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Feb 24, 2024

Plutoniumprobleme werden nicht verschwinden

Bildquelle: Getty Images Von Chris Edwards Veröffentlicht am Dienstag, 15. Februar 2022 Das ökologische Image der Kernenergie ist genauso niedrig wie das von Kohlenstoff, und ihr Potenzial für saubere Brennstoffe wird durch Altlasten getrübt

Bildnachweis: Getty Images

Von Chris Edwards

Veröffentlicht am Dienstag, 15. Februar 2022

Das Umweltimage der Kernenergie ist genauso gering wie das von Kohlenstoff, und ihr Potenzial für saubere Brennstoffe wird durch Altlastenprobleme getrübt. Sind wir der Lösung dieses Problems schon näher gekommen?

Ende 2021 schloss das Vereinigte Königreich den Vorhang für einen Teil seines Atommüll-Vermächtnisses und unternahm einige weitere Schritte in Richtung eines länger anhaltenden Erbes. Eine Wiederaufbereitungsanlage, die in den 1990er Jahren für 9 Milliarden Pfund gebaut wurde, um Abfallplutonium aus Druckwasserreaktoren im Vereinigten Königreich und auf der ganzen Welt für die Verwendung in neuem Brennstoff umzuverpacken, wandelte schließlich die letzten flüssigen Rückstände aus Deutschland, Italien und Japan in Glas um und verpackte es in Stahlbehälter. Die Verschiffung und der Restmüll der Reaktorbesitzer, die vertraglich zur Rücknahme verpflichtet sind, werden weitere sechs Jahre in Anspruch nehmen.

Selbst wenn die Abfälle aus ausländischem Besitz wieder in die Heimat zurückgekehrt sind, wird das Vereinigte Königreich mit mehr als 110 Tonnen immer noch einen der größten Plutoniumvorkommen der Welt beherbergen. Es handelt sich um ein Fünftel der weltweiten Gesamtmenge und ein Drittel des weltweiten zivilen Vorrats von 316 Tonnen. Obwohl das Vereinigte Königreich über eine kleinere Atomflotte verfügt als Frankreich, verfügt es über 1,5-mal mehr Plutonium.

Es sollte nie so enden. Der langfristige Traum bestand darin, dass sich spaltungsfähiger Brennstoff weiterhin im Kreis bewegt und nur bei Bedarf mit reinem Uran aufgefüllt wird. Das bei der Spaltung entstehende Plutonium könnte unter den richtigen Bedingungen selbst eine weitere Spaltung aufrechterhalten. Schnellbrüterreaktoren, die zur Schließung des Kreislaufs erforderlich wären, sind jedoch noch weitgehend experimentell, selbst in Ländern wie Russland, wo ihre Entwicklung fortgesetzt wird. Angetrieben sowohl von Sicherheitsbedenken als auch von Sorgen über die Verbreitung von Atomwaffen, die aus einem leichteren Zugang zu abgetrenntem und raffiniertem Plutonium-239 resultieren könnte, hat der Westen seine Programme zur schnellen Brüterei vor Jahrzehnten aufgegeben.

Die Wiederaufbereitung abgebrannter Brennelemente zu sogenanntem Mischoxidbrennstoff ist zwar möglich, allerdings nur für eine einmalige Verwendung in einem konventionellen Reaktor geeignet. Andere Aktiniden reichern sich an und beginnen, den Spaltungsprozess zu vergiften. Die einzigen Aussichten auf Veränderungen bestehen bei den sogenannten Generation-IV-Reaktoren, aber diese Konstruktionen müssen noch getestet werden und könnten weiterhin mit Proliferationsbedenken in Konflikt geraten.

