Dank neuer Technologien werden die als „Atommüll“ verunglimpften „abgebrannten“ Brennelemente als Energiequelle weiter nutzbar. Russland ist hier derzeit Vorreiter.
Langsam scheint die Zeit gekommen, die als „Atommüll“ verunglimpften „abgebrannten“ Brennelemente als Energiequelle weiter zu nutzen. Nur zur Erinnerung: Wenn ein Brennelement einen Leichtwasserreaktor verlassen muss, enthält es noch immer rund 95 Prozent verwendbares Uran. Es muss halt nur wiederaufbereitet werden. Schrittmacher ist hierbei zur Zeit Russland.
Die Physik im Hintergrund
Wenn Uran oder Plutonium gespalten wird, entstehen Spaltprodukte, Energie und Neutronen. Damit eine Kettenreaktion aufrecht erhalten bleibt, muss ein Neutron einen weiteren Kern spalten. Hier kommt der entscheidende Unterschied: Manche Neutronen spalten den Kern, nachdem sie eingefangen worden sind, andere führen nur zur Entstehung eines neuen Isotops. Die Wahrscheinlichkeit dafür hängt stark von der Geschwindigkeit der Neutronen ab. In der Praxis unterscheidet man zwischen thermischen und schnellen Neutronen. Thermische – möglichst langsame – Neutronen spalten U235 und Pu239 sehr gut, aber zum Beispiel U238 kaum. Demgegenüber spalten schnelle – möglichst mit der Energie ihrer Freisetzung – Neutronen alle Isotopen von Uran und Plutonium, aber mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit.
Deshalb benötigen „schnelle Reaktoren“ (mit Blei oder Natrium als Kühlmittel) einen wesentlich höhere Anteil an U235 oder Pu239 als „thermische Reaktoren“ (Leichtwasser oder Schwerwasser als Kühlmittel). Wie gesagt, da sich nicht alle Kerne spalten, nachdem sie ein Neutron eingefangen haben, bilden sich in einem Reaktor zahlreiche neue Isotopen von Uran und Plutonium. Jedes neu entstandene Isotop oder Element hat wieder ganz spezifische Eigenschaften bezüglich der Spaltung und damit der Energiegewinnung beim Reaktorbetrieb. Je länger der Brennstoff im Reaktor bleibt, um so höher sind die Anteile von Isotopen höherer Zahl. Im Sinne der Weiterverbreitung von Kernwaffen (Proliferation) unterscheidet man drei Klassen von Plutonium: „Weapons grade“ mit weniger als 7 Prozent Pu240, „Fuel grade“ mit 7 bis 19 Prozent Pu240 und „Reactor grade“ mit mehr als 19 Prozent Pu240. Hier zeichnen sich bereits die drei möglichen Wege der Nachnutzung ab.
Eine wichtige Kennzahl in der Reaktortechnik ist der sogenannte Abbrand, der angibt, wie viele der ursprünglichen Urankerne gespalten worden sind. Seine übliche Einheit ist GWd/tHM (Wärmeleistung in Gigawatt x Tage pro Tonne Schwermetall). Die Wärmeproduktion lässt sich besonders einfach messen. Die Masse der gespaltenen Atome kann man daraus indirekt berechnen. Umgerechnet ergibt das etwa 21.816 kWh Wärme pro gespaltetem Gramm. So werden in einem Reaktor mit 1 GWel pro Jahr (Arbeitsausnutzung 90 Prozent, Wirkungsgrad 33 Prozent) 1.095 kg Uran beziehungsweise Plutonium gespalten. Nur diese Menge in Form von Spaltprodukten ist die „nukleare Asche“, der tatsächliche Abfall. Dies entspricht einem Würfel mit weniger als 40 cm Kantenlänge. Wahrlich eine Menge, die man sicher verwahren kann. Zumal etwa 70 Prozent der Spaltprodukte stabil sind beziehungsweise eine Halbwertszeit von unter einem Jahr haben. Lediglich 20 Prozent (Cs137, Sr90 und so weiter) müssen für etwa 300 Jahre sicher gelagert werden.
