nicht mehr aufrechterhalten läßt und die Brennelemente ausgetauscht werden müssen, obwohl erst ein geringer Teil des Brennstoffes tatsächlich verbrannt ist. Zur besseren Nutzung der Neutronen aus den Spaltvorgängen wurde daher der sogenannte Schnelle Brutreaktor entwickelt, der auf Moderatoren verzichtet. "Schnell" heißt er, weil die Neutronen hier schneller sind als im thermischen Reaktor. Die schnellen Neutronen werden durch die beigefügten Brutstoffe - nicht spaltbares Uran, Thorium oder Plutonium - absorbiert und sollen vorwiegend neue Kernbrennstoffe brüten. Dabei bleiben Neutronen übrig, die allein durch nichtabsorbierende Zusammenstöße mit den anderen Kernen so weit abgebremst werden, daß sie die Kettenreaktion aufrechterhalten.

Auch im Schnellen Brüter sammeln sich allmählich Spaltprodukte an, und ihre Neutronenabsorption erzwingt den vorzeitigen Austausch der Brennelemente. Die in herkömmlichen Reaktoren freigesetzten Neutronen reichen also nicht aus, um den Brutvorgang, die Kettenreaktion und den Stabilisierungsvorgang der Spaltprodukte mit weiter reichendem Erfolg aufrecht zu erhalten.

Daher wird bei der Transmutation meistens eine zusätzliche Quelle für schnelle Neutronen eingesetzt. Das hat den Vorteil, daß ihre Reaktoren "unterkritisch" arbeiten, d.h. in dem Augenblick, in dem die zusätzliche Neutronenquelle abgeschaltet wird, kommen die Spaltvorgänge im Reaktor zum Erliegen. Auf diese Weise wird der Reaktor also abgeschaltet, was die Betriebssicherheit erhöht. Die äußere Neutronenquelle erlaubt es auch, Neutronen mit der Geschwindigkeit in den Reaktor zu schießen, die für den jeweiligen Prozeß am günstigsten ist. Sie überlagern die im Reaktor selbst erzeugten Neutronen. Je höher die Geschwindigkeit der eingebrachten Neutronen, desto größer die Bandbreite der Neutronengeschwindigkeiten nach unterschiedlichen Abbremsvorgängen. Zusätzlich kann man das Spektrum des Neutronenstroms im Reaktor durch die Anordnung der Stoffe und durch unterschiedliche Abstände von der Neutronenquelle besser ausnutzen, ohne durch die Bedingungen, die den Reaktor kritisch halten, eingeschränkt zu sein.

Herkömmliche Reaktoren werden mit festen Brennstoffen, die in besonderen Stahlröhren eingeschweißt sind, beschickt. Werden Brenn- und Spaltstoffe jedoch flüssig durch festmontierte Röhren gepumpt, dann läßt sich die jeweilige Zusammensetzung durch entsprechende Zumischung und Absonderung entsprechend der im Reaktor gewünschten Bedingungen ändern und so Abbrand, Brüten und Stabilisieren der Einsatzstoffe besser aufeinander abstimmen.

Das oben beschriebene Partitioning ist also für den laufenden Betrieb nicht unbedingt nötig. Wichtig ist dagegen die genaue Kenntnis der jeweiligen Zusammensetzung vor allem der Spaltstofflösung, um sie dem Neutronengeschehen im Reaktor anzupassen. Sinnvoll könnte es auch sein, Brenn- und Brutstofflösungen getrennt von Spaltstofflösungen durch den Transmutationsreaktor zu führen und die Durchleitung dem sich einstellenden Neutronenprofil entsprechend optimal anzuordnen. Schließlich ist denkbar, daß die Brennstoff- und Spaltstoffströme zusätzlich als Kühlmittel dienen. Sie könnten über eigene Wärmetauscher Reaktorwärme nach außen abgeben. Eine Transmutationsanlage gibt es bisher nicht. Bei der Beschreibung beziehen wir uns auf das in Jülich erarbeitete Anlagenkonzept.

