Gibt es Möglichkeiten die Gefahren von Atommüll zu reduzieren?

Gibt es Möglichkeiten die Gefahren von Atommüll zu reduzieren ?

Vortrag am 09.05.2023 beim VEI und am 10.05.23 beim fgs.

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Das Problem

 Bei der Stromerzeugung in Kernkraftwerken entstehen radioaktive Abfälle mit langen Halbwertszeiten (Atommüll).

 Dieser könnte Menschen, Tieren, Sachgütern und der Umwelt für lange Zeiträume gefährlich werden.

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Fragen zur Problemlösung

 Kann man den sogenannten Atommüll ungefährlich machen?

 Und falls ja, auf welche Art und Weise?

Die Lösung des Problems

Es existieren tatsächlich Verfahren der Chemie und der Physik,

die es ermöglichen dieses Problem zu lösen.

Deren Kombination wird als Partitioning und Transmutation, abgekürzt P + T, bezeichnet.

Darauf will ich im Folgenden eingehen.

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Partitioning und Transmutation

 Unter Partitioning versteht man die chemische Abtrennung der langlebigen radioaktiven Stoffe aus den abgebrannten Brennelementen.

 Das sind neben dem Uran und Plutonium die minoren Actinide, Americium, Curium und Neptunium, die nur in minimaler Menge vorhanden sind.

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Partitioning und Transmutation

 Transmutation ist die kernphysikalische Umwandlung von langlebigen in kurzlebige radioaktive Stoffe, mit dem Ziel, den Atommüll möglichst schnell ungefährlich zu machen.

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Was passiert in einem Reaktor?

Diese Neutronen werden vom Uran 238 eingefangen, entweichen ins biologisch Schild oder werden durch die Regelstäbe absorbiert. So bleibt je Spaltung nur ein Neutron für eine weitere Spaltung übrig.

Was Passiert in einem Reaktor?

HWZ 23 Min bzw. 2,4 Tage

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Was Passiert in einem Reaktor?

HWZ 22Min bzw. 24 Tage

Was Passiert in einem Reaktor?

Die Schritte zur Problemlösung

 So sollte die Ver- und Entsorgung von Kernkraftwerken früher funktionieren.

 Was in einem Brennelement vorund nach dem Einsatz im Reaktor enthalten ist zeigt das folgende Bild.

Die Schritte zur Problemlösung

Quelle: Basiswissen Kernenergie, Seite 67

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Die Schritte zur Problemlösung

 Um welche Mengen an Abfällen es dabei bei einem 1300 MW Kernkraftwerk jährlich geht zeigt dieses Bild.

 Früher wurden die Brennelemente wiederaufgearbeitet um das Abfallvolumen zu reduzieren und die Dauer der Gefährlichkeit zu verringern.

 Das wurde dann in Deutschland gesetzlich verboten.

Die Schritte zur Problemlösung

 Die abgebrannten Brennelemente werden zerkleinert, Uran und Plutonium von den Spaltprodukten getrennt, wobei die minoren

Actinide Americium und Curium bei den Spaltprodukten verbleiben.  Die verwendete Salpetersäure wird rezykliert.

Quelle: Geschäftsbericht der KWU 1976, Seite 54

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Die Schritte zur Problemlösung

 Wie die Tennung der verschiedenen im  Atommüll enthaltenen Stoffe im Purex- Verfahren abläuft zeigt das folgende Bild.

Am Ende sind in den Spaltprodukten mit kurzen Halbwertszeiten noch die langlebig radioaktiven Elemente Americium und Curium enthalten.

 Die gilt es in weiteren Schritten ebenfalls abzutrennen.

Die Schritte zur Problemlösung

 Durch intensive Durchmischung erreicht man die Trennung der Stoffe.

 Uran und Plutonium sammeln sich im Tributyl- Kerosin Gemisch, während die Nitrate der Spaltprodukte und die Aktiniden in der Salpetersäure HNO3 verbleiben.

 Der Trennfaktor ist besser als 99,9%

Quelle: Basiswissen Kernenergie, Seite 69

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Die Schritte zur Problemlösung

 Die Dauer der Radiotoxizität im Vergleich zu natürlichem Uran verringert sich durch die Wiederaufarbeitung mit dem PUREX- Prozess von 170.000 Jahren auf 16.000 Jahre.

 Durch weitere chemische Abtrennverfahren kann diese Zeit auf nur 330 Jahre verkürzt werden.

 Ein für Millionen Jahre sicheres Endlager ist so für die verbleibenden Abfälle nicht erforderlich.

 Wie das funktioniert sehen wir auf dem kommenden Bild.

Die Schritte zur Problemlösung

 Bei der jährlich abzutrennenden Menge an Actiniden handelt es sich je Kernkraftwerk um nur 0,06% des Kernbrennstoffes, ca. 25 kg/Jahr oder <2 Liter.

 (ρ = 13,76 für Am, 20,25 für Np bzw. 13,5 für Cm)

 Ein Journalist beschrieb das Ergebnis

 dieser Aufarbeitung wie folgt:

 Die Ewigkeit bekommt ein Ablaufdatum.

