Transmutation

Unter Transmutation versteht man die Umwandlung von Atomkernen in andere Nuklide beispielsweise durch Kernreaktionen. Mögliche Anwendungen sind:

• Behandlung radioaktiven Abfalls (Nukleare Transmutation)
• Herstellung von Gold und anderen Edelmetallen

Ursprünglich wurde der Begriff von Alchemisten verwendet, unter denen sich jahrhundertelang der Glaube hielt, mit chemischen Mitteln andere Elemente in Gold verwandeln zu können.

Kerntechnik / Nukleare Transmutation

In der Kerntechnik steht der Begriff Transmutation für die von außen induzierte Umwandlung von Atomkernen in andere Elemente. Meist ist damit ein spezielles Verfahren gemeint. Es soll zukünftig zur Umwandlung langlebiger, stark toxischer Radionuklide, wie sie beim Betrieb von Kernkraftwerken entstehen, in kurzlebigere oder weniger toxische Stoffe genutzt werden.

Vorbereitung

Für alle denkbaren Verfahren ist zu berücksichtigen, dass die Transmutation spezifisch für jedes Nuklid erfolgt. Daher ist der erste Schritt aller Verfahren das Abtrennen (Partitionieren) der einzelnen Nuklide zumindest mit dem Nebenziel, den Volumenzuwachs insgesamt klein zu halten. In diesem Verfahrensschritt und in weiteren Verfahrensschritten wird jedoch grundsätzlich und unvermeidlich zunächst die Gesamtmenge des zu behandelnden Abfalls vergrößert.

Eine Transmutation ist für die vergleichbar große und überwiegende Menge schwach radioaktiver Mischabfälle völlig ungeeignet. Die Deponierung von radioaktiven Mischabfällen wird mit oder ohne Volumenreduzierung nie durch eine Transmutation ersetzt.

Transmutation durch Neutronen

Bereits seit den 1940er Jahren wird Plutonium-239 und Uran-233 großtechnisch aus Uran-238 und Thorium-232 gewonnen. Dies war eine der Schlüsseltechniken beim Aufbau der großen Arsenale von Kernwaffen im Kalten Krieg.

Für die allgemeine Umwandlung von nicht strahlendem Material in radioaktives ist der Begriff Aktivierung üblich. Sie lässt sich in Kernreaktoren nie ganz vermeiden und ist ein Grund für die Entstehung von radioaktivem Abfall beim Betrieb von Kernkraftwerken. Wenn die Transmutation mit Neutronen zu Nukliden führt, die wieder als Kernbrennstoff dienen können, wird sie auch mit dem Begriff Brüten bezeichnet. Reaktoren, die dafür ausgelegt sind, dass dieser Prozess besonders effizient erfolgt, werden daher Brutreaktor genannt.

In Konzepten der 1970er Jahre zum weitgehenden Ersatz von Kohle und Erdöl als Energieträger durch Kernenergie war die Transmutation in Brutreaktoren als Teil eines nuklearen Brennstoffkreislaufs vorgesehen. Dabei wird nicht nur das vergleichsweise seltene Uranisotop ²³⁵U verwendet, sondern es ist auch das viel häufigere ²³⁸U verwendbar, welches dann in spaltbares Plutonium umgewandelt wird. In diesem Prozess wird mehr Plutonium erbrütet als ²³⁵U verbraucht wird. Auf diese Weise sollten die Uranvorkommen möglichst effizient genutzt werden. Der in Deutschland neben dem KNK-II in Karlsruhe zur Realisierung des Konzepts geplante Brutreaktor bei Kalkar wurde gebaut, aber vor allem wegen technischer^[1], aber auch wegen politischer Bedenken nie in Betrieb genommen. Weltweit ist es nicht gelungen, einen derartigen Reaktor über das Versuchsstadium hinaus zu realisieren. So war der von 1974 bis 1981 in Frankreich erbaute, aber erst 1985 in Betrieb genommene Brutreaktor "Superphénix" bis zu seiner Schließung 1990 lediglich 180 Tage in Betrieb.^[1] Von 1992 bis zur endgültigen Stilllegung 1998 wurde mit dem Reaktor wieder Strom erzeugt. Allerdings verbraucht das Reaktorkonzept beträchtliche Mengen Strom, um das Natrium im Kühlsystem flüssig zu halten.^[2], was unter anderem zur Unwirtschaftlichkeit beiträgt.

