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1Kultur und Urheberrecht Nuklearia1
Kernenergie
Wohin mit dem Atommll?
Nuklearia e.V. Rainer Klute
http://nuklearia.de/
17. November 2013
2Kultur und Urheberrecht Nuklearia2
bersicht
Was ist Atommll? Klassifizierung: schwach-, mittel- und hochradioaktive Abflle Schwerpunkt: gebrauchte Brennelemente hochradioaktiv Wie entsteht Atommll im Kernreaktor? Radiotoxizitt Gefahr fr den Menschen Welche Entsorgungsmglichkeiten gibt es?
Direkte Endlagerung Plutonium-Recycling (MOX-Brennelemente) Transmutation
Was will die Nuklearia?
3Kultur und Urheberrecht Nuklearia3
Was ist Atommll?
Herkunft und Beispiele Kernkraftwerke
Bestrahlte (abgebrannte) Brennelemente Putzlappen, Arbeitskleidung, Verpackungen, Putzwasser usw. Ausgediente, aktivierte Maschinenteile, Reaktordruckbehlter,
Pumpen, Rohre, Bauschutt, Khlwasser usw. Forschung, Industrie, Bergbau, lfrderung
Werkzeuge, Gerte, Prparate Forschungsreaktoren, Kernbrennstoff usw. usw.
Medizin Radioaktive Prparate in Diagnostik und Therapie Spritzen, Kanlen, Abwsser usw.
4Kultur und Urheberrecht Nuklearia4
Klassifizierung nach Radioaktivitt (IAEA)
Einheit Becquerel (Bq) gibt die Anzahl radioaktiver Zerflle pro Sekunde an.
Hochaktiver Abfall (HLW, high-level waste) > 1014 Bq/m3, Typisch: 5 1016 bis 5 1017 Bq/m3 Abschirmung und Khlung ntig
Mittelaktiver Abfall (ILW, intermediate-level waste) 1010 bis 1015 Bq/m3 Abschirmung ntig, Khlung nicht immer
Schwachaktiver Abfall (LLW, low-level waste) < 1011 Bq/m3 Abschirmung oder Khlung unntig
5Kultur und Urheberrecht Nuklearia5
Klassifizierung nach Radioaktivitt (IAEA)
Radioaktivitt nach Abfallkategorien (Bq/m), linear
1,0E+10
2,0E+17
4,0E+17
6,0E+17
8,0E+17
1,0E+18
1,2E+18
Hochaktiver Abfall (HLW)Mittelaktiver Abfall (ILW)Schwachaktiver Abfall (LLW)
Aktiv
itt (
Bq/m
)
Lineare Darstellung: Aktiv
itt
von LLW und ILW gegen
ber
HLW verschwindend gerin
g. Lineare Dars
tellung: Aktivitt
von LLW und ILW gegen
ber
HLW verschwindend gerin
g.
6Kultur und Urheberrecht Nuklearia6
Klassifizierung nach Radioaktivitt (IAEA)
Radioaktivitt nach Abfallkategorien (Bq/m), logarithmisch
1,0E+10
1,0E+11
1,0E+12
1,0E+13
1,0E+14
1,0E+15
1,0E+16
1,0E+17
1,0E+18
1,0E+19
Hochaktiver Abfall (HLW)Mittelaktiver Abfall (ILW)Schwachaktiver Abfall (LLW)
Aktiv
itt (
Bq/m
)
Logarithmische Darstellu
ng
ntig, damit ILW und LLW
berhaupt erkennbar sin
d. Logarithmisc
he Darstellung
ntig, damit ILW und LLW
berhaupt erkennbar sin
d.
7Kultur und Urheberrecht Nuklearia7
Grenordnungen im Vergleich
Angaben wie 1010 , 1014 oder 1017 Bq sind nicht sehr anschaulich.
Wie werden unterschiedliche Radioaktivittsniveaus anschaulicher?
Vergleich der Grenordungen durch Lngenangaben Wenn eine Billion Becquerel ein Zentimeter wre
8Kultur und Urheberrecht Nuklearia8
Grenordnungen im Vergleich
Hochradioaktiv:1 m 10 km
Burj Khalifa, Dubai (828 m) Hchstes Gebude
der Welt Gebrauchte
Brennelemente
Nuklearia
9Kultur und Urheberrecht Nuklearia9
Grenordnungen im Vergleich
Mittelradioaktiv: 0,1 mm 10 m Schneewand in Tateyama, Japan (ca. 8 m)
Nuklearia
10Kultur und Urheberrecht Nuklearia10
Grenordnungen im Vergleich
Schwachradioaktiv: kleiner als 1 mm Sandkorn (116 mm bis 2 mm)
Nuklearia
11Kultur und Urheberrecht Nuklearia11
Klassifizierung nach Wrmeentwicklung (DE)
Deutschland klassifiziert Atommll nicht nur nach Radioaktivitt, sondern auch nach Wrmeentwicklung.
