Alternative Verwendungsmöglichkeiten für Atommüll

Atomkraft eignet sich hervorragend, wenn Sie viel Strom erzeugen möchten, ohne viel CO2 und andere schädliche Schadstoffe freizusetzen. Das größte Problem der Technologie war jedoch schon immer das Problem der Verschwendung. Viele der Nebenprodukte aus dem Betrieb von Kernkraftwerken sind radioaktiv und bleiben dies über Tausende von Jahren. Die sichere und wirtschaftliche Lagerung dieser Abfälle stellt weiterhin ein Problem dar.

Alternative Methoden zur Bewältigung dieses Abfallstroms sind weiterhin ein aktives Forschungsgebiet. Welche Möglichkeiten gibt es also, diesen Abfall umzuleiten oder wiederzuverwenden?

Eine der Hauptabfallformen eines typischen nuklearen Leichtwasserreaktors (LWR) ist der abgebrannte Brennstoff aus der Spaltungsreaktion. Diese bestehen zu etwa 3 % aus Abfallisotopen, 1 % aus Plutoniumisotopen und 96 % aus Uranisotopen. Dieser Abfall ist reich an transuranischen Elementen, deren Halbwertszeit mehrere tausend Jahre beträgt. Diese stellen die größten Probleme bei der Lagerung dar, da sie über einen Zeitraum, der weit über die Lebensdauer einer menschlichen Gesellschaft hinausgeht, sicher an einem sicheren Ort aufbewahrt werden müssen.

Die vorgeschlagene Lösung für dieses Problem besteht darin, stattdessen schnelle Neutronenreaktoren zu verwenden, die nicht spaltbares Uran-238 in Plutonium-239 und Plutonium-240 „züchten“, die dann als frischer Brennstoff verwendet werden können. Fortgeschrittene Designs haben auch die Möglichkeit, andere Aktinide herauszuarbeiten und sie ebenfalls als Brennstoff im Spaltungsprozess zu verwenden. Der Vorteil dieser Reaktoren besteht darin, dass sie fast den gesamten Energieinhalt des Uranbrennstoffs nutzen können, wodurch der Brennstoffverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Methoden um das 60- bis 100-fache reduziert wird.

Leider wurde die schnelle Brütertechnologie weitgehend aus wirtschaftlichen Gründen gebremst. Die Entdeckung größerer Uranvorkommen in den 1970er Jahren hat dazu geführt, dass es billiger ist, einfach mehr Brennstoffe auszugraben, als Abfälle wiederzuverarbeiten. Darüber hinaus haben Bedenken hinsichtlich der Fähigkeit schneller Brutreaktoren, waffenfähiges Kernmaterial herzustellen, die Entwicklung ebenfalls behindert. Obwohl die Technologie vielversprechend ist, werden große Entwicklungen in diesem Bereich wahrscheinlich noch Jahrzehnte entfernt sein.

Für Raumschiffe, die in die Tiefen des Jenseits reisen, reicht Solarenergie nicht immer aus. Jenseits des Mars kommt einfach nicht so viel Licht von der Sonne, dass Sonnenkollektoren eine brauchbare Option für die Stromversorgung wären. In diesen Fällen verwenden Raumfahrzeuge häufig thermoelektrische Radioisotopengeneratoren (RTGs), die radioaktive Materialien in einem Gehäuse mit Thermoelementen verpacken. Die Hitze des zerfallenden Materials erzeugt über die Thermoelementanordnung Strom, der zum Betrieb des Raumfahrzeugs verwendet wird. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass die bereitgestellte Wärme dazu beiträgt, die Systeme an Bord des Bootes auf einer geeigneten Betriebstemperatur zu halten.

In der Vergangenheit wurden diese von Russland und den Vereinigten Staaten genutzt, aber die Europäische Weltraumorganisation ist daran interessiert, die Technologie in die Hände zu bekommen. Der Plan sieht die Gewinnung von Americium-241 aus britischen Plutoniumabfällen aus der Wiederaufbereitung von Kernbrennstoffen vor. Auch wenn es im Hinblick auf die Abfallbeseitigung wahrscheinlich kein großes Projekt sein wird, könnte es als nützliche Quelle für RTG-Materialien dienen. Dies ist besonders relevant, da die US-Lagerbestände zur Neige gehen, da das zuvor verwendete Plutonium-238 nur aus Reaktoren zur Herstellung von Atomwaffen erhältlich war, die inzwischen stillgelegt wurden. Der Wettlauf um mehr Produktion ist in vollem Gange, aber in der Zwischenzeit öffnet dies die Tür für das britische Projekt.

Eine alternative Idee in diesem Bereich ist die der Betavoltaik-Batterie. Dies funktioniert durch die Verwendung eines Halbleitermaterials, das Elektronen einfängt, die beim Beta-Zerfall radioaktiven Materials freigesetzt werden. Die Universität Bristol arbeitet an der Entwicklung der „Diamantbatterie“, die radioaktiven Kohlenstoff-14 aus Graphit-Moderatorblöcken verwendet, die in britischen Nuklearanlagen verwendet werden. Die äußeren Schichten der Blöcke, in denen sich der größte Teil des Kohlenstoff-14 befindet, werden abgekratzt. Dies wird zur Herstellung künstlicher Diamanten verwendet, die beim Zerfall Elektronen freisetzen. Diese werden dann in eine Hülle aus nicht radioaktivem Kohlenstoff-12 eingehüllt, um zu verhindern, dass die Strahlung in die Atmosphäre gelangt. Die beim Beta-Zerfall freigesetzten Elektronen haben eine niedrige Energie, sodass nur eine geringe Abschirmung erforderlich ist. Es wird geschätzt, dass solche Batterien über Tausende von Jahren eine Leistung in der Größenordnung von 100 uW liefern könnten.

