Großbritannien hat seit 1950 einen stattlichen Vorrat (allein über 140 Tonnen aus der zivilen Nutzung) an Plutonium angesammelt, mit dem nun etwas geschehen muss. Für Atomkraftgegner ist Plutonium schlicht der „gefährlichste Stoff der Welt“ – für verantwortungsbewusste Energietechniker eine nahezu unerschöpfliche Energiequelle.

Nur der Energiegehalt von diesen 141,8 Tonnen entspricht:

• 3,2 Petawattstunden (PWh) oder
• 425 Millionen Tonnen Kohle oder
• 5,5 Milliarden Barrel Öl oder
• 323 Milliarden Kubikmeter Erdgas.

Zum Vergleich: 2018 wurden 58,8 Milliarden Kubikmeter Erdgas aus Russland durch die Nord-Stream-Pipeline importiert. Das entspricht also ungefähr 5,5 Jahre Bezug. Will/Kann man wirklich darauf verzichten? Die Diskussion ist noch nicht abgeschlossen. Muss sie auch gar nicht sein, denn es dauert ohnehin noch Jahrzehnte, bis in GB ein geologisches Tiefenlager zur Endlagerung in Betrieb geht. Im Moment geht es nur um eine sichere Zwischenlagerung für maximal 100 Jahre.

Zur Geschichte

Von 1957 bis 2022 wurden in Sellafield abgebrannte Magnox (Magnesium non oxidizing)-Brennstäbe aus den gleichnamigen Reaktoren (Natururan, Graphit moderiert, CO2 gekühlt) aufbereitet. Ab 1994 kam die Aufbereitung als Dienstleistung in der THORP-Anlage (THermal Oxide Reprocessing Plant) für Brennstäbe aus Leichtwasserreaktoren hinzu. Kunden waren unter anderem Japan und Deutschland. Jedenfalls gehört GB neben Frankreich und Russland zu den Ländern mit der meisten Erfahrung auf diesem Gebiet.

Die Wiederaufbereitung von Brennstäben zur Gewinnung des Plutoniums gehört neben der Urananreicherung zur Schlüsseltechnologie für Kernwaffen. In Frankreich und GB ging man nahtlos in die kommerzielle Nutzung über, weil man dem Irrtum einer baldigen Erschöpfung der wirtschaftlichen Natururan-Vorkommen aufgesessen war. Beide Länder bauten sog. schnelle Brüter (Dounreay Fast Reactor (DFR), 1959–1977, Prototype Fast Reactor (PFR) 1974–1994; Phénix 1973–2010, Superphénix 1986–1998), die inzwischen wegen mangelnder Wirtschaftlichkeit wieder abgeschaltet wurden. Man könnte auch sagen, sie waren ihrer Zeit einfach zu weit voraus. Nun sitzt man aus dieser Zeit auf großen Mengen Plutonium, deren Lagerung viel Unterhalt kostet. So oder so muss eine Lösung her.

Der Zeithorizont

In GB gibt man nun ein Zwischenlager für 100 Jahre zur sicheren Einlagerung vor. Wem das zu lang vorkommt, dem sei gesagt, dass ein geplantes geologischen Tiefenlager nicht vor 2060 in GB zur Verfügung steht. Es wäre also noch genug Zeit für eine entsprechende „Verpackung zur Endlagerung“. Ebenfalls gibt es noch keine Planung für Reaktoren mit schnellem Neutronenspektrum in GB. In Arbeit sind vier Druckwasserreaktoren (Hinkleypoint C und Sizewell C), in Planung mehrere SMR von Rolls-Royce und evtl. ein Hochtemperaturreaktor.

Damit ist die Vorgabe klar: Das Plutonium soll in einer möglichst flexiblen Form – geringster Aufwand bei der späteren Herstellung von Brennelementen oder Endlager-Eignung – überführt, sicher verpackt und sicher in einem neu zu errichtenden Zwischenlager eingelagert werden.

