Partitioning & Transmutation (P&T)

Abgebrannte Brennelemente aus Kernkraftwerken sind hoch radioaktiv und müssen sicher und umweltverträglich entsorgt werden. Dafür gibt es heute zwei Optionen:

1. Im Falle des offenen Brennstoffkreislaufs (wie in Deutschland) wird der gesamte abgebrannte Kernbrennstoff generell als Abfall angesehen, der etwa 200 000 Jahre eine höhere Radioaktivität besitzen wird als das Natururan, aus dem der Brennstoff gefertigt wurde, und ebenso lange sicher endgelagert werden muss.
2. Bei dem geschlossenen Brennstoffkreislauf, der in Frankreich und Japan praktiziert wird, wird der abgebrannte Kernbrennstoff aufgearbeitet. Dabei wird das nicht verbrauchte Uran und Plutonium abgetrennt und als Wertstoff in den Brennstoffkreislauf zurückgeführt. Damit verkürzt sich die Zeit, in welcher die dann entstehenden radioaktiven Abfälle auf das Niveau von Natururan zerfallen sind, auf etwa 16 000 Jahre.

Eine weiter fortgeschrittene Option könnte in Zukunft in einer mehrfachen Rezyklierung des Brennstoffs und der Nutzung neuer Reaktorkonzepte bestehen. Dieses Verfahren wird Partitioning & Transmutation oder kurz P&T genannt. Es könnte die Entsorgung langlebiger hochradioaktiver Abfälle von Grund auf verändern.

Das Hauptgefahrenpotential abgebrannter Kernbrennstoffe wird nach einigen hundert Jahren von nur wenigen Elementen, vor allem Plutonium, Neptunium, Americium und Curium bestimmt. Obwohl diese nur in verhältnismäßig niedrigen Konzentrationen vorkommen, sind sie eine Gefahr für alle Lebensformen, sollten sie in die Umwelt freigesetzt werden. Sie müssen daher vollständig isoliert von der Biosphäre (also z.B. in tiefen geologischen Formationen) über sehr lange Zeiträume sicher endgelagert werden.

Die Strategie von Partitioning & Transmutation (P&T) umfasst die chemische oder elektrochemische Abtrennung (Partitioning) von Plutonium und den Minoren Actiniden Neptunium, Americium und Curium von den kurzlebigen Radionukliden (hauptsächlich den Spaltprodukten) und ihre anschließende Umwandlung in stabile oder kurzlebige Isotope durch Neutronenreaktionen in speziellen Anlagen (Transmutation). Dadurch kann die Langzeitradiotoxizität (Langzeitgefährdungspotential) des verbleibenden Abfalls beträchtlich reduziert werden: etwa um einen Faktor von 10, wenn das gesamte Plutonium (Pu) abgetrennt und gespalten wird oder um einen Faktor von etwa 100, wenn zusätzlich die Minoren Actiniden transmutiert werden. Dies erfordert allerdings eine mehrfache Abtrennung und Rezyklierung.

Bei dem P&T-Verfahren handelt sich um eine mögliche technische Optimierung des Brennstoff- und Abfallmanagements, die in die Reihe der technischen Handlungsalternativen einzuordnen ist. Das Verfahren ermöglicht nicht nur eine Verringerung der hochradioaktiven Abfallmenge, sondern reduziert auch die damit verbundene langfristige Nachwärmeerzeugung.

In Leichtwasserreaktoren ist eine vollständige Wiederverwendung der Transurane mit der etablierten Wiederaufarbeitungstechnik aufgrund der erhöhten Neutronendosis praktisch ausgeschlossen. Im Falle schneller Kernreaktoren erscheint das Problem der vollständigen Wiederverwendung der Transurane (TRU) im Hinblick auf die Neutronenphysik leichter lösbar zu sein. Alternativ kommen hierfür auch Beschleuniger getriebene, unterkritische Anlagen (Accelerator Driven Systems ADS) in Betracht.

Die Realisierung von P&T innerhalb fortgeschrittener Brennstoffkreisläufe bedarf sowohl politischer als auch technischer Entscheidungen. Ausgehend von dem gegenwärtigen internationalen Stand von Wissenschaft und Technik werden die größten Herausforderungen in der Trennchemie (Partitioning), im Bereich der Entwicklung fortgeschrittener Brennstoffe, in den Bereichen Werkstoffe und Technologien sowie bei der großtechnischen Demonstration der schnellen Reaktorsysteme selbst liegen.

Die potentiellen Vorteile von P&T sind einerseits aus industrieller Sicht zu bewerten. Andererseits sind die Auswirkungen auf eine Endlagerung langlebiger Radionuklide in tiefen geologischen Formationen auch aus Sicht der Gesellschaft von Bedeutung. Eine industrielle Realisierung des P&T-Verfahrens in absehbaren Zeiträumen wird vor allem dann möglich sein, wenn klare Vorteile im Hinblick auf die Akzeptanz der Endlagerung resultieren und eine starke politische Unterstützung vorhanden ist.

Der Einfluss von P&T auf geologische Endlagerkonzepte ist maßgeblich, wenn auch nicht unermesslich hoch. Der Raumbedarf in einem geologischen Endlager wird etwa um einen Faktor 9 reduziert. Auch wenn mögliche Freisetzungsmechanismen der Radionuklide und die damit einhergehende potentielle Strahlenbelastung der Bevölkerung durch P&T kaum verringert werden, würde die deutliche Verringerung des Actinideninventars die Risiken insbesondere bei erhöhter Actinidenmobilität unter bestimmten geochemischen Bedingungen sowie die radiologischen Folgen beim unsachgemäßen Zutritt von Menschen in das Endlager vermindern.

Zusammenfassend lässt sich feststellen: Auch wenn P&T nie ein Endlager in tiefen geologischen Formationen ersetzen kann, so hat diese Strategie das Potential, die Menge an schlussendlich endzulagernden langlebigen hochradioaktiven Abfällen deutlich zu verringern. In der gesellschaftlichen Debatte könnte diese technologische Option die Akzeptanz eines Endlagers erhöhen. Grundsätzlich sollte dabei der Aspekt der Rückholbarkeit berücksichtigt werden, um sich mittel- und langfristig Handlungsoptionen offen zu halten. Für die Realisierung von P&T sind noch erhebliche Anstrengungen in Forschung und Entwicklung erforderlich, die in enger internationaler Arbeitsteilung und unter deutscher Beteiligung erbracht werden.

Weitere Informationen können Sie der Langfassung (pdf, rd. 1 MB) entnehmen.

Hier können Sie Kurz- und Langfassung gemeinsam als pdf downloaden (pdf, rd. 30 kB). Dieser Beitrag wurde am 24. Februar 2011 veröffentlicht und am 2. März 2011 aktualisert.

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Siehe auch:

• Was bedeutet „Transmutation”? (2001)
• Bereich Kernenergie -> Entsorgung

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