Von Uta Deffke
25. April 2006 Wer das Flüssigmetall-Labor im Forschungszentrum Karlsruhe betritt, dem luchst Joachim Knebel ein Autogramm ab. Die zwei weißen Tafeln neben dem Eingang sind voll mit Unterschriften aus aller Herren Länder. „Das ist eigentlich mehr eine persönliche Marotte“, sagt Knebel. Sie zeigt aber, wie groß das Interesse an dem Labor ist, das der Maschinenbauingenieur aufgebaut hat.
Zwar gibt es in der zehn Meter hohen Halle nicht viel mehr zu sehen als ein verschlungenes System aus dicken Stahlrohren in Aluminiumverkleidung. Doch die Experimente, die hier laufen, dienen einem spektakulären Ziel. Das flüssige Gemisch aus Blei und Wismut, das bei 300 bis 500 Grad Celsius durch die Rohre gepumpt wird, soll einmal Kühlmittel werden in einer Müllverbrennungsanlage der besonderen Art.
Wenn Urankerne gespalten werden
Der Abfall, den man damit entsorgen möchte, ist der gefährlichste, den der Mensch auf der Erde hinterläßt: hoch radioaktiver Atommüll. Er entsteht als ungewolltes Nebenprodukt, wenn in den Kraftwerken Urankerne zur Energiegewinnung gespalten werden. Wissenschaftler forschen schon seit langem an einer eleganten Methode, diesen Müll unschädlich zu machen. Im Auftrag der Europäischen Kommission koordiniert Joachim Knebel ein vierzig Millionen Euro schweres Projekt, in dessen Rahmen die Machbarkeit einer solchen Anlage zur Verwandlung von Atommüll untersucht werden soll. Fünfzig Partner aus Industrie, Forschungsinstituten und Universitäten beteiligen sich daran.
Allein in den 17 deutschen Atomkraftwerken fallen jährlich etwa 450 Tonnen abgebrannter Kernbrennstoffe an, das sind bisher 11.500 Tonnen insgesamt, weltweit 260.000 Tonnen. Die problematischsten Stoffe sind nicht die Spaltprodukte selbst, sondern Plutonium und andere Transurane wie Neptunium, Americium und Curium. Sie entstehen durch Neutroneneinfang und Zerfallsprozesse. Zwar machen sie nur ein Prozent der abgebrannten Brennelemente aus, aber dieses eine Prozent hat es in sich: Es setzt zum Teil mehrere hunderttausend Jahre lang Strahlen frei.
In Glas eingeschmolzen, in Spezialbehälter verpackt
Bisher ist geplant, den radioaktiven Abfall eines Tages in Endlagern so sicher wie möglich vor der Biosphäre zu verschließen. In Glas eingeschmolzen und in Spezialbehälter verpackt, wartet in der Zwischenzeit das, was nicht in Wiederaufbereitungsanlagen recycelt wird, auf seine letzte Ruhestätte. Sie wird vermutlich in Salzstöcken oder Granithöhlen viele hundert Meter tief liegen, unterhalb des Grundwasserspiegels. Weltweit ist allerdings noch kein einziges Endlager in Betrieb genommen worden. „Die technischen Fragen beispielsweise in Gorleben sind aber geklärt“, sagt Joachim Knebel. Eigentlich könnte es losgehen.
Trotzdem bleibt bei vielen Menschen ein ungutes Gefühl, weil niemand eine hundertprozentige Sicherheit von geologischen Lagerstätten über Zeiträume von Hunderttausenden von Jahren hinweg garantieren kann. Und so erscheint es verlockend, die langlebigen Strahler anderweitig loszuwerden. Die Idee dazu klingt einfach: Man müßte das eine Prozent Plutonium und Co. aus den alten Brennstäben herausholen, in konzentrierter Form zu neuen verarbeiten und dann mit schnellen Neutronen beschießen. Das sind jene Teilchen, die zusammen mit Protonen den Atomkern der Elemente bilden.
„Endlager werden dadurch nicht überflüssig“
Je nach Anzahl der Neutronen im Kern spricht man auch von verschiedenen Isotopen eines Elements. Durch das Auftreffen der Neutronen werden die Kerne zu vorzeitigem radioaktivem Zerfall angeregt oder gespalten. Heraus kommen neben weiteren Neutronen neue Elemente oder Isotope, wie zum Beispiel Ruthenium und Zirkonium, die entweder stabil sind oder deren Radioaktivität in wenigen hundert Jahren auf ein unschädliches Maß abgeklungen ist.