Der Plutoniummix

Die Zusammensetzung des Plutoniums hängt stark von seiner Entstehung ab. Plutonium (Pu) hat die höchste in der Natur vorkommende Ordnungszahl 94. Es ist ein giftiges und radioaktives Schwermetall. Für die Kerntechnik ist die Massenzahl (Protonen + Neutronen) der Plutonium-Isotope von Bedeutung. Gefragt ist das Isotop Pu239, das durch das Einfangen eines Neutrons aus U238 in einem Reaktor entsteht (über das Zwischenprodukt Np239). Wenn Pu239 ebenfalls ein Neutron einfängt, kommt es überwiegend zu einer Spaltung, aber in wenigen Fällen auch zur Entstehung von Pu240. Dieser Aufbau kann schrittweise bis zu Pu244 erfolgen. Die Zusammensetzung des bei der Wiederaufbereitung gewonnen Plutoniums hängt wesentlich davon ab, wie lange es im Reaktor war. Die Halbwertszeiten (Zeit, nach der jeweils die Hälfte umgewandelt ist)  sind überwiegend sehr lang. Daraus begründet sich hauptsächlich ein „geologisches Tiefenlager zur Endlagerung“: Es dauert hunderttausende Jahre, bis das erzeugte Plutonium wieder (fast vollständig) verschwunden ist. Umgekehrt könnte man sagen, dass der „sicherste Aufbewahrungsort“ in einem geeigneten Reaktor ist: Denn wird es gespalten, ist es für immer weg und damit ein für allemal unschädlich gemacht. 

Die Reaktortypen sind chronologisch aufgeführt (Magnox schon alle stillgelegt; AGR noch im Betrieb; Druckwasserreaktoren zusätzlich noch in Bau). Der Abbrand gibt an, wieviel Energie (Gigawatt x Tage) pro Tonne ursprünglichem Uran im Brennelement durch Spaltung erzeugt worden ist. Die Höhe des Abbrandes richtet sich hauptsächlich nach der Anreicherung: Die Magnox-Reaktoren wurden noch mit Natururan betrieben. Der Typ Advanced Gas-cooled Reactor (AGR) wird mit etwa auf 2 Prozent U235 angereichertem Uran betrieben. Die LWR mit bis zu fünf Prozent Anreicherung.

Interessant ist der gewünschte Anteil Pu239 an dem gewonnenen Plutonium. Beim Magnox Reaktor lag er noch bei 80 Prozent, bei heutigen Leichtwasserreaktoren knapp über 50 Prozent. Dies widerlegt das ewige Märchen von dem Bombenbau aus dem gelagerten Plutonium. Für eine Kernwaffe braucht man mindestens eine Reinheit von 93 Prozent, sonst „bumst“ es nicht. Dies ist auch ein Grund, warum Kernwaffen regelmäßig gewartet werden müssen. Selbstverständlich zerfällt das Plutonium in der Waffe weiter. Es entstehen dabei Zerfallsprodukte, Spaltprodukte und höhere Isotope – das Plutonium wird beständig schlechter und seine γ-Strahlung nimmt zu. Bei der Lagerung (hier geplant 100 Jahre) für friedliche Zwecke ist das nicht so wichtig, aber die Strahlenbelastung beim Umgang nimmt beständig zu.

Die Zwischenlösung

Man kann auch in Leichtwasserreaktoren U235 durch Plutonium ersetzen. Ein bewährtes Verfahren, das man sogar in Deutschland erfolgreich angewendet hat. Man kann so die Natururan-Vorräte etwas strecken. Zur Beseitigung von Plutonium ist es ziemlich ungeeignet, weil Reaktoren mit thermischen Neutronenspektrum gar nicht so schlechte Brüter sind, wie viele denken. Die eingesetzte Menge verringert sich nur um etwa 50 Prozent, da beständig neues Plutonium während des Betriebs aus U238 neu gebildet wird. Aber die Qualität wird immer schlechter, weil der Anteil höherer Isotope immer weiter wächst. Man geht deshalb davon aus, dass sich solche Mischoxid (MOX)-Brennstoffe nur einmal nutzen lassen.