Während Betreiber auf der ganzen Welt über die Praktikabilität der Kraftstoffwiederverwendung nachgedacht haben, verbleiben Behälter mit sowohl verarbeitetem als auch wiederaufbereitetem Kraftstoff in wassergekühlten Lagertanks, obwohl sie in einigen Ländern jahrzehntelang für die tiefe Versenkung vorgesehen waren. In den späten 1980er Jahren bestimmte das US-Energieministerium den Yucca Mountain in Nevada als einziges Ziel für die abgebrannten Kernbrennstoffe des Landes und plante die Eröffnung ein Jahrzehnt später. Bis 2005 hatte sich der frühestmögliche Eröffnungstermin um 20 Jahre verschoben. Es bleibt ungeöffnet und wird sich wahrscheinlich nie öffnen. Mittlerweile lagert ein Großteil des Treibstoffs in wassergefüllten Kühltanks, während die Politik eher lokale Tieflagerstandorte in Betracht zieht.

Fukushima war ein Weckruf für die Industrie, nicht nur hinsichtlich der Probleme bei der Kontrolle von Reaktoren, sondern auch hinsichtlich der abgebrannten Brennelemente. Nach dem Tsunami befürchteten die Ingenieure, dass das Wasser in den Lagertanks für die abgebrannten Brennelemente ohne Nachfüllpumpen verdunsten würde. Wenn der Brennstoff dann Feuer fing, würde er wahrscheinlich radioaktives Tritium und Cäsium in die Atmosphäre freisetzen. Durch einen glücklichen Zufall gelangte Wasser in die beschädigten Teiche. Das Problem für Betreiber einiger älterer Reaktoren besteht nun darin, dass die Brennstoffkanister stattdessen einfach im Wasser korrodieren.

Experten wie Frank von Hippel, Professor für öffentliche und internationale Angelegenheiten an der Princeton University, empfehlen, Lagerbecken nur so lange zu verwenden, bis der Brennstoff kühl genug ist, um in Glas umgewandelt, in Beton oder beides eingetaucht und in eine trockene Lagerung überführt zu werden, vorzugsweise in ein geologisches Tiefenlager (GDF).

Auf einer von der Internationalen Atomenergiebehörde (IAEA) organisierten Konferenz im vergangenen November behauptete Laurie Swami, Präsidentin und CEO der kanadischen Organisation für die Entsorgung nuklearer Abfälle, „es bestehe wissenschaftlicher Konsens über die Wirksamkeit geologischer Tiefenlager“ für hochradioaktive Abfälle.

Auch das Vereinigte Königreich hat sich vor 15 Jahren auf den Plan geeinigt, ein eigenes GDF für hochradioaktive Abfälle zu bauen und gleichzeitig mit der Nuclear Decommissioning Authority (NDA) eine einzige staatliche Stelle einzurichten, die für die Organisation der Entsorgung der Abfälle zuständig ist ). Einen kleinen Schritt nach vorne machte die GDF Ende 2021, als zwei Kandidatenstandorte bekannt gegeben wurden, beide nahe der Küste von Cumbria. Die örtlichen Gemeinden haben sich grundsätzlich darauf geeinigt, dass die NDA prüfen kann, wo sie für eine Reihe von Tunneln geeignet sind, die möglicherweise unter der Irischen See verlaufen. Da sich das Projekt in einem so frühen Stadium befindet, wird das Land noch Jahre von der Eröffnung eines GDF entfernt sein. Finnland hingegen hat Fortschritte gemacht und erwartet die Eröffnung seines GDF im Jahr 2025, während Schweden wahrscheinlich das zweite weltweit haben wird.

Gleichzeitig gibt es eine enorme Menge an anderem bestrahltem Material, das nicht wirtschaftlich tief gelagert werden kann. In einer Grundsatzrede auf der IAEA-Konferenz erklärte James McKinney, Leiter der integrierten Abfallwirtschaft bei der NDA, dass es sich bei vielen radioaktiven Abfällen um kontaminiertes Baumaterial handele. Das Endlager für schwachaktiven Abfall in Drigg in Cumbria wurde für diese Art von Abfall konzipiert, aber McKinney betonte, dass die Kapazität „kostbar“ sei und Gefahr laufe, zur Neige zu gehen, wenn das gesamte Material dorthin verbracht werde. Im letzten Jahrzehnt haben die NDA und ihre Subunternehmer daran gearbeitet, durch Wiederaufbereitung und Neuverpackung so viel Abfall wie möglich vom Standort Drigg zu entfernen.