„Endlager werden dadurch nicht überflüssig“, betont Joachim Knebel. Doch die Restabfälle müßten nur noch für den vergleichsweise überschaubaren Zeitraum von einigen hundert Jahren sicher unter Verschluß gehalten werden.
Die gezielte Transmutation von chemischen Elementen, also die Umwandlung eines Elementes oder Isotops in ein anderes, ist keine ganz neue Idee. Bereits die Alchemisten des Mittelalters haben mit großer Leidenschaft versucht, aus unedlen Metallen Gold zu machen. Möglich wurde das aber erst im 20. Jahrhundert mit den Methoden der Kernphysik. Der technische und energetische Aufwand erwies sich allerdings als so hoch und die Ausbeute als so gering, daß sich auch heute niemand daran bereichern könnte.
Realisation in industriellem Maßstab
Die Transmutation von radioaktivem Abfall wollen Forscher aber in industriellem Maßstab realisieren. Im Prinzip könnten sie ihn dazu als Brennstoff in einen Reaktor des Typs „Schneller Brüter“ stecken, denn in ihm entstehen die benötigten schnellen Neutronen. Eine Alternative schlug der Amerikaner Charles Bowman im Jahr 1992 vor: Man könne die schnellen Neutronen auch durch die sogenannte Spallation (von engl. spall - aufsplittern) gewinnen. Dazu wird der Protonenstrahl eines Teilchenbeschleunigers auf ein schweres, neutronenreiches Element wie Blei geschossen. Dessen Atomkern zerplatzt dabei regelrecht und gibt zahlreiche Neutronen frei. Ein einzelnes Proton kann auf diese Weise dreißig bis fünfzig schnelle Neutronen erzeugen. Der italienische Physik-Nobelpreisträger von 1984, Carlo Rubbia, entwickelte das Konzept weiter. Im europäischen Kernforschungszentrum CERN in Genf gelang es ihm tatsächlich, geringe Mengen Plutonium durch Transmutation zu entschärfen. Seitdem ist er einer der Hauptverfechter dieser Technik.
Die Transmutation per Beschleuniger hat zwei entscheidende Vorteile: Sie kann unabhängig von einem Kernkraftwerk betrieben werden und nicht außer Kontrolle geraten. Ohne den Nachschub an Neutronen aus dem Spallationsprozeß würde die Transmutation der Elemente von selbst aufhören. Es läßt sich kein Zustand erreichen, in dem sich die Reaktion selbständig macht. Die Physiker sagen daher, das System sei „unterkritisch“, im Gegensatz zum Schnellen Brüter. „Es ist sehr gut steuerbar und deshalb ein wirklicher Fortschritt an Gutmütigkeit“, sagt Karl-Heinz Schmidt von der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt. Im Rahmen des EU-Projektes untersucht er, welche Prozesse genau ablaufen, wenn ein hochenergetischer Protonenstrahl auf die Blei-Atome prallt. Auch hierbei können unangenehme Stoffe entstehen.
„Physikalisch ist das möglich“
So bestechend die Idee der Transmutation ist, ihre großtechnische Umsetzung stellt eine gewaltige Herausforderung dar. „Physikalisch ist das möglich, jetzt müssen wir zeigen, ob das auch ökonomisch machbar ist“, sagt Schmidt.
Im Prinzip besteht eine Transmutationsanlage, wie sie in dem europäischen Projekt geplant wird, aus einem Protonenbeschleuniger, einem sogenannten Target, speziell zu diesem Zweck hergestellten Brennstäben und einem Kühlmittel aus einem flüssigen Blei-Wismut-Gemisch (siehe Grafik). Allerdings ist dieses Gemisch chemisch aggressiv und reagiert mit den Stahlwänden, den Hüllen der Brennelemente und dem Strahlfenster. Im Flüssigmetall-Labor erforschen die Karlsruher Wissenschaftler deshalb, wie man die Materialien zum Schutz beschichten kann. Sie testen auch die Kühleigenschaften und die Fließfähigkeit des Gemischs. Es darf weder zu heiß werden, sonst verdampft es, noch zu kühl: Sinkt die Temperatur unter 230 Grad Celsius, beginnt es zu klumpen.