Die 140 t Plutonium könnten in etwa 2.000 tHM (bevorzugt abgereichertes Uran) mit sieben Prozent Plutonium als Brennstoff für Druckwasserreaktoren (PWR) umgewandelt werden. Jedes Jahr lädt ein LWR etwa 17 t HM Brennstoff pro GWe und für Reaktoren, die MOX verwenden, wäre ein Drittel davon (5,67 t HM) MOX. Daher wird die MOX-Ladung für einen 1-GWe-Reaktor etwa 350 Betriebsjahre reichen – oder das Äquivalent von etwa zehn 1 GWe-Reaktoren für 35 Jahre.

Die Menge elektrischer Energie, die aus dem MOX-Brennstoff bei einem typischen Abbrand von 55 GWd/t HM gewonnen werden könnte, wären etwa 107 GWa Strom. Das entspricht fast dem Dreifachen der gesamten Stromerzeugung des Vereinigten Königreichs im Jahr 2022. (Beispiel: Die Anreicherung für einen Reaktor vom Typ Hinkley Point C beträgt 5,5 Prozent Uran 235, mit einem Abbrand von 55 GWd/t HM. Unterstellt man eine Arbeitsverfügbarkeit von 90 Prozent und einen Netto-Wirkungsgrad von 35,4 Prozent, beträgt die mittlere Brennstoffladung pro GWe: (0,9 × 365 / (55 × 0,354)) = 16,9 t Schwermetall pro Jahr). Die abgebrannten MOX-Brennelemente würden ungefähr fünf Prozent Plutonium enthalten (wegen der Neubildung). Allerdings mit einem steigenden Anteil höherer Isotopen. Es würde sich somit auch bei einer zwischenzeitlichen Nutzung als MOX ein respektabler Bestand an Plutonium für den Start von „Schnellen Reaktoren“ erhalten.

Nutzung in schnellen Reaktoren

Völlig anders sieht es bei einer Verwendung in Reaktoren mit schnellem Neutronenspektrum aus (Natrium oder Blei als Kühlmittel). Entsprechend schnelle Neutronen spalten sowohl das U238, wie auch alle anderen Aktinoide. Man erhält bei diesem Reaktortyp einen besonders kurzlebigen „Atommüll“, der sogar grundsätzlich ein geologisches Tiefenlager infrage stellt. Dies ist der Grund, warum man auch in den USA die Entwicklung wieder aufgenommen hat. Das Projekt Kemmerer zum Ersatz eines Kohlekraftwerks steht vor dem Baubeginn. Allerdings ist nichts umsonst. Die Spaltquerschnitte für schnelle Neutronen sind um Größenordnungen kleiner als für thermische Neutronen. Man braucht deshalb eine entsprechend hohe Anreicherung (gegen 20 Prozent) bzw. einen hohen Plutonium-Anteil. Dies macht die Sache teuer, weshalb noch lange Leichtwasserreaktoren dominieren werden.

Die Zeitskala und die Flottengröße sind zu spekulativ, um Vorhersagen machen zu können. Aus den 140 t Plutonium in GB könnte eine Flotte von ungefähr 6–10 GWe „Schnelle Reaktoren“ gestartet werden. Typische „Schnelle Reaktoren“ brauchen drei Erstbeladungen von 5–7,5 t Plutonium pro GWe. Danach ist ihr geschlossener Brennstoffkreislauf selbsterhaltend.

Bemerkenswert ist der Verlust an Pu241 durch lange Lagerung (Halbwertszeit 14,3 Jahre), da Pu241 in „Thermischen Reaktoren“ (auch auf der Basis von Thorium) spaltbar ist. Das Tochterprodukt Am241 trägt kaum zum Spaltstoffgehalt bei, ergibt aber einige Handhabungsprobleme wegen seiner γ-Strahlung (59,5 keV γ-Photon). Abgesehen von Pu238, das ein Nebenprodukt ist, sind die Halbwertszeiten anderer Plutonium-Isotope zu lang, um ein Speicherproblem zu werden.