Durch die Zusammenführung der Abfallwirtschaft unter einem Dach, anstatt sie auf die Kraftwerksbetreiber aufzuteilen, konnte die NDA ihre Beschaffungsstrategien ändern, um den Einsatz von viel mehr Forschung und Entwicklung für die Abfallbehandlung zu begünstigen. „Der Bestimmungsort radioaktiver Abfälle kann durch Eingriffe geändert werden“, fügt McKinney hinzu. „Derzeit schätzen wir, dass etwa 95 Prozent des potenziellen schwachradioaktiven Abfalls [von Drigg] weggeleitet werden. Vor zwölf Jahren wäre das Gegenteil der Fall gewesen.“

Ein aktuelles Beispiel hierfür ist die Demontage von Rohren, die einst im Harwell-Forschungszentrum installiert wurden. Mehr als 1.500 Metallrohrabschnitte wurden an den Öl-​ und Gasspezialisten Augean geliefert, der mithilfe von Hochdruckwasserstrahlen radioaktive Ablagerungen entfernt, sodass das Metall recycelt werden kann und nicht langfristig gelagert werden muss.

Eine weitere große Herausforderung besteht darin, weniger handhabbaren Abfall aus den Lagertanks zu entfernen, insbesondere wenn er aus den ältesten Reaktoren stammt. Als beispielsweise in Großbritannien abgebrannter Magnox-Brennstoff aus den Reaktoren entnommen wurde, wurde die ihn umgebende Magnesiumverkleidung entfernt und in das Magnox-Swarf-Lagersilo (MSSS) von Sellafield verbracht. Obwohl es sich bei den Spänen selbst lediglich um mittelaktiven Abfall handelt, betrachtet der Betreiber von Sellafield die Entleerung des Silos für den Transfer zur langfristigen Trockenlagerung als eines der gefährlicheren Projekte auf dem Gelände. Unter Wasser gelagert, um sie kühl zu halten, korrodieren die Spänepakete nach und nach und setzen Wasserstoffgas und Verunreinigungen frei, die in den Boden entweichen können. Der Transport des Abfalls zur Behandlung kann wiederum zu mehr Entkommen führen.

Um 11.000 Kubikmeter Abfall aus den 22 Kammern des MSSS zu befördern, hat es mehr als zwei Jahrzehnte gedauert, zwei der drei abgeschirmten Gehäuse und Greifarme zu entwerfen, zu bauen und zu installieren, mit denen Spänestücke herausgehoben und vorbereitet werden können in Beton oder Glas fixiert werden.

Die Zeit, die es gedauert hat, überhaupt mit der Sanierung des MSSS zu beginnen, verdeutlicht das Kernproblem, mit dem Stilllegungs- und Sanierungsprogramme konfrontiert sind: die schiere Schwierigkeit, selbst mäßig radioaktives Material unter Bedingungen zu handhaben, bei denen der Zugang beim ersten Bau dieser Strukturen nie in Betracht gezogen wurde und gefüllt. Alles bei dieser Art der Stilllegung erfordert unhandliche Fernmanipulatoren, weil es keine andere Möglichkeit gibt, die Aufräummannschaften zu schützen.

Als die Ingenieure im März 2011 mit der Katastrophe von Fukushima zu kämpfen hatten, dachten viele Menschen in Japan das Gleiche und zeigten sich überrascht darüber, dass ein Land, das so viel in die Robotikforschung investiert hatte, nichts hatte, was es in die Reaktoren schicken konnte, um überhaupt eine Untersuchung durchzuführen .

