Die Hexer von Mol
2. Die Schwierigkeit
Herkömmliche Kernreaktoren bremsen Neutronen ab, um die Kettenreaktion zu kontrollieren – erzeugen dabei aber langlebigen Atommüll.
Kummer bereitet dabei das Uran 238. Es ist zwar an der eigentlichen Kettenreaktion nicht beteiligt, fängt aber gerade langsame Neutronen gern ein. Was passiert also? Es verwandelt sich zunächst in das schwerere Uran-Isotop 239. In einem Beta-Zerfall wird das Uran anschließend zu Neptunium 239. Auch dieses fängt ein Neutron ein, und bei einem erneuten Beta-Zerfall entsteht Plutonium. Durch weitere Neutronen-Einfänge des Plutoniums sowie weitere Alpha- und Beta-Zerfallsreaktionen entstehen aus einem Teil dieses Plutoniums die sogenannten "minoren Actinoide": Neptunium, Americium und Curium.
Aus einer Tonne Atombrennstoff werden so, nach etwa vier Jahren im Reaktor, im Schnitt 935 Kilogramm Uran – 99 Prozent davon Uran 238 – und rund zwölf Kilogramm Plutonium. Daneben enthält der abgebrannte Kernbrennstoff knapp ein Kilogramm Neptunium 237, 800 Gramm Americium 241 und 243, 600 Gramm Curium sowie 50 Kilogramm andere Spaltprodukte – 3,5 Kilogramm davon sind extrem langlebig. "Die minoren Actinoide und langlebigen Spaltprodukte sind das eigentliche Problem beim Atommüll", erklärt Abderrahim. Neptunium 237 beispielsweise hat eine Halbwertszeit von über zwei Millionen Jahren, Americium 243 bringt es auf über 7000 Jahre. Americium 241 zerfällt zwar deutlich schneller – es hat eine Halbwertszeit von 432 Jahren. Bei seinem Zerfall entsteht unter anderem aber auch wieder das langlebige Neptunium 237.
3. Die Trickkiste
Langlebige Spaltprodukte lassen sich nur mittels schneller Neutronen unschädlich machen. Das Verfahren ist allerdings riskant.
"Die Sache sieht ganz anders aus, wenn ich schnelle Neutronen verwende", sagt Abderrahim. Denn fast alle langlebigen radioaktiven Elemente lassen sich – im Gegensatz zu Uran 235 – mit schnellen Neutronen spalten, und sie neigen kaum dazu, schnelle Neutronen einzufangen. Es werden also mehr Atome zertrümmert als neue, langlebige radioaktive Elemente gebildet. Solche ungebremsten Neutronen werden bisher allerdings nur in Forschungsreaktoren verwendet. Weltweit arbeiten Wissenschaftler jedoch im Forschungsverbund "Gen IV" seit 2001 an der "vierten Generation" von kommerziellen Atomkraftwerken, die meist ohnehin mit schnellen Neutronen arbeiten sollen.
"Man könnte also auf die Idee kommen zu sagen: Lasst uns Reaktoren mit schnellen Neutronen nehmen und darin den atomaren Abfall verbrennen", sagt Abderrahim. "Aber dabei gibt es ein Problem – die fehlenden verzögerten Neutronen." Verzögerte Neutronen bewirken normalerweise, dass ein Reaktor träge auf Steuerungseingriffe reagiert. Die Kernreaktion dieselt sozusagen etwas nach. Je mehr Plutonium, Americium, Neptunium und Curium sich jedoch in einem Reaktor befinden, desto kleiner wird der Anteil der verzögerten Neutronen. "Der Reaktor wird immer nervöser", sagt Abderrahim. "Es wird immer schwieriger, ihn zu kontrollieren, denn wenn etwas aus dem Ruder läuft, bleibt nicht genug Zeit, darauf zu reagieren." Und wenn das nicht gelingt – "bumm", sagt Abderrahim, lacht und hebt die Hände zu einer vielsagenden Geste.
Wenn man einen herkömmlichen Atomreaktor für die Transmutation verwenden will, darf man diese Stoffe, die minoren Actinoide, deshalb nicht höher als auf zwei Prozent anreichern. Das jedoch wäre nicht wirtschaftlich.
4. Der Trick
Ein vorgeschalteter Teilchenbeschleuniger verhindert, dass die Verbrennung des langlebigen Atommülls eine unkontrollierte Kettenreaktion auslöst.
Um eine große Menge langlebiger, hochradioaktiver Abfälle auf einmal abzubrennen, gibt es nur eine Möglichkeit: Der Reaktor muss "unterkritisch" betrieben werden. Das heißt: "Ich bringe nicht genug Kernbrennstoff in den Reaktor, um eine Kettenreaktion in Gang zu halten", erklärt Abderrahim. Dann kann man die gefährlichen Spaltprodukte auf bis zu 50 Prozent anreichern und den Reaktor trotzdem beherrschen.
Wie aber kann so ein Reaktor in Gang gehalten werden, wenn keine Kettenreaktion entsteht? Die Lösung heißt ADS ("Accelerator Driven System"): Ein Beschleuniger bringt Ionen, also Atome, denen ein Elektron fehlt, mit bis zu 600 Millionen Volt auf hohe Geschwindigkeiten und schießt sie dann auf ein massives "Target" aus Metall oder schwerem Wasser im Inneren des Reaktors. Bei dem Zusammenstoß der beschleunigten Teilchen mit den Atomkernen des Targets werden pro Kollision bis zu 30 Neutronen aus dem Target herausgeschlagen. Diese schnellen Neutronen sollen dann die gefährlichen langlebigen Kerne zertrümmern.