Fusion

Die Schlüsselprozesse im Brennstoffzyklus sind die Erzeugung von Energie aus der Fusion von Deuterium (H2) und Tritium (H3), die ein Neutron (n) erzeugt. Das Tritium, ein relativ kurzlebiges radioaktives Isotop (Halbwertszeit 12,3 Jahre), muss aus Li6 hergestellt werden, in einer Reaktion, die ein Neutron erfordert. Beide Reaktionen setzen Energie (17,6 MeV + 4,8 MeV) frei. Es müsste also jedes bei der Fusion erzeugte Neutron genutzt werden, um Tritium aus Lithium zu erbrüten. Dies ist technisch unmöglich, da immer Neutronen ausfließen werden und z.B. in den Materialien der Fusionsanlage absorbiert werden. Es muss also eine zusätzliche Neutronenquelle her. Pu239 wäre ideal, da es bei Neutronen mit über 10 MeV im Mittel 4,6 Neutronen freisetzt. Am Rande sei vermerkt, dass viele die Fusion gegenüber der Kernspaltung bevorzugen, da sie angeblich keinen „Atommüll“ erzeugen würde. Dies ist eine mehr als fragliche Sichtweise. Das wussten die „Bombenbauer“ schon lange: Die enorme Zerstörung einer 3-Phasen-Bombe kommt aus der Kernspaltung (≈204 MeV), die Fusion (≈20 MeV) ist wesentlich nur die Neutronenquelle.

Die Möglichkeiten

Im Großen und Ganzen besteht das zukünftige Schicksal des Plutonium-Vorrats aus drei Möglichkeiten, die abwechselnd diskutiert werden:

1. Status quo – fortgesetzte Lagerung, obwohl anerkannt wird, dass die Lagerung nicht auf unbestimmte Zeit betrieben werden kann.
2. Verwendung – Methoden zur Verwendung des Inventars als Brennstoff in Reaktoren.
3. Entsorgung – Entsorgung des Plutoniums in mehreren Abfallformen und Entsorgungsmethoden werden derzeit studiert.

Fortgesetzte Lagerung

Für die Status quo-Option sind die Form des Plutoniums, die Spezifikation, der Zustand der Verpackung und der Lager ausschlaggebend. Vorausgesetzt, dass alle diese Elemente in einem guten Zustand gehalten werden, wird die weitere Lagerung weiterhin als „sicher“ angesehen (d.h. dass die Risiken, den Einschluss zu verlieren und ein Plutonium Leck zu erleiden, als ausreichend niedrig angesehen werden). Dies führt dazu, dass die aktuellen Pläne der Regierung beinhalten, die Lagerung wie seit mehreren Jahrzehnten weiter fortzusetzen. Dies kann als sicher angesehen werden, wenn man sich darauf verlässt, dass Wartung und Betriebssicherheit auf dem notwendigerweise hohen Niveau für ca. 100 Jahre gehalten werden.

Verwendung

Wie bereits weiter oben beschrieben, kann das Plutonium auf verschiedenen Wegen zur Energieerzeugung genutzt werden und dabei gleichzeitig vernichtet werden. Die Nutzung als MOX in Leichtwasserreaktoren ist weltweit Standard. Die Verwendung in schnellen Reaktoren mit Natrium oder Blei erprobt und in Russland, China und Indien bereits in der Anwendung. Diese Methode ist besonders für Länder mit geringen Uranvorkommen verlockend – ermöglicht sie doch eine gewisse Autarkie für hunderte von Jahren. Außerdem entschärft sie die „Endlagerproblematik“, da alle langlebigen Aktinoide vernichtet werden können. Dies kann die Mehrkosten bei den Reaktoren durch Einsparungen bei einem ingenieurtechnischen Lager gegenüber einem geologischen Tiefenlager kompensieren.