Wesentliches Kriterium bei der (End-)Lagerung Abflle mit vernachlssigbarer Wrmeentwicklung
Z.B. ausgediente Anlagenteile, Pumpen, Rohrleitungen, Ionenaustauscherharze, Luftfilter, kontaminierte Werkzeuge, Schutzkleidung, Dekontaminations- und Reinigungsmittel, Laboratoriumsabflle, umschlossene Strahlenquellen, Schlmme, Suspensionen, le
Wrmeentwickelnde Abflle Z.B. Spaltproduktkonzentrat, Hlsen, Strukturteile,
Feedklrschlamm, gebrauchte Brennelemente
12Kultur und Urheberrecht Nuklearia12
Herkunft schwach- und mittelaktiver Abflle
Schtzung fr 2040 (Bundesamt fr Strahlenschutz): Etwa zwei Drittel aus Kernkraftwerken Rest aus Medizin, Industrie, Forschung
KernkraftwerkeMedizin, Industrie, Forschung
Auch ohne Kernenergie f
llt
neuer Atommll an. Die
Entsorgungsfrage bleibt.
Auch ohne K
ernenergie fllt
neuer Atommll an. Die
Entsorgungsfrage bleibt.
13Kultur und Urheberrecht Nuklearia13
Volumina radioaktiver Abflle
Schtzung fr 2040 (Bundesamt fr Strahlenschutz): 277.000 m3 schwach- und mittelaktiver Abfall 29.000 m3 hochaktiver Abfall
Schwach- und mittelaktiver AbfallHochaktiver Abfall
Wir konzentrieren uns au
f
den kleineren Teil des
Volumens. Warum?
Wir konzentrieren uns au
f
den kleineren Teil des
Volumens. Warum?
14Kultur und Urheberrecht Nuklearia14
Radiotoxizitt radioaktiver Abflle (2040, BfS)
Schtzung fr 2040 (Bundesamt fr Strahlenschutz): 2 % der Radiotoxizitt aus schwach- und mittelaktivem Abfall 98 % der Radiotoxizitt aus hochaktivem Abfall
Schwach- und mittelaktiver AbfallHochaktiver Abfall
Der hochaktive Abfall ist
trotz geringeren Volumen
s
das weit grere Problem
. Der hochakt
ive Abfall ist
trotz geringeren Volumen
s
das weit grere Problem
.
15Kultur und Urheberrecht Nuklearia15
Derzeitige Rechtslage in Deutschland
Radioaktive Abflle mssen nach geltendem Recht in einem Endlager entsorgt werden egal, ob man sie noch weiter nutzen knnte oder nicht. Recycling ist nicht erlaubt.
Schwach- und mittelaktive Abflle: Schacht Konrad (Salzgitter) Inbetriebnahme nicht vor 2019
Hochaktive Abflle: Es gibt kein Endlager, sondern nur ein Standortsuchgesetz.
Bis 2015: Suchkriterien definieren Bis 2031: Standort beschlieen
16Kultur und Urheberrecht Nuklearia16
Atommll = bestrahlte Brennelemente
Im Folgenden verstehen
wir unter
Atommll ausschlielic
h
hochaktiven Abfall aus
gebrauchten Brennelem
enten. Im Folgende
n verstehen wir unter
Atommll ausschlielic
h
hochaktiven Abfall aus
gebrauchten Brennelem
enten.
Nuklearia
17Kultur und Urheberrecht Nuklearia17
Atommll in bestrahlten Brennelemente
Fragen, die wir behandeln werden: Wie viel hochaktiven Atommll haben wir? Was sind Brennelemente? Was passiert in den Brennelementen? Wie entstehen die Abfallprodukte? Wie setzt sich der radioaktive Abfall in Brennelementen
zusammen? Wir werden zwei verschiedene Abfalltypen kennenlernen:
Spaltprodukte Transurane
Radiotoxizitt und Entsorgungsvarianten
18Kultur und Urheberrecht Nuklearia18
Wie viel hochaktiven Atommll haben wir?