Der klassische Weg
Seit Jahrzehnten erprobt sind MOX-Brennelemente („Mixed oxide“). Es handelt sich um Mischungen aus Uranoxid mit 1,5 bis 30 Gewichtsprozent Plutoniumdioxid. Das Mischungsverhältnis hängt vom Reaktortyp ab. Ein Anteil von etwa 7 Prozent Plutonium ergibt zum Beispiel einen Ersatzbrennstoff für Leichtwasserreaktoren, der sich ähnlich einem Brennstoff mit auf 3 bis 5 Prozent angereichertem U235 verhält. Man kann also durch die Aufbereitung abgebrannter Brennelemente beträchtliche Mengen Natururan und Anreicherungsarbeit sparen. Gleichzeitig verringert man die „Atommüllmenge“ gegenüber der Endlagerung der kompletten Brennelemente.
Damit man MOX-Brennelemente herstellen kann, muss man möglichst reines Uran und Plutonium im richtigen Verhältnis mischen. Dazu ist es erforderlich, die abgebrannten Brennelemente mit dem PUREX-Verfahren („Plutonium-Uranium-Reduktion-Extraktion“) aufzubereiten. Dieses Verfahren stammt aus den 1940er Jahren zur Atombombenproduktion. Es ist daher sehr sensitiv für eine Weiterverbreitung von Kernwaffen. Im Sinne einer friedlichen Nutzung der Kernenergie ist langlebiger hochaktiver Abfall nicht besonders förderlich. Man erhält hochreines Plutonium – was die Weiterverarbeitung vereinfacht – aber alle besonders langlebigen minoren Aktinoide landen im Abfall.
Man erhält den „berüchtigten“ verglasten hochaktiven Abfall, der unterirdisch gelagert werden soll. Er ist reich an langlebigen α-Strahlern, die zwar in ihrer direkten Strahlung recht harmlos sind, aber sicher vor der Biosphäre eingeschlossen werden müssen, da sie, in den Körper aufgenommen, sehr krebserregend wirken können. Im ersten PUREX-Schritt werden die abgebrannten Brennelemente in heißer Salpetersäure aufgelöst. Dabei bilden sich gut wasserlösliche Salze. Dieses „Salzwasser“ wird im nächsten Verfahrensschritt innig (zum Bespiel in Pulskolonnen) mit einem organischen Lösungsmittel (30 Prozent Tributylphosphat aufgelöst in Kerosin) gemischt. Dabei gehen die Uran-Nitrate und Plutonium-Nitrate in die organische Phase über. Nahezu alle Salze der Spaltprodukte und der minoren Aktinoide verbleiben im „Wasser“ – der spätere Atommüll zur Endlagerung. Im folgenden Schritt werden Uran und Plutonium getrennt. Dies geschieht durch den Zusatz eines Reduktionsmittels (zum Beispiel Fe(NH2 S03)2, NH3OHCI), wodurch Plutonium in seinen +3-Oxidationszustand überführt wird, der wieder besser wasserlöslich ist. Um möglichst reines Uran beziehungsweise Plutonium zu erhalten, wird dieser Schritt mehrfach wiederholt.
Weltweit werden heute problemlos MOX-Brennelemente in Leichtwasserreaktoren eingesetzt. Allerdings empfiehlt sich der Einsatz nur einmalig: Die schon vorhandenen höheren Pu-Isotope würden sich mit jedem Durchlauf vermehren, was die Reaktorphysik negativ beeinflussen würde. Die ersten abgebrannten Brennelemente haben nur einen Anteil von etwa 1 Prozent Plutonium. Die MOX-Brennelemente aber haben bereits einen Anteil von mindestens 7 Prozent Plutonium. Der hohe Anteil Plutonium führt beim PUREX-Verfahren zu Schwierigkeiten wegen der generell schlechteren Löslichkeit von Plutonium.