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Die Schritte zur Problemlösung

 Es gab auch schon Überlegungen die langlebigsten Spaltprodukte, wie Cobalt, Selen, Zirconium, Technetium und andere, abzutrennen und so die Dauer von 330 Jahren noch weiter zu verringern.

 Aber das wäre mit einer weiteren Zunahme von radioaktiven Abfällen mit kürzerer Halbwertszeit verbunden.

Die Schritte zur Problemlösung

Aber was geschieht mit den abgetrennten Stoffen ?

Sie werden in einen Reaktor zurückgeführt und dort im

Neutronenfeld, oder mit einer Spallationsneutronenquelle, zu kurzlebigen Spaltprodukten umgewandelt.

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Die Schritte zur Problemlösung

Auch in anderen Ländern wurden vergleichbare Abtrennprozesse mit Trennfaktoren größer 99,9% für die minoren Actinide entwickelt.

Deren Namen sind:

●DIDPA von JAERI (Japan)

●TRUEX von ANL (USA ), JNC (Japan)

●TRPO von Tsinghua-Univ. (China)

Diskutiert werden auch ein Pyrochemisches Trennverfahren, das Molten Salt Electrorefining, (MSER) sowie die die Fluoride Volatility Method (FVM).

Was ist das Ergebnis?

Die Wiederaufarbeitung der abgebrannten Brennelemente mit Partitoning und Transmutation hat mehrere positive Ergebnisse, nicht nur für die Lagerung des verbleibenden Abfalls:

1. Die potentielle Gefährlichkeit verringert sich erheblich.

2. Probleme werden nicht auf zukünftige Generationen verlagert.

3. Die Menge an Wärme entwickelndem Abfall verringert sich fast auf die Hälfte, wobei die Menge an nicht Wärme entwickelndem Abfall sich vergrößert.

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Was ist das Ergebnis?

4. Es gelangt keinerlei spaltbares Material in das Endlager. Also kann dort kein Material zum Bau von Atomwaffen entwendet werden.

5. Eine aufwändige Überwachung des Lagers über Jahrhunderte oder Jahrtausende ist nicht erforderlich.

6. Die Gefahr eines unbeabsichtigten, irrtümlichen Eindringens in das Abfalllager ist im Verlauf von 330 Jahren geringer als in 170.000 Jahren.

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Was ist das Ergebnis?

 7. Durch die Rückführung vom Uran und Plutonium, sowie den

minoren Actiniden aus den abgebrannten Brennelementen in den

Reaktor, kann der Kernbrennstoff besser ausgenutzt werden.

 Es wird dadurch also weniger frisches Uran benötigt.

 8. Beim Einsatz in Brutreaktoren kann aus dem Uran die  60 fache Menge an Energie gewonnen werden als beim

Verzicht auf die Wiederaufarbeitung.

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Welche Bedenken gibt es?

 Wenn P + T so zahlreiche Vorteile hat, warum macht man das denn nicht schon weltweit?

 1. Kernbrennstoff aus der Wiederaufarbeitung war schon immer wesentlich teurer als solcher aus frischem Uran.

 2. Daher gab es keinen wirtschaftlichen Anreiz für die Wiederaufarbeitung, geschweige denn für P + T.

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Welche Bedenken gibt es?

 3. Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten für P + T beschränkten sich bisher auf den Labormaßstab.

4. Eine Anlage, die tausende Kilogramm an minoren Actiniden abtrennen könnte, würde sehr hohe Investitions- und Betriebskosten erfordern.  5. Die müssten vermutlich vom Staat kommen oder durch den Staat von den Verursachern erzwungen werden.

Welche Bedenken gibt es?

6. Da nirgends absehbar war, ob irgendwann eine solche Anlage errichtet würde, gab es keinen Entwicklungsdruck für P + T .

7. Ob sich bei einer Weiterentwicklung zu einem großtechnischen Maßstab unerwartete Hindernisse ergeben, kann niemand mit Sicherheit vorhersagen.

8. Die bisherigen Überreste aus der zivilen Wiederaufarbeitung liegen, nicht nur in Deutschland, in Form von Glasblöcken vor.

Welche Bedenken gibt es?

 9. Für die braucht man auf jeden Fall ein langzeitsicheres Endlager wie es bisher vorgesehen war.

 10. Daneben natürlich ein Endlager für schwachaktive Abfälle wie Konrad.

Welche Bedenken gibt es?

11. Wenn am Ende der Nutzung der Kernenergie die letzten Reaktoren stillgelegt werden, muss für die daraus verbleibenden Brennelemente eine Lösung gefunden werden.

12. Einsatz in einem Reaktor für das darin enthaltene Plutonium und die minoren Actinide scheidet ja aus.

13. Die könnten dann abgetrennt und mit Spallationsanlagen unschädlich gemacht werden, was erhebliche Kosten bedeutet und Jahrzehnte dauern würde.

Welche Bedenken gibt es?

