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Neutronenforschung : Schnelle Teilchen sollen radioaktiven Abfall entschärfen

  • -Aktualisiert am

Noch muss im Neutronenlabor hin und wieder geschraubt werden Bild: Forschungszentrum Dresden-Rossendorf

Am Forschungszentrum Dresden-Rossendorf steht eine kompakte Neutronenquelle zur Umwandlung langlebiger Atomkerne. Das Verfahren der Transmutation kann die Endlagerzeiten von hochradioaktivem Abfall drastisch verkürzen.

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          Neutronen sind ein unverzichtbares Werkzeug für viele Bereiche der Forschung und der Technik geworden. Entsprechend groß ist der Andrang an den existierenden Einrichtungen, die sich in Deutschland am Hahn-Meitner-Insitut in Berlin, am Forschungszentrum Geesthacht oder in Garching befinden. Dort werden Neutronen in Reaktoren durch die Spaltung von Uran erzeugt. Auf ganz andere Art werden die neutralen Teilchen künftig am Forschungszentrum Dresden-Rossendorf, wo kürzlich ein neues Neutronenlabor in Betrieb genommen wurde, erzeugt: statt über Kernspaltung oder Spallation mit Elektronen aus einem Teilchenbeschleuniger. An der kompakten Anlage sind Experimente zur Transmutation und zur Kernfusion geplant.

          Unter Transmutation versteht man die Umwandlung langlebiger Radionuklide in kurzlebige oder stabile Isotope, etwa durch den Beschuss mit Neutronen. Sie gilt für viele Forscher als ein Weg, die Endlagerzeit von hochradioaktivem Abfall drastisch um mehrere Größenordnungen zu verkürzen. Gegenwärtig produzieren die 145 in Europa existierenden Atomkraftwerke pro Jahr rund 2500 Tonnen abgebrannten Brennstoff, darunter sind rund drei Tonnen langlebige hochradioaktive Spaltprodukte. Dieser brisante Abfall soll für etwa eine Million Jahre in einem sicheren Endlager deponiert werden, bis die Aktivität so weit abgeklungen ist, dass sie die von natürlich vorkommenden Uranerzen erreicht. In Deutschland wird an der Transmutation bislang an den Forschungszentren in Karlsruhe und in Jülich geforscht.

          Radioaktivität in weniger als 1000 Jahren verloren

          Am Forschungszentrum Dresden-Rossendorf werden die Neutronen für die Transmutation mit dem Elektronenbeschleuniger Elbe erzeugt. Dazu lenkt man einen feinen Elektronenstrahl auf flüssiges Blei, das in einem Röhrensystem zirkuliert. Im Schwermetall werden die Elektronen abgebremst, wobei energiereiche Bremsstrahlung entsteht. Diese setzt in den Bleikernen schnelle Neutronen frei, pro Sekunde bis zu zehn Billionen Stück. Dank spezieller Detektoren lässt sich die Flugzeit der Neutronen von der Quelle bis zu ihrem Nachweisort messen und daraus die Geschwindigkeit und Energie der neutralen Teilchen präzise bestimmen. Eine wichtige Voraussetzung für die Transmutation, schließlich hängt der Wirkungsgrad der Kernreaktionen entscheidend von der Energie der Neutronen ab.

          Mit den schnellen Neutronen wollen die Forscher um Frank-Peter Weiß langlebige schwere Atomkerne wie etwa Plutonium, Curium oder Neptunium entschärfen. Denn unter Neutronenbeschuss wandeln sich die radioaktiven Elemente auf verschiedenen Reaktionswegen in kurzlebige oder sogar stabile Produkte um, die nach weniger als 1000 Jahren die meiste Radioaktivität verloren haben. In ersten Versuchen sollen allerdings erst einmal nichtradioaktive Materialien wie Eisen mit den Neutronen bombardiert werden. Danach sind Experimente mit Strontium-88 geplant, dem stabilen Schwesterisotop des radioaktiven Strontium-90. Danach werden sich die Forscher den langlebigen Nukliden zuwenden, um herauszufinden, wie diese am effektivsten mit Neutronen angegangen werden können.

          Die Kernfusion als künftige Energiequelle?

          Eine weitere, im gleichen Labor aufgebaute Photoneutronenquelle nutzt die Arbeitsgruppe um Hartwig Freiesleben von der Technischen Universität Dresden. Dieser Neutronengenerator liefert genau solche energiereichen Neutronen, wie sie auch bei der kontrollierten Kernfusion entstehen, bei der Wasserstoffkerne zu Heliumkernen verschmelzen. Die Forscher vom Institut für Kern- und Teilchenphysik wollen mit den extrem schnellen Neutronen hauptsächlich Materialien testen, die für die Konstruktion des künftigen Fusionsreaktors „Iter“ in Betracht kommen. Mit dem internationalen Projekt, das in Cadarache in Südfrankreich gebaut werden soll, will man zeigen, dass es möglich ist, das Fusionsfeuer zehn Minuten lang am Brennen zu halten.

          Die Erschließung der Kernfusion als künftige Energiequelle hängt ganz entscheidend von der Materialforschung ab. Denn durch den ständigen Beschuss mit energiereichen Neutronen, wie sie bei der Fusion freigesetzt werden, verändern sich die Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe - von der Wandung, die das Fusionsplasma umschließt, bis hin zu den supraleitenden Magneten, die den magnetischen Einschluss des heißen Wasserstoffplasmas bewirken - so drastisch, dass die Funktionsfähigkeit der Komponenten beeinträchtigt werden kann.

          Die Forscher aus Dresden wollen in Rossendorf anhand von Modellen der Bauteile des Fusionsreaktors wie Plasmawand, Blanket und Vakuumkessel, aber auch mit kleinen Materialproben die Prozesse studieren, die bei der intensiven Neutronenbestrahlung entstehen. Ein wichtiges Ziel dabei ist es, solche Materialien zu finden, deren Radioaktivität nach hundert Jahren völlig abgeklungen ist.

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