Nuklearia
Kantenlnge 27 m
Brandenburger Tor (Hhe: 26 m)
In Deutschland bis 2040 genutzter Kernbrennstoff (grauer Wrfel)
Spaltprodukte (9 m)
Lngerlebige Spaltprodukte
(4 m)
Transurane (6 m)
19Kultur und Urheberrecht Nuklearia19
Was sind Brennelemente?
Pellets: Kernbrennstoff aus Uranoxid (U
3O
8) oder
Uran-Plutonium-Mischoxid (MOX)
Frische Pellets sind nur ganz schwach radioaktiv.
Brennstab aus Zirkalloy enthlt die Pellets. Gasdicht verschlossen
Ach ja: Der Handschuh schtzt die Pellets, nicht die Hand.
20Kultur und Urheberrecht Nuklearia20
Was sind Brennelemente?
Brennstbe sind zu Brennelementen / Brennelementbndeln zusammengefasst.
Ein Leistungsreaktor enthlt typischerweise einige hundert Brennelemente.
Einsatz im Reaktor ist durch Korrosion und Strahlung auf 3 5 Jahre begrenzt.
21Kultur und Urheberrecht Nuklearia21
Wie funktioniert ein Kernkraftwerk?
22Kultur und Urheberrecht Nuklearia22
Kernspaltung und Kettenreaktion
Freies Neutron dringt in den Kern eines Uran-235-Atoms ein.
Kern teilt sich in (meist) zwei Spaltprodukte .
Hohe Energiefreisetzung Zwei bis drei Neutronen
fr weitere Spaltungen Ntig fr Kettenreaktion Neutronenverluste
knnen Kettenreaktion behindern.
n
n
U23592
Ba13956
Kr9536
n n200 MeV
23Kultur und Urheberrecht Nuklearia23
Spaltprodukte
Es entsteht meist ein kleineres und ein greres Spaltprodukt.
Spaltprodukte sammeln sich in den Brennstben.
Spaltprodukte sind fr den Reaktor unbrauchbar (Mll).
Spaltprodukte beeinflussen die Kettenreaktion. Reaktorgift Xenon-135 fngt
Neutronen weg. Reduktion durch
Neutroneneinfang und radioaktiven Zerfall (t
1/2: 9,2 h).
U-235
U-233 Pu-239
65%U35%Pu
80 90
90 100
110 120
130 140
150 160
6%
4%
2%
7%
5%
3%
1%
Sr Zr Tc
Pd
Sn
129 I
CsCs
Sm
24Kultur und Urheberrecht Nuklearia24
Spaltprodukte
Es entstehen stabile und radioaktive Spaltprodukte. Radioaktive Spaltprodukte zerfallen zu weiteren stabilen und
radioaktiven Isotopen im Gesamtmix. Beispiel:
Jod-135 zerfllt mit Halbwertszeit 6,6 Stunden zu Xenon-135. Xenon-135 zerfllt mit Halbwertszeit 9,2 Stunden zu
Csium-135. Xenon-135 wird durch Neutroneneinfang zu stabilem
Xenon-136.
25Kultur und Urheberrecht Nuklearia25
Zusammensetzung bestrahlter Brennelemente
Unbestrahlte, frische Brennelemente (linke Sule): 3,5 % Uran-235 Spaltmaterial 96,5 % Uran-238 in herkmmlichen, thermischen
Reaktoren nicht spaltbar (= nicht nutzbar) Bestrahlte, abgebrannte Brennelemente (rechte Sule):
Der gewaltige Anteil U-238 ist fast unverndert. U-238 bleibt im thermischen Reaktor praktisch ungenutzt.
Schauen wir uns dieoberen Bereiche derSulen genauer an
Vorher Nachher
TransuraneSpaltprodukteUran-236Uran-235Uran-238
100 %
0 %
26Kultur und Urheberrecht Nuklearia26
Zusammensetzung bestrahlter Brennelemente
Zusammensetzung bestrahlter Brennelemente 1,00 % Transurane 3,50 % Spaltprodukte 0,44 % Uran-236 0,76 % Uran-235 94,30 % Uran-238
Transurane: Plutonium, Neptunium, Americium, Curium usw. Der besonders ble, langlebige Teil des Abfalls
Uran-236: entsteht aus Uran-235 durch Neutroneneinfang Im Leichtwasserreaktor nicht spaltbar, also Abfall
Spaltprodukte: Abfall
Vorher Nachher
TransuraneSpaltprodukteUran-236Uran-235Uran-238
90 %
100 %
27Kultur und Urheberrecht Nuklearia27
Transurane (Plutonium und Konsorten)
Transurane sind Elemente, die im Periodensystem jenseits des Urans liegen, z.B. Plutonium.