Der Weg über schnelle Reaktoren
Ein ebenfalls erprobter Weg der Nutzung abgebrannter Brennelemente ist die Verwendung in natrium- oder bleigekühlten Reaktoren mit schnellem (hochenergetischem) Neutronenspektrum. Man kann sie als „Brüter“ oder „Brenner“ bauen. Der „Brüter“ verwendet überschüssige Neutronen, um aus U238 Pu239 zu bilden. Ist damit aber komplexer als ein „Brenner“, der den Brennstoff kontinuierlich verbraucht und deshalb von außen mit neuem Spaltstoff versorgt werden muss. Da sich inzwischen hunderte Tonnen Plutonium weltweit angesammelt haben, erscheint es sinnvoll, zuerst nur „Brenner“ zu bauen, da diese zumindest geringere Investitionen erfordern. Mit zunehmender praktischer Erfahrung kann dann bei (eventuell) stark steigenden Preisen für Natururan auf „schnelle Brüter“ erweitert werden. Für die Wiederaufbereitung ergeben sich bei schnellen Reaktoren ganz neue Möglichkeiten. Ziel ist nur noch die Entfernung der Spaltprodukte, der nuklearen Asche. Alle Aktinoide sollen und können im Produkt enthalten bleiben. Die Frage der Reinheit kehrt sich um: Es ist nicht mehr möglichst reines Uran und Plutonium gefragt, sondern eher möglichst reine Spaltprodukte. Die Abfallmengen werden dadurch sehr klein und sind überwiegend kurzlebig. Ein doppelter Gewinn: Man braucht keine Bergwerke mehr, und der Abfall ist wesentlich „ungefährlicher“. Die „Endlagerproblematik“ aus heutiger Sicht verschwindet damit vollständig – ein wesentlicher Punkt bei der „Atomangst“ mancher Menschen.
Seit 2016 ist der Reaktor BN-800 (789 MWel) mit Natrium als Kühlmittel in Russland in kommerziellem Betrieb. 2023 wurden die ersten Brennelemente für diesen Reaktor hergestellt, die neben abgereichertem Uran und Plutonium auch Americium-241 (Halbwertszeit 432,2 a) und Neptunium-237 (Halbwertszeit 2 144 000 a) enthalten. Die minoren Aktinoide werden im Reaktor durch die schnellen Neutronen gespalten. Die entstehenden Spaltprodukte haben recht kurze Halbwertszeiten oder sind sogar stabil. Das ist keine Science-Fiction, liebe Atomkraftgegner, sondern eine russische Antwort auf die angeblich ungelöste Endlagerproblematik. Das Kernkraftwerk Beloyarsk 4 verrichtet seinen täglichen Dienst am Netz – auch bei Dunkelflaute.
Der 3. Weg über REMIX
Die heute in Betrieb befindlichen Reaktoren werden wahrscheinlich für 100 Jahre am Netz bleiben – wenn sie nicht von infantilen Bilderstürmern mutwillig zerstört werden. Es ist also durchaus sinnvoll, nach Übergangslösungen zu suchen. Sie produzieren in einem Jahrhundert eine Menge abgebrannter Brennelemente und verbrauchen dafür große Mengen Natururan. Beides ein Kostenfaktor. Es ist also durchaus sinnvoll, Wege zur direkten Einsparung zu entwickeln. Ganz besonders wichtig ist dies für Länder, die neu in die friedliche Nutzung der Kernenergie einsteigen (Ägypten, Türkei, Bangladesch). Sie verfügen über keine Anreicherungsanlagen und keine Wiederaufbereitung und sollen und wollen das auch nicht, um sich nicht dem Vorwurf einer nuklearen Aufrüstung auszusetzen.
Es ist deshalb kein Zufall, dass gerade Russland sich auf ein Dienstleistungsmodell für Brennstoff bei Druckwasserreaktoren (Typ WWER-1000 und WWER-1200 und so weiter) konzentriert. Es werden betriebsbereite Brennelemente geliefert, die nach dem Entladen nur so lange im Kraftwerk gelagert werden, bis sie einfach transportierbar sind. Sie sollen dann in Russland wieder aufbereitet werden, was sich als Abtrennung der Spaltprodukte darstellt. Das Rest-Uran und Plutonium wird zu REMIX-Brennelementen verarbeitet, die dem Kunden zur weiteren Nutzung wieder zur Verfügung gestellt werden.