Die Neutronenquelle

Wie werden die Neutronen in die Transmutationsanlage eingebracht? Neutronen sind ihrem Wesen nach neutral und lassen sich nicht über ihre elektrische Ladung beeinflussen und daher auch nicht beschleunigen oder transportieren. Sie müssen dort, wo man sie braucht, erzeugt werden. Dies geschieht durch die sogenannte Spallation. Dabei werden Ziele (targets) aus Schwermetall (Blei, Wismut) mit geladenen Teilchen beschossen - in der Regel mit positiv geladenen Protonen, die mit Hilfe leistungsfähiger Teilchenbeschleuniger auf eine hohe Energie (ca. 1,5 GeV) gebracht wurden.

Die energiereichen Protonen dringen in das Metall ein und setzen pro Proton je nach mitgeführter Energie 20 bis 50 schnelle Neutronen frei. Diese treten durch eine Trennwand in den Reaktorraum aus. Hier, im sogenannten Blanket, finden die gewünschten kernphysikalischen Wechselwirkungen statt.
Dabei kann jedes Neutron selbst Spaltungsvorgänge auslösen. Wenn für die Kettenreaktion ein Multiplikationsfaktor von 0,95 eingestellt ist, d. h. wenn jede Spaltung in 0,95 Fällen wieder zur Spaltung führt, dann kann jedes Spallationsneutron 19 weitere Spaltungsneutronen erzeugen. Über den Multiplikationsfaktor, der beim unterkritischen Reaktor immer unter 1 liegt, läßt sich der gesamte Neutronenfluß im Blanket regeln.¹

Die Neutronen werden im Target erzeugt. Im Grunde eignen sich fast alle Metalle als Target, doch bieten Schwermetalle wie Wolfram, Tantal und Wismut eine besonders günstige Neutronenausbeute. Blei wird wegen seines niedrigen Dampfdrucks bevorzugt - und weil es selbst wenig Neutronen absorbiert. Es kann in fester und in flüssiger Form eingesetzt werden. In fester Form kann man durch die Zusammensetzung unterschiedlich dicker Platten die Streuung der Neutronen beeinflussen. Allerdings muß man dann das Target kühlen und dabei das Kühlmittel dem Neutronenstrahl aussetzen. Flüssige Targets kühlen sich selbst. Die Wärmebewegung (Konvektion) im flüssigen Metall gibt dabei die Wärme an einen Wärmetauscher ab.2 Um das Target liegt das Blanket, die eigentliche Reaktorzone. Hier werden die Stoffe dem Neutronenfluß ausgesetzt und entsprechend umgewandelt. Die Neutronengeschwindigkeit ist in der targetnahen Zone am höchsten und wird zum Rand hin langsamer. Um die unterschiedlichen Neutronengeschwindigkeiten besser zu nutzen, wird das Blanket in Zonen unterteilt, die jeweils mit unterschiedlichen Brenn- und Spaltstoffgemischen beschickt werden.

In Jülich schlägt man z.B. vor, in die unmittelbar um das Target liegenden Zone das langlebige Spaltprodukt Technetium Tc-99 einzubringen. Um diese herum wird auch J-129 - aber, weil es in flüssiger Form sehr korrosionsfähig ist, als Blei- oder Natriumjodit - in festen Brennstäben angeordnet. Dabei nimmt man in Kauf, daß das gasförmige Transmutationsprodukt Xenon aus den Jodverbindungen weit schwerer als aus dem flüssigen Jod austritt und Xenonisotope den Neutronenfluß nachteilig beeinflussen. In dieser Blanket-Region wird mit flüssigem Blei gekühlt. In der schnellen Zone zwischen dem Target und der Tc-Zone ließe sich auch eine Zone für die Transmutation von Americium (Am) und Curium (Cm) einrichten. Dies ist deshalb zu empfehlen, weil diese beiden Schwermetalle bei der Transmutation von Plutonium in den thermischen Zonen des Reaktors neu entstehen.