Japan war mit diesem Problem nicht allein: Kein Land verfügte über einen speziellen Roboter zur Reaktion auf nukleare Unfälle. Die Arbeit an Robotern begann bereits vor Jahrzehnten, wurde jedoch größtenteils nur stoßweise fortgesetzt. Nach einem schweren Zwischenfall im Jahr 1999 in einem Versuchsreaktor in Tokaimura stellte das japanische Ministerium für Wirtschaft, Handel und Industrie 36 Millionen US-Dollar für die Entwicklung ferngesteuerter Maschinen bereit. Doch die Projekte endeten innerhalb weniger Jahre.

Um bei der Bewältigung der unmittelbaren Probleme in Fukushima zu helfen, hat die US-Forschungsagentur DARPA die ihr zur Verfügung stehenden Militär- und Katastrophenroboter schnell umfunktioniert und ursprünglich geplant, sie auf Marineschiffen über den Pazifik zu schicken. Es stellte sich jedoch schnell heraus, dass dies zu langsam sein würde.

Auf einer von der International Federation of Robotics Research zum 10. Jahrestag des Unfalls organisierten Konferenz sagte Gill Pratt, Chefwissenschaftler von Toyota Research, dass die ersten Roboter „im Gepäck von kommerziellen Flügen dort ankamen“. Für sie alle war es eine Feuertaufe.

Schmale Treppen und Schutt wurden für manche zu unüberwindbaren Hindernissen. Diejenigen, die es weiter schafften, scheiterten, nachdem sie zu große Strahlungsschäden an wichtigen Sensoren und Speichern erlitten hatten. Schließlich konnten einige vom Chiba Institute of Technology entwickelte Geräte die oberen Stockwerke von Reaktor 2 erkunden. Die Forscher haben ihre Quitte so konzipiert, dass sie bis zu fünf Stunden lang in Gegenwart einer Kobalt-60-Quelle arbeitet, die eine durchschnittliche Dosis von 40 erzeugen würde Grautöne pro Stunde.

Direkte Strahlenschäden waren nicht das einzige Problem für die Fukushima-Roboter. Die Reaktoren sind durch dicke Betonwände geschützt. Drahtlose Signale werden ein- und ausgeblendet und die Glasfaserverkabelung wird im überfüllten Raum eines beschädigten Gebäudes zum Hindernis. Um nahe genug an den Maschinen zu sein, mussten die Bediener weite Schutzkleidung tragen, was die Teleoperation deutlich schwieriger machte als in anderen Umgebungen. Mehrere Roboter drangen in das Gebäude ein, scheiterten jedoch, blieben stecken und wurden zu Hindernissen für andere Maschinen.

Das Risiko eines solchen Ausfalls trug zum langfristigen Widerstand der Atomindustrie gegen den Einsatz von Robotern für Reparatur und Stilllegung bei. Anlagenbetreiber bevorzugten weiterhin mechanische Manipulatoren, die von Menschen bedient werden und durch Schutzkleidung und dickes bleischweres Glas voneinander getrennt sind.

Seit Fukushima hat sich die Einstellung gegenüber Robotern in der Nuklearindustrie geändert, doch die Fernsteuerung bleibt die Hauptstrategie. Pratt sagt, dass Menschen die Kontrolle über die unstrukturierten Umgebungen in vielen älteren und manchmal beschädigten Anlagen im Allgemeinen besser behalten und viel besser umgehen können.