Sie entstehen beim Betriebdes Reaktors aus demeigentlich ungenutzten Uran- 238.
Wir haben gesehen,was passiert, wenn einfreies Neutron auf einenUran-235-Kern trifft:Kernspaltung.
n
n
U23592
Ba13956
Kr9536
n n200 MeV
28Kultur und Urheberrecht Nuklearia28
Neutroneneinfang erbrtet Transurane
Was passiert, wenn ein freies Neutron auf einen Uran-238-Kern trifft?
Kern spaltet sich nicht, sondern wird zu Uran-239 und ber zwei --Zerflle zu spaltbarem Plutonium-239 (Brten).
Leichtwasserreaktor erbrtet mehr Plutonium, als er nutzt. Durch weiteren Neutroneneinfang entstehen aus Plutonium
weitere Transurane.
n
U23892 U23992 Np
23993
e
Pu23994
e
29Kultur und Urheberrecht Nuklearia29
Uran-236
Uran-236 entsteht durch Neutroneneinfang aus Uran-235. Absorbiert ein U-235-Kern ein Neutron, kommt es
in 82 Prozent der Flle zur Kernspaltung, in 18 Prozent der Flle zum Neutroneneinfang U-236.
Halbwertszeit: 23,48 Millionen Jahre 190fach hhere Aktivitt als Uran-238 Damit hat der U-236-Anteil von 0,44 % am Brennelement fast
dieselbe Radiotoxizitt wie der U-238-Anteil von 94,3 %.
30Kultur und Urheberrecht Nuklearia30
Radiotoxizitt des Atommlls
Atommll in bestrahlten Brennelementen ist hochradioaktiv und langlebig.
Die radioaktiven Substanzen zerfallen ber verschiedene radioaktive Zwischenstufen zu stabilen Isotopen.
Wie lange dauert das? Wann ist die Radiotoxizitt des Substanzgemisches auf ein
geringes Ma abgeklungen? Wichtiges Kriterium bei diesen Fragen ist die Halbwertszeit.
31Kultur und Urheberrecht Nuklearia31
Exkurs: Halbwertszeit
Wie lange dauert es, bis ein radioaktives Atom zerfllt?
Kann man fr ein einzelnes Atom nicht sagen. Es kann im nchsten Moment zerfallen oder nie.
Fr sehr viele Atome sind statistische Aussagen mglich. Halbwertszeit: Zeit, nach der die Hlfte einer bestimmten
Menge einer radioaktiven Substanz zerfallen ist. Beispiel: Von 100 g Radium-226 sind nach 1.600 Jahren noch
50 g brig, nach weiteren 1.600 Jahren 25 g usw. Faustformel: nach Halbwertszeit mal 10 ist fast nichts mehr
da.
32Kultur und Urheberrecht Nuklearia32
Exkurs: Halbwertszeit / Beispiele
Von der C-14-Methode zur Altersbestimmung her bekannt: Kohlenstoff-14: 5.730 40 Jahre
Von Nuklearunfllen her besonders bekannte Spaltprodukte: Jod-131: 8,0197 Tage Csium-134: 2,0652 Jahre Csium-137: 30,17 Jahre
33Kultur und Urheberrecht Nuklearia33
Exkurs: Halbwertszeit / Beispiele
Hauptquelle von Radioaktivitt in der Natur, in allen Lebensmitteln enthalten: Kalium-40: 1,248 Milliarden Jahre Kalium ist das siebthufigste Element in der Erdkruste. Trgt zur Radioaktivitt unseres Krpers bei (ca. 100 Bq/kg).
Gasfrmiges Zerfallsprodukt von Uran-238 in der Erdkruste: Radon-222: 3,8235 Tage 1.000 Tote in Deutschland jhrlich durch Lungenkrebs
Interessant fr Raucher, da im Tabak enthalten: Polonium-210: 138,376 Tage Starker Alpha-Strahler
34Kultur und Urheberrecht Nuklearia34
Exkurs: Halbwertszeit / Beispiele
Brennstoff fr herkmmliche Kernreaktoren: Uran-235: 703,8 Millionen Jahre
0,72 % des Natururans Brennstoff fr moderne Kernreaktoren:
Uran-238: 4,468 Milliarden Jahre 99,28 % des Natururans
Thorium-232: 14,05 Milliarden Jahre 3 4 mal so hufig wie Uran
35Kultur und Urheberrecht Nuklearia35
Exkurs: Halbwertszeit / Aktivitt
Was ist gefhrlicher: ein Stoff mit kurzer oder mit langer Halbwertszeit?