14. Andernfalls wäre dafür ebenfalls ein langzeitsicheres Endlager erforderlich.

15. Derartige Überlegungen führen dazu, dass von vielen Menschen die Wiederaufarbeitung insgesamt und damit P + T abgelehnt werden.

Was bringt die Zukunft ?

1. Länder wie Frankreich, Japan, Russland, Indien, arbeiten an der Entwicklung von Brutreaktoren zur Nutzung von Uran 238.

2. Das erfordert zwingend die Wiederaufarbeitung der abgebrannten Brennelemente und die Rückführung der Wertstoffe in den Reaktor.

3. Im Rahmen der internationalen Zusammenarbeit, zur Entwicklung von Kernkraftwerken der 4. Generation, werden weitere Reaktorkonzepte mit unterschiedlichen Eigenschaften entwickelt.

Was bringt die Zukunft ?

Gasgekühlte schnelle Reaktorsysteme

Bleigekühlte schnelle Reaktorsysteme

Salzschmelze Reaktorsysteme

Natriumgekühlte Reaktorsysteme

Wassergekühlte Reaktorsysteme mit überkritischen

Dampfzuständen

Gasgekühlte Höchsttemperatur-Reaktorsysteme

Was bringt die Zukunft ?

4. Für die ersten 4 dieser 6 Konzepte ist eine Wiederaufarbeitung zwingend erforderlich.

5. Weitere aktuell diskutierte Konzepte sind der in Berlin konzipierte Dual Fluid Reaktor und der Traveling Wave Reaktor (Laufwellenreaktor) von der Firma Terra Power, die von Bill Gates gegründet wurde.

6. Auch bei diesen Konzepten ist eine Wiederaufarbeitung mit Rezyklierung von Kernbrennstoff unverzichtbar.

Was bringt die Zukunft ?

7. In zahlreichen Ländern wird daher an der Verbesserung der Wiederaufarbeitungsverfahren gearbeitet.

8. Neben nasschemischen Verfahren werden pyrochemische- und elektroraffinations Verfahren sowie Abtrennverfahren auf Basis der fraktionierten Destillation / Rektifikation weiterentwickelt.

9. Zur Transmutation der minoren Actinide können sowohl natriumgekühlte als auch mit Blei-Wismut Gemisch gekühlte Brutreaktoren verwendet werden.

10. Ebenso Salzschmelzereaktoren oder durch Beschleuniger getriebene Anlagen.

Was bringt die Zukunft ?

11. Erste Anlagen zur Erprobung der Verfahren sind im Bau oder in der Planung.

12. So die beschleunigergetriebene unterkritische Anlage MYRRHA in Belgien, mit 100 MWth, die 2024 in Betrieb gehen soll.

13. Eine Nachfolgeanlage, die European Facility for Industrial Sized

Transmutation EFIT soll eine Leistung von 400 MWth haben.

14. Ähnliche Projekte werden in Indien und Japan verfolgt.

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Was bringt die Zukunft ?

15. Natriumgekühlte schnelle Brutreaktoren sind von der Entwicklung weiter fortgeschritten als Salzschmelzereaktoren oder beispielsweise die Projekte Dual Fluid Reaktor oder Traveling Wave Reaktor.

16. Die weitere Entwicklung der Reaktortypen, der Werkstoffe und der chemischen Verfahrenstechnik hat entscheidenden Einfluss auf die zur Anwendung kommenden Verfahren zur Wiederaufarbeitung und damit auch auf Partitioning und Transmutation.

Was bringt die Zukunft ?

17. Die Einführung von Kernkraftwerken der 4. Generation, bei denen schwere Störfälle wie eine Kernschmelze nicht mehr vorkommen können, verbunden mit Fortschritten bei P + T, wird möglicherweise zu einer höheren Akzeptanz der Kernenergie führen.

18. Die Zukunft bleibt also spannend.

1. Analyse und Risikobewertung von Konzepten zu Partitionierungs- und Transmutationsanlagen für hochradioaktive Abfälle, Vorhaben 4720F50501

Im Auftrag für das Bundesamt für die Sicherheit der nuklearen Entsorgung.

2. Partitioning und Transmutation: Aktueller Stand, Kernenergetisches Symposium, Dresden 15 Oktober 2014

3. Reduzierung der Radiotoxizität hochradioaktiver Abfälle - Partitioning und Transmutation - Klaus Gompper *) und Walter Tromm **)

Forschungszentrum Karlsruhe *) Institut für Nukleare Entsorgung **) Programm NUKLEA

Vortrag: VDI-Fachausschuss Kerntechnik Partitioning und Transmutation

Düsseldorf, 16. November 2005

4. Forschungszentrum Karlsruhe, Nachrichten, Jahrgang 36 • 2/2004 Nukleare Sicherheitsforschung, Seite 97 ff.

5. Nuklearchemie Magazin , 1015 ff. Actinoidenabtrennung aus hochradioaktiven Abfällen

Klaus Gompper, Andreas Geist, Horst Geckeis.

6. https://de.wikipedia.org/wiki/MYRRHA