Das langfristige Ziel der an diesen Systemen arbeitenden Menschen besteht darin, den Robotern im Laufe der Zeit ein höheres Maß an Autonomie zu verleihen. Beispielsweise werden Überwachungsdrohnen unter der Aufsicht eines Bedieners geflogen, aber die Maschinen erwerben mehr Intelligenz, um Hindernissen auszuweichen, sodass sie nur noch auf einfachere Befehle auf hoher Ebene reagieren müssen. Dadurch kann eines der Probleme gelöst werden, die durch intermittierende Kommunikation entstehen. Ein Beispiel für diesen Ansatz wurde gezeigt, als das in Großbritannien ansässige Unternehmen Createc Robotics kürzlich eine Drohne in Tschernobyl und Fukushima einsetzte und sich im letzteren Fall dafür entschied, die teilweise eingestürzte Turbinenhalle zu untersuchen, um seine halbautonomen Kartierungstechniken zu testen.

Um in Großbritannien mehr Roboter ins Spiel zu bringen, hat die NDA ihre Beschaffung stärker auf Universitäten und kleinere Spezialunternehmen konzentriert, die teilweise Technologien aus der Öl- und Gasindustrie adaptieren.

Die NDA geht davon aus, dass die Entwicklung effektiver Roboter-Stilllegungs- und Handhabungstechnologien viele Jahre dauern wird. Sie hat einen umfassenden Fahrplan erstellt, der derzeit bis 2040 reicht. Die Strahlenanfälligkeit bleibt ein Problem. Visuelle Sensoren sind sehr anfällig für Schäden durch ionisierende Strahlung. Eine Mischung aus intelligenteren Steuerungssystemen und Redundanz sollte es jedoch ermöglichen, Roboter zumindest an einen sicheren Ort zur Reparatur zu bringen, falls sie Anzeichen eines Ausfalls zeigen.

Eine weitere Designstrategie, die sowohl im Vereinigten Königreich als auch in Japan verfolgt wird, besteht darin, Roboter so zu bauen, als wären sie ein bewegliches, intelligentes Schweizer Taschenmesser: Ausgestattet mit einer Vielzahl abnehmbarer Gliedmaßen und Subsysteme, damit sie sich an die Bedingungen anpassen und möglicherweise sogar bestimmte Aufgaben ausführen können. Die Fliege repariert sich selbst.

Langsam taucht die Technologie auf, die mit dem Abfall umgehen und ihn zumindest für lange Zeit vor Gefahren schützen kann. Sie fragen sich jedoch vielleicht, warum der Prozess Jahrzehnte gedauert hat, bis er diesen Entwicklungsstand erreicht hat. *

Eine tiefe Bestattung scheint der einfachste Weg zu sein, mit langlebigen Abfällen umzugehen, vorausgesetzt, dass niemand versucht, ihn Hunderte oder Tausende von Jahren in der Zukunft ohne umfassenden Schutz und gute Absichten auszugraben. Aber die Frage, wie sicher es ist, wenn das Repository versehentlich verletzt wird, ist äußerst schwer zu beantworten.

Plutonium wird wahrscheinlich nicht das größte Problem sein. Obwohl es leicht oxidiert und sich in Wasser auflöst, könnten die kurzlebigen Spaltprodukte wie Strontium-90 und Cäsium-137 problematischer sein, wenn sie die Grenzen einer Lagerstätte verlassen, wie aus Analysen hervorgeht, die beispielsweise von SKB im Rahmen von durchgeführt wurden Schwedens Programm, dort eine tiefe Grabstätte zu errichten.

Die Halbwertszeiten dieser Isotope sind viel kürzer als die von Plutonium, sodass das von ihnen ausgehende Risiko nach ein paar hundert Jahren nachlässt und nicht nach Tausenden von Plutonium. Aber was wäre, wenn sie auf Tage oder sogar Sekunden verkürzt werden könnten? Eventuelle Strahlung könnte dann eingedämmt oder genutzt werden, bevor der Abfall neu verpackt wird.