Für eine alternative Verwendung in thermischen Reaktoren sind noch zwei andere Schienen denkbar:

• Hochtemperaturreaktoren, die entweder Helium (im Fall von HTGRs) oder geschmolzenes Fluoridsalz als Kühlmittel (Fluoride-Hochtemperaturreaktoren; FHR) verwenden, oder
• ein Salzbadreaktor mit dem Plutonium als Teil des geschmolzenen Salzes.

Hochtemperaturreaktoren verwenden TRISO-Partikel, die zu einem sehr hohen Abbrand gebracht werden können. Es gibt verschiedene Konfigurationen mit oder ohne andere Actinoide, die dem Plutonium zugesetzt wurden, z.B. 0,2 Prozent bis 30 Prozent Uran oder Thorium. Entweder homogen oder „säen und züchten“, wo einige Partikel eine hohe Konzentration an Plutonium und einige nur Thorium haben. Bestrahlungen in Testreaktoren mit hohem Neutronenfluss haben gezeigt, dass solche TRISO-Partikel mit hohem spaltbaren Gehalt auf über 700 GWd/tHM gebracht werden können. Diese Brennstoffe sind nicht leicht zu verarbeiten und wären vermutlich als Abfall endgültig zu lagern. Eine Besonderheit in Indien ist die Verwendung in Schwerwasserreaktoren, in denen Thorium als Brutmaterial verwendet wird.

„Brennstoff-in-Salz-gelöste“ Reaktoren mit Salzschmelzen sind weniger entwickelt. Es gibt nur den Salzbadreaktor des Oak Ridge National Laboratory, den MSRE, mit Betriebserfahrung. Es gibt eine Reihe von Konfigurationen, also lohnt es sich, die Option zu betrachten. Die Möglichkeit der Online-Chemie (Entfernung von Spaltprodukten und Anpassung des spaltbaren Inhalts) ist besonders zur Nutzung von Thorium im Salz geeignet. Die Entfernung von Pa233 (dem Vorläufer von U233) während des Betriebs führt zu einem sehr reinen Material, welches allerdings für Waffen verwendet werden kann.

Entsorgung

Nach geltendem Zeitplan steht ein Endlager erst 2075 in GB zur Verfügung. Aus dem gelagerten Plutonium würde sich geschätzt ein verpacktes Abfallvolumen von 12.500 m3 ergeben. Bei einem Gesamtinventar von ≈773.000 m3 würde dies weniger als zwei Prozent des Endlagervolumens ausmachen.

Es ist noch umfangreiche Forschung über die geeignetste „Verpackung“ (Verglasung, Hot Isostatic Pressing (HIP), etc.) für eine Endlagerung nötig. Es findet aber bereits im WIPP in USA eine Einlagerung aus Abfällen der Rüstung statt. Erfahrungen sind also bereits vorhanden.

Nutzen, Nachteile, Risiken und Gefahren

Die Behandlung des PuO2-Inventars erfordert einen Vergleich über alle Möglichkeiten der Zukunft, mit vielen Dilemmata:

• Nach dem Erreichen optimaler Lagerbedingungen werden sich Gefahren nur weiter reduzieren lassen, wenn aus dem Pulver ein weniger mobiles Material hergestellt wird.
• Diese Veränderung würde aber mit ziemlicher Sicherheit die Nutzung in Reaktoren in unmittelbarer Zukunft behindern.
• Jede Veränderung in der Art der Verpackung erfordert erheblichen Aufwand. Daher sind die Argumente für sofortiges Handeln gleichzeitig auch Argumente für das Warten auf Klärung, insbesondere bezüglich der Ausführung des Endlagers.