REMIX (von „Regenerated Mixture“) wird aus wiederaufgearbeitetem Brennstoff aus Druckwasserreaktoren hergestellt. Dabei werden nur die Spaltprodukte entfernt und die Mischung von Uran und Plutonium absichtlich nicht getrennt (Proliferation). Diesem Material wird etwa 20 Prozent auf 17 Prozent angereichertes Uran zugemischt. Dies ergibt im ersten Durchlauf einen Brennstoff mit etwa 1 Prozent Pu239 und 4 Prozent U235, der über vier Jahre einen Abbrand von 50 GWd/t leisten kann. Laut dem russischen Kernbrennstoff-Hersteller Tenex kann REMIX bis zu fünfmal aufgearbeitet werden, sodass bei weniger als drei Brennstoffladungen im Umlauf ein Reaktor 60 Jahre lang mit demselben Brennstoff betrieben werden könnte. Jeweils mit Zumischung von angereichertem Uran und Abfallentsorgung der Spaltprodukte.
Im Vergleich zu Uran-Plutonium-Brennstoff für schnelle Reaktoren (MOX) hat REMIX einen geringeren Plutoniumgehalt von bis zu 5 Prozent, und der Brennstoff arbeitet innerhalb der gleichen Parameter wie Brennstoff, der nur aus frischem, niedrig angereichertem Uran hergestellt wird. Das bedeutet, dass ein Reaktor keine Modifikation benötigen würde, um mit REMIX zu arbeiten. TVE baut eine Produktionsanlage, in der ausschließlich Roboter die Fertigung übernehmen (Arbeitsschutz). Sie soll 2025 im Siberian Chemical Combine in Seversk in Betrieb gehen und TVS-5-Brennelemente für die neueren WWER-1200-Reaktoren (zum Beispel Kernkraftwerk Nowoworonesch-II) herstellen. Um eine größtmögliche Flexibilität für die Kunden zu erlangen, werden parallel drei unterschiedliche REMIX-Brennelemente mit unterschiedlichem Plutonium-Anteil, sowie ein klassischer MOX-Typ entwickelt.
Auch das keine Science-Fiction. Im Kernkraftwerk Balakovo in der russischen Region Saratov werden seit 2021 REMIX-Brennelemente eingesetzt. Die ersten Elemente haben nun drei volle Zyklen von je 18 Monaten durchlaufen. Inspektionen haben keine Beeinträchtigungen der TVS-2M-Brennelemente festgestellt. Inzwischen ist die dritte der 18-monatigen Betriebskampagnen im Gange, wobei der REMIX-Brennstoff 2026 entladen werden soll, bevor er einer genauen Untersuchung unterzogen wird.
Die Show der Grünen geht voll weiter
Wie unendlich dämlich die Abschaltung der modernen Kernkraftwerke in Deutschland war und die laufende, infantile Zerstörung ist, wird deutlich. Die Konsequenzen für die Stromversorgung sind inzwischen hinreichend bekannt. Aber überhaupt noch nicht diskutiert in den Medien sind die Auswirkungen auf den vorhandenen „Atommüll“. Die Show der Grünen geht hier voll weiter, als wäre nichts geschehen. Es werden die Mengen ins Unendliche aufgeblasen, egal wie stark sie strahlen oder aus welchem Material sie bestehen. Ziel ist ein möglichst großes Lager, selbstverständlich als Bergwerk. Aber das Bergwerk muss natürlich ganz neu gebaut werden. Erforschte und bestens geeignete Bergwerke (zum Beispiel Gorleben) werden vorher erst mal zugeschüttet.
Würde man die abgebrannten Brennelemente aufarbeiten, ergäbe sich nur eine kleine Menge Spaltprodukte. Sie könnten in Glas eingeschmolzen werden und zum Beispiel in horizontale Bohrungen (zum Beispiel „Deep Isolation“) an beliebiger Stelle endgelagert werden. Beliebiger Ort, weil man senkrechte Tiefbohrungen bis in eine geeignete Schicht abteufen kann, bis man waagerecht mit den eigentlichen Endlager-Bohrungen abknickt. Alles hunderttausendfach in der Ölförderung erprobt. Das gerettete Uran und Plutonium wäre eine gigantische Energiequelle.