Ein weiteres wichtiges Nebenprodukt der Kernenergieindustrie ist abgereichertes Uran. Hierbei handelt es sich um das Uran, das nach dem Anreicherungsprozess übrig bleibt, der zur Herstellung von Brennstoff für den Einsatz in Reaktoren erforderlich ist. Es besteht größtenteils aus nicht spaltbarem Uran-238 und ist immer noch etwas radioaktiv, wenn auch weniger radioaktiv, da der größte Teil des Uran-235 während des Anreicherungsprozesses entfernt wird.

Abgereichertes Uran verfügt über mehrere Eigenschaften, die es für militärische Anwendungen äußerst attraktiv machen. Aufgrund seiner hohen Dichte eignet es sich gut als Sprengkopf für Panzerabwehrmunition. Munition aus abgereichertem Uran verfügt über eine ausgezeichnete Durchschlagskraft und ist in der Lage, schwere Panzerpanzerung zu durchdringen. Dazu trägt auch ihre selbstschärfende Natur bei. Wenn ein Sprengkopf aus abgereichertem Uran ein Ziel trifft, zerbricht er so, dass er scharf bleibt, während die Hitze des Aufpralls dazu beiträgt, die entstehende Wolke aus Partikeln aus abgereichertem Uran zu entzünden. Dies macht solche Patronen in solchen Rollen äußerst effektiv und ersetzt oft andere Materialien mit hoher Dichte wie Wolfram.

Es gibt auch andere Anwendungen für abgereichertes Uran außerhalb der Waffenindustrie. Kürzlich wurde eine neue Anwendung für abgereichertes Uran im Bereich der chemischen Verarbeitung gefunden. Eine Gruppe von Forschern der University of Sussex hat mithilfe des Materials einen Katalysator entwickelt, der dabei hilft, Ethylen in Ethan umzuwandeln. Während die Umwandlung zwischen den beiden Chemikalien nichts Neues ist, handelt es sich um eine neuartige Anwendung für abgereichertes Uran.

Die Lagerung großer Mengen abgereicherten Urans aus dem Anreicherungsprozess ist ein anhaltendes Problem für Regierungen auf der ganzen Welt. Die Möglichkeit, das Material in industriellen Prozessen nutzen zu können, könnte eine sinnvolle Alternative zur einfachen Lagerung auf Deponien oder zum Abfeuern ins Ausland mit Panzern und Kampfflugzeugen sein. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass das leicht radioaktive Material keine zusätzlichen Gefahren am Arbeitsplatz oder Gesundheitsprobleme verursacht.

Leider gibt es Probleme bei der Wiederverwendung und Wiederaufbereitung von Atommüll. Viele dieser Prozesse eröffnen die Möglichkeit, dass Kernmaterial gestohlen oder umgeleitet wird. Dies stellt ein Risiko für die Verbreitung von Atomwaffen dar.

Beispielsweise wird die Menge an Plutonium, die zur Herstellung einer funktionsfähigen Atomwaffe erforderlich ist, in mehreren zehn Pfund gemessen. Bei der Wiederaufbereitung im industriellen Maßstab besteht die Möglichkeit, dass große Mengen dieses Materials unentdeckt verloren gehen. Es handelt sich um ein schwieriges Problem, das von den genauen Einzelheiten der Isotope und Prozesse abhängt. Aktueller Atommüll aus Leichtwasserreaktoren stellt beispielsweise kein Problem dar, da er als zu stark radioaktiv gilt, um leicht gestohlen zu werden. Aber Technologien wie die Wiederaufbereitung von Brennstoffen bergen die Möglichkeit, aus abgebrannten Brennstoffen waffenfähiges Material zu erzeugen, was viele Regierungen nach Möglichkeit verhindern wollen.

Darüber hinaus argumentieren einige, dass Bemühungen, Atommüll zu recyceln oder wiederzuverwenden, Ressourcen verschlingen, die für die Suche nach einer speziellen Lagerungslösung für das Material aufgewendet werden sollten. Viele Länder, darunter auch die USA, zögern mit der Einrichtung dauerhafter Mülldeponien. Da abgebrannte Brennelemente aus aktuellen Reaktoren über Jahrtausende hinweg unsicher bleiben, sollte die Suche nach einer sicheren Langzeitlagerungslösung für dieses vorhandene Abfallmaterial Priorität haben.

Grundsätzlich stellt die hochradioaktive und gefährliche Natur von Atommüll Regierungen und Industrien, die das Material entsorgen wollen, vor viele Herausforderungen. Der gegenwärtige Status quo besteht weitgehend darin, den Atommüll weiter wachsen zu lassen, während der jahrzehntelange Kampf darüber weitergeht, was mit der ständig wachsenden Menge an Atommüll geschehen soll. Im Idealfall eröffnen neue Technologien Möglichkeiten für eine saubere und sichere Lösung des Problems, doch in der Zwischenzeit müssen schwierige politische Entscheidungen getroffen werden.