Das Material aus den Magnox- und THORP-Wiederaufbereitungsanlagen wird als PuO2-Pulver gespeichert. Die Mehrheit als feiner Staub unter 45 µm Durchmesser (d.h. Partikel, die im Falle einer Freisetzung von Material aerosolisiert und leicht in der Luft verteilt werden können oder bei der Handhabung zu einer Kontamination von Anlagenteilen wie Handschuhboxen führen). Der ausschlaggebende Faktor für das Risiko ist daher der sichere Einschluss in verschweißten Dosen aus Edelstahl.

Gesundheit und Umwelt

Plutonium-Materialien stellen keine große Strahlengefahr dar, da die üblichen Isotope keine starken γ-Emissionen haben. Älteres Plutonium mit signifikanter Am241-Beimischung kann aufgrund seiner starken Gamma-Emission eine erhebliche Gefahr für äußere Strahlung darstellen, insbesondere für Arbeiter, die große Mengen handhaben.

Neutronenstrahlung kann unter bestimmten Umständen ein Problem sein. Einige Isotope haben eine relativ hohe Wahrscheinlichkeit einer spontanen Spaltung, wobei Pu240 das wichtigste im Bestand ist. Spontane Spaltereignisse zählen (471 s-1 g-1) in Pu240 und besonders in Plutonium-Materialien, die andere Elemente enthalten, zu den gefährlichen Quellen (der Neutronenhintergrund kann weiter erhöht werden durch (α,n) Reaktionen, ein besonders wichtiges Phänomen in Verbindungen wie PuF3 oder PuF4).

Das Hauptrisiko von Plutonium-Materialien ergibt sich aus innerer Kontamination durch Wunden oder Inhalation (sie werden ineffizient über den Darm übertragen, so dass die Einnahme weniger problematisch, wenn auch immer noch unklug ist). Inhaliertes Plutonium wandert von der Lunge hauptsächlich in Knochen, Knochenmark und Leber und wird nur langsam aus dem Körper ausgeschieden.

Die spezifischen Auswirkungen einer Exposition durch Einatmen hängen von vielen Faktoren ab, einschließlich der Freisetzung in der Luft, der Partikelgröße, der chemischen Form und der Ablagerungseffizienz in der Lunge, die die Absorptionsrate in das Blut oder die Clearance-Rate in den Verdauungstrakt bestimmen. Die Inhalation von Plutonium in Mengen in der Größenordnung von einigen hundert Becquerel, die einer Masse im Sub-Mikrogramm-Bereich entsprechen, führt zu erheblichen Expositionen. Plutonium-Materialien, insbesondere Pulver wie PuO2, wie diejenigen, die den Großteil des britischen Vorrats ausmachen, werden daher in hochqualifizierten Einrichtungen mit strengen Sicherheitsverfahren und Vorsichtsmaßnahmen gegen Unfälle gehandhabt, die insbesondere durch Inhalation eine Exposition verursachen könnten. Strenge Vorsichtsmaßnahmen werden getroffen, um versehentliche Freisetzungen zu vermeiden, und Vorräte werden unter sehr strengen Sicherheitsvorkehrungen gehalten, um eine böswillige Verwendung zu verhindern. Unter diesen Bedingungen war und wird die Exposition gegenüber Arbeitnehmern und der Öffentlichkeit unbedeutend sein.

Kritikalität

Ein Kritikalitätsunfall ist die unbeabsichtigte Einleitung einer Kernspaltung. Ein solches Ereignis wird nicht zu einer atomwaffenartigen Explosion führen, da sich das Material viel zu schnell zerlegt, führt aber zu sehr gefährlicher Strahlung und Neutronendosen und kann schwer zu kontrollieren sein. Zu den Faktoren, die die Wahrscheinlichkeit eines Kritikalitätsunfalls beeinflussen, gehören die Menge des vorhandenen spaltbaren Materials, seine Geometrie (da dies die Neutronenleckage steuert) und das Vorhandensein von Moderatoren, reflektierende und neutronenabsorbierende Materialien.

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 nuke-klaus.