Transmutation mit per Spallation erzeugten Neutronen

Ende der 1980er Jahre stellte der Nobelpreisträger Carlo Rubbia ein alternatives Reaktor-Konzept, Rubbiatron genannt, zur Transmutation vor. Dieses sieht eine Blei-Wismut-Legierung als Kühlmittel vor, welche aufgrund der hohen Atomgewichte von Blei und Wismut die Neutronen praktisch nicht mehr bremst, so dass der Reaktor im Betrieb einen sehr hohen Anteil hochenergetischer Neutronen aufweist. Weiterhin enthält das Rubbiatron eine externe Neutronenquelle, eine so genannte Spallationsquelle, die es ermöglicht, den Reaktor unterkritisch zu betreiben (siehe auch Unterkritisch arbeitende Reaktoren). Das ist nötig, weil bei den vorgesehenen hohen Neutronenenergien und Brennstoffen (insbesondere den im normalen Kernreaktor in geringen Mengen entstehenden Transuranen Americium und Curium) ein stabiler kritischer Betrieb nicht oder nur sehr schwer möglich ist; auch ergeben sich Sicherheitsvorteile im Vergleich zu einem kritisch arbeitenden Reaktor. Allerdings erfolgt der Betrieb so nahe am Kritikalitätspunkt, dass jedes Neutron aus der Spallationsquelle im Reaktor im Schnitt dutzende Sekundärneutronen erzeugt.^[3]

Die Spallationsquelle besteht aus einem starken Teilchenbeschleuniger, welcher eine große Zahl von hochenergetischen Protonen (typische Energie bis zu 1 GeV) auf die zugleich als Kühlmittel verwendete flüssige Blei-Wismut-Legierung schießt. Dabei setzt jedes Proton bis zu 20 und mehr Neutronen frei, die aufgrund der hohen Energie vom Bleikern regelrecht abdampfen.^[3] Ebenso werden auch Sekundär-Protonen freigesetzt, die aufgrund ihrer deutlich geringeren Energie in der Regel keine weiteren Kernreaktionen auslösen^[4]

Einer der Vorteile des Rubbiatrons im Vergleich zu konventionellen Reaktoren ist die schnelle und zuverlässige Regulierbarkeit: Wird die Spallationsquelle abgeschaltet, versiegt die Kernreaktion in Zeitskalen, die der Lebensdauer der Neutronen im Reaktor entsprechen.^[5] Man ist also nicht auf das Einfahren von Steuerstäben angewiesen, um die Kettenreaktion zu unterbrechen. Freilich wird auch im Rubbiatron eine Form der Steuerung benötigt, um den Abstand zum Kritikalitätspunkt auch bei zunehmenden Abbrand des ursprünglichen Inventars konstant zu halten. Je nach Zusammensetzung des Kerns nimmt die Reaktivität im Betrieb zu oder ab.^[3]

Andere Probleme herkömmlicher Reaktoren, insbesondere die Nachzerfallswärme, gibt es aber auch in Transmutationsanlagen. Auch sie würden daher, wie andere Kernreaktoren, Notkühlsysteme benötigen. Außerdem entsteht bei Beschickung mit großen Mengen Americium und Curium schon aufgrund deren vergleichsweisen kurzer Halbwertszeiten und hoher Zerfallsenergie eine erhebliche Zerfallswärme. Werden auch Uran, Thorium und/oder Plutonium als Brennstoff verwendet, übersteigt die Menge der erzeugten Spaltprodukte und eventuell sogar die Menge der erzeugten kurzlebigen Actinoiden die Menge an verbrauchten (also „transmutierten“) Actinoiden.

Aktuell befindet sich eine Testanlage für die Transmutation mit dem Namen XT-ADS am belgischen Kernforschungszentrum SCK-CEN in Planung. Der Reaktor soll mit 50 bis 100 Megawatt thermischer Leistung (entsprechend ca. einem Achtzigstel bis einem Dreißigstel der Leistung typischer kommerzieller Reaktoren zur Stromerzeugung) und einem Kritikalitätswert von 0,95 (entsprechend 20-facher Neutronenmultiplikation) mit konventionellen MOX-Brennelementen betrieben werden.^[3] Das Nachfolgeprojekt EFIT könnte mit 400 Megawatt thermisch, einer Kritikalität von 0,97 (entsprechend 33-facher Neutronenmultiplikation) und erhöhtem Anteil von minoren Actinoiden im Brennstoff arbeiten. Auch hier wird Uran und Plutonium die Hauptmasse des Brennstoffs ausmachen.^[3]

Beseitigung nuklearen Abfalls

Bis heute konnte weltweit noch keine Transmutationsanlage zur Beseitigung nuklearer Abfälle verwirklicht werden. Lediglich im Rahmen von Forschungsprojekten wurden bisher kleinere Anlagen im Labormaßstab zur Transmutation realisiert. Die wenigen existierenden Brutreaktoren werden ausnahmslos zur Plutoniumproduktion eingesetzt.