Das ist das Versprechen der Lasertransmutation, bei der hochenergetische Strahlen verwendet werden, um Neutronen in Spenderatomen zu verdrängen, die dann mit etwas Glück in diese instabilen Isotope prallen und noch instabilere Atome erzeugen, die schnell zerfallen. In einem vom Rutherford-Appleton Laboratory durchgeführten Experiment wandelte ein Laser Atome in einer Probe von Jod-129 mit einer Halbwertszeit von Millionen Jahren in Jod-128 um. Ein ähnliches Experiment in Cambridge wandelte Strontium-90 in die medizinische Markierungschemikalie Strontium-89 um.

Die schlechte Nachricht ist, dass die Energie, die für die Durchführung einer Transmutation in großem Maßstab erforderlich ist, enorm ist und nicht alle Isotope kooperieren: Ihre Neutroneneinfangvolumina sind so klein, dass der Prozess noch weniger effizient wird.

Nobelpreisträger Gérard Mourou glaubt, dass eine sorgfältige Kontrolle hochenergetischer gepulster Laser die Energiekosten der Transmutation erheblich senken wird. Er arbeitet mit mehreren Gruppen daran, Systeme im industriellen Maßstab zu bauen, mit denen zumindest ein Teil der hochaktiven Abfälle gereinigt werden könnte.

Auch wenn Laser effizienter gemacht werden können, gibt es weitere Probleme. Zum einen muss der Abfall getrennt werden, da die Streuneutronen sonst andere Elemente in der Probe umwandeln und so unerwünschte Aktiniden erzeugen. Dies wird nicht nur die Kosten für die Wiederaufbereitung erhöhen, sondern auch das Risiko der Verbreitung erhöhen, da es zu Plutonium führt, das viel einfacher zu handhaben und zu transportieren ist – das einzige Ergebnis, das durch eine tiefe Vergrabung vermieden werden soll.

Der digitale Zwilling wird zu einem wichtigen Element der Atommüllentsorgung, sowohl für die Bestimmung des Aufbewahrungsorts als auch für den Transport. Die Nuclear Decommissioning Authority (NDA) des Vereinigten Königreichs hat das Konzept übernommen, um ein umfassenderes Bild davon zu erstellen, was wo und warum gelagert wird.

Corhyn Parr, designierter CEO für Abfall bei der NDA, erklärte auf einer von der Internationalen Atomenergiebehörde im November organisierten Konferenz, dass die Agentur „jetzt über eine detailliertere Lebensdauerplanung verfügt“. Es hilft uns, über Echtzeit-Live-Daten zu verfügen und diese offen zu halten, damit wir der Öffentlichkeit wirklich klar machen können, wie wir unsere Leistungen erbringen.“

Eine Möglichkeit, digitale Zwillinge zu nutzen, besteht darin, zu zeigen, dass sich der Zustand des Abfalls nicht unerwartet ändert. Beispielsweise prüft die NDA den Einsatz von Sensoren mit einer Lebensdauer von 30 Jahren, die teilweise mit der vom Abfall selbst erzeugten Energie betrieben werden könnten, um Korrosion und andere Probleme bei der Trockenlagerung anzuzeigen. Diese Messwerte können in Echtzeit mit Simulationen verglichen werden und erleichtern im Prinzip die Bewältigung eines großen Problems bei der langfristigen Abfallentsorgung: Man muss raten, ob etwas davon austritt oder gefährlich heiß wird.

In ähnlicher Weise werden Digital-Twin-Techniken in einer neuen Generation von Robotersteuerungen ausprobiert, um es menschlichen Bedienern zu erleichtern, zu visualisieren, was mit dem Roboter und der ihn umgebenden Umgebung geschieht. Ein Beispiel für diesen Ansatz wird das LongOps-Projekt sein, das Ergebnis eines 12-Millionen-Pfund-Deals zwischen Großbritannien und Japan zur Entwicklung besserer Langstreckenmanipulatoren, die für die Stilllegung eingesetzt werden können. Für die Fernsteuerung mit größerer Reichweite kann der Digital-Twin-Ansatz eine intuitivere Steuerung von Robotern mithilfe virtueller oder erweiterter Realität ermöglichen.

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