Atomkraftgegner sind nicht zu überzeugen
Trotz der angeblichen „Gutmütigkeit“ der Transmutation sind Atomkraftgegner nicht von diesem Konzept zu überzeugen. Thomas Breuer, Atomexperte von Greenpeace, würde aus Sicherheitsgründen eine ordentliche Endlagerung bevorzugen, zumal auch nach der Transmutation noch Atommüll übrig sei. Allerdings müsse man die Suche nach einem Endlager in Deutschland noch einmal ganz neu beginnen, mit einem Verfahren, das unter der rot-grünen Regierung entwickelt wurde. Vor allem befürchtet Breuer einen wachsenden Bedarf an Kapazitäten zur Wiederaufbereitung und damit eine steigende atomare Belastung: „Hier beseitigt man nicht nur Probleme, sondern schafft sich gleichzeitig neue.“
Daß die effektive Abtrennung der hoch radioaktiven Elemente aus den abgebrannten Brennstäben auch für die Forscher ein entscheidendes Thema ist, bestätigt Joachim Knebel: „Das ist eine der ganz großen Herausforderungen des Projektes.“ Soll der Müll wirksam entschärft werden, müssen Plutonium und die anderen Transurane zu 99,99 Prozent herausgeholt werden. Hierbei setzen Forscher am Europäischen Institut für Transurane in Karlsruhe und am staatlichen Forschungszentrum CEA in Frankreich einerseits auf Methoden, die bereits aus der Wiederaufbereitung von Brennstäben bekannt sind. Andererseits entwickeln sie darüber hinaus naßchemische Verfahren, um weitere Elemente abzutrennen. Problematisch ist vor allem, daß sich die Stoffe chemisch sehr ähnlich sind und sie wegen ihrer Radioaktivität nur fernhantiert werden können.
Neuland für die Kernforscher
Auch die Zusammensetzung der Transmutations-Brennstäbe ist entscheidend. Die Brennstoffdesigner müssen berücksichtigen, daß jedes Isotop ein bißchen anders auf die Neutronen reagiert und sich die Prozesse gegenseitig beeinflussen. Außerdem sollen die neuen Brennstäbe zur Hälfte aus hoch radioaktiven Substanzen bestehen. Das ist ebenfalls Neuland für die Kernforscher: „Für solche hohen Konzentrationen der Transurane gibt es weltweit noch keine angemessenen Erfahrungswerte“, sagt Knebel.
Wenn die Müllumwandlung einmal so funktioniert wie geplant, werden etwa 20 bis 25 Prozent der Abfälle in den neuen Brennstäben verbrannt. Der Rest kann dann nicht mehr effizient vernichtet werden. Deshalb planen die Forscher einen Kreislaufbetrieb mit einer weiteren Stufe zur Materialtrennung, die alle nicht umgesetzten Giftstoffe wieder für den Einsatz in neuen Brennstäben herauslöst.
Belgien hat sich als Standort angeboten
Bis eine erste Transmutationsanlage probeweise in Betrieb gehen kann, wird es noch einige Jahre dauern. Spätestens 2008 soll die Machbarkeitsstudie bei der Europäischen Kommission vorliegen. Dann entscheidet sich, ob ein Prototyp gebaut wird. Belgien hat sich hierfür bereits als Standort angeboten. 15 weitere Jahre könnten vergehen, schätzt Joachim Knebel, bis alle technischen Details ausgearbeitet sind und nach der Lizenzierung auch der Bau fertig ist.
Nach Schätzungen französischer Forscher würde sich Atomstrom um rund zwanzig Prozent verteuern, wenn die Müllentsorgung durch Transmutation in den regulären Kraftwerksbetrieb integriert würde. Daß es sinnvoll wäre, sich auch über die bereits vorhandenen atomaren Müllberge herzumachen, bezweifelt Joachim Knebel. Der Aufwand, sie aus ihrer gläsernen Verpackung zu befreien, sei kaum vertretbar. Wohl lohnen würde es sich aber, die im Prozeß entstehende Wärme auch zur Energiegewinnung zu nutzen. Allerdings ist das nicht offizielles Ziel der Forschung in Deutschland. Seit der Atomausstieg beschlossene Sache ist, wurde die Kernenergieforschung stark zurückgefahren. Neueste Aussagen von Bundesforschungsministerin Schavan lassen allerdings darauf schließen, daß sich das in absehbarer Zeit wieder ändern könnte.
Text: Frankfurter Allgemeine Sonntagszeitung, 23.04.2006, Nr. 16 / Seite 69
Bildmaterial: F.A.Z.