Geplant ist derzeit eine europäische Forschungsanlage im belgischen Mol, die im Jahr 2023 fertig sein könnte^[6]. Der dortige Versuchsreaktor Myrrha (Multi-purpose Hybrid Research Reactor for Hightech Applications)^[7] soll nach derzeitigem Wissensstand nicht nur Kernabfall beseitigen, sondern auch Strom produzieren. Etwa 15 Prozent der gewonnenen Energie würden für den Teilchenbeschleuniger und ein weiterer Teil für die Anlage selbst gebraucht, der Rest könnte ins Netz eingespeist werden. Das größte Problem sei das sortenreine Herausfiltern der minoren Actinoide, wie Neptunium, Americium und Curium, mit denen die Anlage gezielt beschickt werden müsste.^[8] Die notwendige Zeit für die Endlagerung des Restabfalls soll drastisch von 500.000 Jahren auf einen theoretischen Wert für die verbleibende Endlagerzeit von etwa 500 Jahren reduziert werden; realistisch sind ca. 1.500 Jahre.^[9] Ende 2010 betrug das gesicherte Gesamtbudget 1 Mrd. €. Ab 2024 soll der Experimentierbetrieb beginnen.^[10] Man hofft, in etwa 30 Jahren "Industriereife" zu erreichen^[11], ohne jedoch bisher als Basis einen Nachweis der technischen Realisierbarkeit oder Wirtschaftlichkeit erbracht zu haben. Im US-Projekt Accelerator-driven Transmutation (ATW), welches im Vergleich zum europäischen "Rubbia-Projekt"^[12] als das derzeit realistischere Projekt angesehen wird^[13][14], wurde 1999 der Zeithorizont bis zur Verfahrensdemonstration mit 2027 angenommen, die Realisierungsdauer mit 90 Jahren, die Investitionskosten bis zum Prototyp mit 9 Mrd. US$ und die Betriebskosten mit 280 Mrd. US$ hochgerechnet.^[14] In neueren Betrachtungen wird für eine erste Anlage zur Transmutation von einem Investitionsvolumen von 383 Mio. € und Betriebskosten von 20 Mio. €/Jahr^[12](S.18) bzw. mehreren hundert Mio. Euro bis zur Realisierung ausgegangen^[15]. Dabei wurde die tatsächliche Verminderung des radioaktiven Abfalls durch eine Anlage mit 227 kg im Jahr beziffert, da durch das Verfahren selbst ebenfalls neues Uran-233 entsteht^[12](S.19).

Herstellung von Gold und anderen Edelmetallen

In einem Kernreaktor kann durch Bestrahlung von Platin oder Quecksilber Gold hergestellt werden. Da Platin annähernd gleich teuer ist wie Gold, ist es als Ausgangsmaterial unwirtschaftlich. Vom Quecksilber kann nur das Isotop ¹⁹⁶Hg, welches im natürlichen Quecksilber mit einem Gehalt von 0,15 % enthalten ist, bei Bestrahlung mit langsamen Neutronen durch Neutroneneinfang zu ¹⁹⁷Hg umgewandelt werden, das anschließend durch Elektroneneinfang mit 64,14 Stunden Halbwertszeit in das einzige stabile Goldisotop ¹⁹⁷Au zerfällt. Die anderen Quecksilberisotope wandeln sich bei Bestrahlung mit langsamen Neutronen ineinander um oder bilden Quecksilberisotope, die sich durch Beta-Zerfall in Thallium umwandeln. Mit schnellen Neutronen kann das Quecksilberisotop ¹⁹⁸Hg, welches im natürlichen Quecksilber zu 9,97 % enthalten ist, durch Abspaltung eines Neutrons in das Quecksilberisotop ¹⁹⁷Hg umgewandelt werden, welches dann (wie oben beschrieben) zu Gold zerfällt. Allerdings besitzt diese Reaktion einen geringeren Wirkungsquerschnitt und wäre nur in Schnellen Brütern oder mit Spallations-Neutronenquellen durchführbar. Denkbar ist auch, mit sehr energiereichen Neutronen aus den anderen Quecksilberisotopen mehrere Neutronen herauszuschlagen, um so Quecksilber ¹⁹⁷Hg zu erhalten. Allerdings können so energiereiche Neutronen nur mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern erzeugt werden.

Die Goldsynthese hat wegen ihrer geringen Effizienz keine wirtschaftliche Bedeutung.

Abgebrannte Brennelemente von Kernkraftwerken enthalten einige Prozent Spaltprodukte, von denen wiederum einige Prozent stabiles Rhodium und Ruthenium sind. Die parallel entstandenen radioaktiven Isotope der gleichen Elemente mit Halbwertszeiten von 45 Tagen bzw. 373 Tagen erschweren die Abtrennung und Nutzung. Stabiles Palladium entsteht ebenfalls bei der Kernspaltung in Anteilen von einigen Prozent. Allerdings entsteht in vergleichbarer Menge auch das radioaktive Palladiumisotop ¹⁰⁷Pd mit einer Halbwertszeit von 6,5 Millionen Jahren. Für die Nutzung wäre daher zusätzlich zur chemischen Abtrennung eine aufwändige Isotopentrennung notwendig.

Literatur

• Mikhail Kh. Khankhasayev: Nuclear methods for transmutation of nuclear waste – problems, perspectives, cooperative research. In: World Scientific Publ. 1997, ISBN 981-02-3011-7.

Weblinks

• Transmutation und Inzineration – GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung Darmstadt. (PDF-Datei; 4,09 MB)
• Arbeitsgruppe Transmutation – Institut für Kern- und Energietechnik, Forschungszentrum Karlsruhe
• Ralf Krauter: Vom strahlenden Atommüll zum harmlosen Abfall - Nukleare Transmutation: zu teuer und unreif für die Praxis. auf: dradio.de, Umwelt und Verbraucher. 24. Mai 2011.

Einzelnachweise