Dr. Klaus-Dieter Humpich studierte Maschinenbau und Energie- und Verfahrenstechnik mit Schwerpunkt Kerntechnik, bevor er zehn Jahre am Institut für Kerntechnik in der Technischen Universität Berlin arbeitete. Seit 20 Jahren ist er freiberuflich im Bereich Energietechnik tätig. Dieser Beitrag erschien zuerst auf seinem Blog.
Von Klaus Dieter Humpich und Manfred Haferburg ist soeben in der Achgut-Edition das Buch
Atomenergie – jetzt aber richtig
erschienen. Das Nachwort stammt von dem Wissenschaftsphilosophen Michael Esfeld. Sie können es hier in unserem Shop bestellen, Auslieferung erfolgt ab kommenden Montag.
Zum Inhalt des Buches: Es ist keine Frage ob, sondern lediglich wann „die dümmste Energiepolitik der Welt“ (wallstreet-Journal) – in Deutschland euphemistisch „Energiewende“ genannt – beerdigt wird. Und was dann? Überall auf der Welt werden längst wieder die Weichen für die Kernenergie gestellt, CO2-frei wie bisher, aber intelligenter, resilienter, mobiler und preiswerter als je zuvor. Die Atomenergie kann auch hierzulande der Nukleus für einen neuen Wohlstand sein, auch diese Einsicht wird sich unter der Last des Faktischen durchsetzen. Die beiden Energieexperten Manfred Haferburg und Klaus Humpich analysieren den deutschen Irrweg und zeigen Wege aus der Sackgasse. Dieses Buch ist ein Almanach der Vernunft für alle, die in Deutschland erfolgreich wirtschaftlich tätig sind und damit fortfahren wollen.
Rußland hat eine Bevölkerungsdichte von 8 Einwohnern / km2, Deutschland hat 237. Da kann man andere Antworten auf Endlagerfragen geben als hierzulande. Und wenn den Russen so ein KKW mal um die Ohren fliegt, fällt die Katastrophe auch wesentlicher kleiner aus als hier. Ich schätze mal, die Russen haben aus gutem Grund das KKW Balakovo über 100 km entfernt von der Großstadt Saratov gebaut.
Herr Ostrowski. Mit einer gewissen Gehässigkeit. Der durchschnittlich gebildete Mittteleuropäer, nicht westdeutsches Abitur weiß das. Dazu müßte man natürlich ein Minimum an Physik gehört hqben und nicht „Die Wolke.“ Am Nordende der Südbrücke im grauen Ledermantel mit der Times vom 30.04.1948 unter dem linken Arm. Das dehnt die verfügbaren Kernbrennstoffe um den Faktor 50 aus.
Die Erkenntnisse der Kernphysik und die Erfahrungen mit verschiedenen Kernkraftwerken werden sich nicht nur in R weiter entwickeln. Deswegen spielt es gar keine Rolle, ob in D Physiklehrstühle geschlossen und Genderlehrstühle eröffnet werden. Auch die Abschaltung aller Kern-, Kohle-, Gas-Kraftwerke in D hat auf den Weltenlauf keinen Einfluß. Und wenn die D ärmer werden, kratzt das die Anderen auch nicht. Außer denen, die von Subsistenzbauernhöfen und Unkrauthacken träumen, wissen alle, daß die zukünftige Energiegewinnung aus Kernspaltung und Kernfusion erfolgt. Und für das Wissen über die Reduktion von Spaltprodukten haben wir, nach Auskunft der GRÜNEN, Millionen Jahre Zeit.
Herr Humpich, wäre schön wenn Sie ihre Artikel so verfassen würden, dass auch nicht-Experten, ohne chemisch-physikalische Kenntnisse, geschweige denn Atomphysiker zu sein, diese verstehen könnten. Darüber hinaus, liegt manchmal in der Kürze die Würze bzw. der Erkenntnisgewinn für die oben nicht Angesprochenen. Was mir als Laie dennoch fehlt, ist ein Verweis auf die Gefahren natriumgekühlter Reaktoren, bedingt durch die hohe Reaktionsfreudigkeit mit Umgebungsluft oder Wasser.