In den äußeren Zonen werden Transurane - vor allem Plutonium - gespalten. Sie werden zusammen mit anderen Brennstoffen, zum Beispiel Thorium, als flüssiges Gemisch durch parallel angeordnete Rohre gepumpt. Das Brennstoffgemisch kann je nach Auslegungsschwerpunkt der Anlage in kleinen Keramikpartikeln in flüssiges Metall eingelagert (ein Blei-Wismut-Gemisch schmilzt bereits bei +140° C) oder als Salzschmelze aufgelöst werden. Flüssiges Blei eignet sich als Brennstoffträger, weil ihn langsamere, thermische Neutronen leichter durchdringen können und Blei sehr strahlenbeständig ist. Außerdem kann das Blei selbst pro Volumeneinheit eine große Wärmemenge abtransportieren3. Das Blanket umschließt ein Reflektor, der die Neutronen zurück in das Blanket wirft. Den Reaktor umschließt, wie bei herkömmlichen Reaktoren, ein nach sicherheitstechnischen Gesichtspunkten ausgelegtes Reaktorgefäß.

Ein solcher Reaktor ließe sich quasikontinuierlich betreiben. Werden, wie im Jülicher Modell, die langlebigen Spaltprodukte nicht in flüssiger, sondern zum Teil in Stabform eingesetzt, müssen diese alle vier Jahre entnommen werden. Etwa vier Jahre halten auch die Graphitmoderatoren im Reflektor den Neutronen stand. Sie können also zusammen mit den Spaltproduktstäben ausgetauscht werden.
Das flüssige Gemisch aus Brennstoff und-Transurane- läßt sich in bestimmten Zyklen so durch den Reaktor führen, daß nach jedem Zyklus ein Teil des Brennstoffs ersetzt wird. Die dabei abgesonderten Spaltprodukte werden zwischengelagert, wobei kurzlebige Spaltprodukte und Aktinide (zum Beispiel Curium 242 und Plutonium 238) weiter zerfallen. Die inzwischen stabilisierten Spaltprodukte werden abgesondert und entsorgt, die nicht stabilisierten wieder in die entsprechenden Transmutationszonen zurückgebracht. Auf diese Weise läßt sich die gewünschte Zusammensetzung des Brennstoffgemischs einstellen und festlegen, wie lange ein Volumenelement davon dem Neutronenfluß ausgesetzt wird, um optimale Spalt- und Transmutationsraten zu erzielen.

Schema einer Transmutations Anlage

Die Kette der Zerfalls- und Spaltabläufe der verschiedenen Stoffe wandelt im Jülicher Modell pro Jahr etwa 52,5 kg an Transuranen um. Das entspricht dem Abfall von 1,3 Druckwasserreaktoren des Biblistyps. Vom Technetium werden pro Jahr 50 kg umgewandelt und vom Jod 6,8 kg. Das ist das 1,7- bzw. auch 1,3-fache des Abfalls, der jährlich im Siedewasserreaktor anfällt. Ein Transmutationsreaktor mit der umrissenen Auslegung erwirtschaftet einen Leistungsüberschuß von 454 MW elektrisch, der an das Stromnetz abgegeben wird.

In vielen Ländern wird an ähnlichen Konzepten wie in Jülich mit unterschiedlichen Zielsetzungen gearbeitet. Eine funktionstüchtige Transmutationsanlage existiert bisher nicht, doch konnte einer ihrer frühesten Verfechter, Prof. Carlo Rubbia aus Genf, die EU-Behörden 1996 von seiner Idee der mit Beschleunigern betriebenen Transmutationsanlage (Accelerator Driven Systems, ADS) überzeugen. Inzwischen arbeiten in Europa 10 Forschungsinstitute an Plänen für den Prototyp nach Rubbias Vorgaben. Nach Plänen der EU soll dieser Prototyp im Jahr 2015 in Betrieb genommen werden. Neben Europa arbeiten auch Japan und die USA an ähnlichen Konzepten.

Anmerkungen
1. H. Lengeler: Nuclear Waste Transmutation using High-Intensity Proton Linear Accelerators, Report CERN AT/93 DI Genf 1993.
2. G. Russel et al.: Introduction to Spallation Target Requirements, Proceedings of the Intern. Conference on Accelerator Driven Transmutation Technologies and Applications, Las Vegas, July 1994.
3. F. Lybsch: Aspekte des Einsatzes von Systemen zur Transmutation radioaktiver Stoffe - Neutronik, Technik, Sicherheitsverhalten, Jülich 3181, Januar 1996
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.

2/2007

Lexikon Catalog-Web | Marktplatz der Ideen | Kontakt | AGB/Datenschutzerklärung 12/2017