Darüber hat doch Haferburg, hier auf der achse, schon vor Jahren geschrieben. Die Tatsachen sind bekannt. Er hatte damals die russischen Kraftwerke sogar besucht. Deutschland braucht so etwas nicht. Wir brauchen einen Sarkophag übers ganze Land.
>>Es werden die Mengen ins Unendliche aufgeblasen, egal wie stark sie strahlen oder aus welchem Material sie bestehen.<< ## Die vollständige Indifferenz, um welche Isotope es genau geht, würde ich eher bei Ihnen vermuten. Kürzlich ging es hier um die Pläne der USA zum massiven Ausbau der Kernenergie. Da hatte ich dagegen gehalten, dass bereits jetzt in den nuklearen Zwischenlagern in den USA mehr als 80‚000 TONNEN Uran und mehr als 800 TONNEN Plutonium als Isotopengemisch der Nukleonenzahlen 239, 240 und 241 lagern. Das Sie darin kein Problem sehen, haben wir ja nun begriffen. Also bitte projizieren Sie nicht ihre Gleichgültigkeit auf Andere! Es ist egal, was die Russen machen und ich glaube einfach nicht, dass Sie da Zugang zu den wirklichen Zusammenhängen haben. Aber in den USA gibt es überhaupt keine Aufbereitung, noch nicht einmal eine chemische Trennung des Atommülls von den Brutprodukten. Die Verfahrensweise mit den Behältern sieht nicht vor, dass die jemals wieder geöffnet werden können. Man kann sie nur nach einiger Wartezeit, so wie sie sind, in ein Endlager bringen. Es gibt aber keine ernstzunehmenden Pläne für ein Endlager in den USA und die Wartezeit von 40 Jahren ist teilweise abgelaufen. Das Problem ist die zunehmende Anreicherung von Am-241, das 70-80 Jahre nach der Einlagerung der alten Brennstäbe ein Maximum erreicht und dann mit über 400 Jahren Halbwertszeit auf DAUER eine intensive Gammastrahlung erzeugt, gegen die die Behälter nicht ausreichend abgeschirmt sind. Es steht zu erwarten, dass die USA die Zulassung der Zwischenlager einfach auf 120 Jahre verlängern wird. Dann wird man die Zwischenlager nur noch mit dicken Blei-Anzügen betreten können. Und hoffen Sie nicht auf Roboter. Die Steuerung, sofern sie mit Halbleitern aufgebaut ist, insbesondere hochintegrierten, hält der Strahlung vermutlich nicht stand. Dann ist nichts mit intelligent und nichts mit ferngesteuert!
Ihre gedankliche Trennung zwischen Atommüll=Spaltprodukte und dem erbrüteten Plutonium, einschließlich der nun sogar schon zur Kenntnis genommenen Zerfallsprodukte des Pu241 (das allerdings in Ihrer Schubladeneinordnung von Prozent Pu240 gar nicht vorkommt!) ist vielsagend. Dabei ist das nicht im Ansatz neu. In den Abklingbecken wird das Abklingen der angeregten Kerne der Spaltprodukte abgewartet, nicht der Zerfall des erbrüteten Plutoniums. Und Abklingbecken gibt es von Anfang an. In Fukushima waren sie eine Ursache dafür, dass die Umgebung nur kurz betreten werden konnte, weil sie durch das Erdbeben, nicht den Tsunami gerissen waren und das Wasser daraus verschwunden und die „abgebrannten“ Brennstäbe dadurch trocken lagen und zwar im „ersten Obergeschoss“, wo man dann nicht mehr hin konnte, wegen der Strahlung. Man hat das dann heruntergespielt, dass das verbrennende Zirkonium vermutlich den Wasserstoff erzeugt hat, der dann systematisch die Gebäude gesprengt hat. Dass dadurch nicht das „reactor grade“ Plutonium aus den Zwischenlagern frei geworden sein soll ist eine der urbanen Märchenerzählungen der „Neuzeit“. Wir haben schon viel gehört. Viel infantile Theorie ohne Evidenz.