Dazu betrachten wir den Begriff der Aktivitt. Aktivitt: Anzahl der Zerflle pro Sekunde und Masse
Maeinheit fr die Anzahl der Zerflle pro Sekunde: Becquerel (Bq)
Aktivitt wird z.B. in Bq/kg angegeben. Bei einer kurzen Halbwertszeit zerfallen pro Sekunde viel
mehr Atome als bei einer langen Halbwertszeit. Je krzer die Halbwertszeit, desto hher die Aktivitt. Je lnger die Halbwertszeit, desto niedriger die Aktivitt.
36Kultur und Urheberrecht Nuklearia36
Gefahren durch Atommll
Strahlung Risiko fr die Umgebung des Strahlers Schutz durch
Abschirmung Abstand
-Strahlung: durchdringt kein Blatt Papier -Strahlung: reicht nur wenige
Zentimeter weit, Abschirmung z.B. durch Aluminiumblech
-Strahlung: erfordert strkere Abschirmung, z.B. durch Blei oder Beton. Dicke hngt von Energie der Strahlung ab.
37Kultur und Urheberrecht Nuklearia37
Gefahren durch Atommll
Wrmeentwicklung Risiko fr die unmittelbare Umgebung der
wrmeentwickelnden Substanz Vernderung der Gebude- oder Gesteinsstrukturen Beschdigung/Zerstrung der Anlagen
Schutz durch wrmeresistente Lagerung ausreichende Khlung
38Kultur und Urheberrecht Nuklearia38
Gefahren durch Atommll
Proliferation Risiko Nuklearwaffen (gering) Risiko Terror
Schmutzige Bombe: erzeugt mehr Angst als Schaden Schutz durch berwachung oder Unzugnglichkeit
39Kultur und Urheberrecht Nuklearia39
Gefahren durch Atommll
Radioaktive Substanzen im Krper Risiko fr Menschen Schdigung der Zellen Krebs Radionuklide drfen nicht in die Nahrungskette gelangen! Schutz durch Bindung in unlsliche Feststoffe Wie gefhrlich die Strahlung eines bestimmten Stoffes im
Krper tatschlich ist, hngt von seiner Radiotoxizitt ab.
40Kultur und Urheberrecht Nuklearia40
Gefahren durch Atommll: Radiotoxizitt
Fachbegriff Radiotoxizitt: Aktivitt jedes Radionuklids multipliziert mit einem
Toxizittsfaktor; normalerweise ein radionuklidspezifischer Dosisumrechnungsfaktor fr den Verzehr (Sv/Bq). Maeinheit in Sievert. (Bundesamt fr Strahlenschutz)
Ma fr die Gefhrlichkeit eines Stoffes im Krper aufgrund seiner Radioaktivitt.
Abfallstoffe mit unterschiedlicher Radiotoxizitt in bestrahlten Brennelementen: Spaltprodukte Transurane ( Plutonium + brige Aktinide ) Uran
41Kultur und Urheberrecht Nuklearia41
Radiotoxizitt des Atommlls
41 Nuklearia
Doppelt logarithmische
Darstellung beachten! Dopp
elt logarithmische
Darstellung beachten!
42Kultur und Urheberrecht Nuklearia42
Radiotoxizitt der Spaltprodukte
Spaltprodukte (braune Kurve) haben durchweg eine kurze Halbwertszeit.
Anfangs hohe Radiotoxizitt Nach 300 Jahren erreicht die
Radiotoxizitt das Niveau von Uranerz, wie es in der Natur vorkommt 1 Promille des Ausgangswerts.
Nach 800 Jahren liegt die Radiotoxizitt nur noch bei einem Prozent von Uranerz 0,01 Promille des Ausgangswerts.
43Kultur und Urheberrecht Nuklearia43
Radiotoxizitt der Transurane
Plutonium und seine Zerfalls-produkte (blaue Kurve) machen den wesentlichen Anteil an der Radiotoxizitt der Transurane aus.
Hinzu kommen vor allem Neptunium, Americium, Curium, Californium (rote Kurve), diesogenannten brigen Aktinide.
Die Radiotoxizitt der Transurane klingt nur sehr langsam ab. Transurane besonders Plutonium bestimmen die
Gesamtradiotoxizitt (schwarze Kurve). Niveau von Uranerz wird erst nach etwa 300.000 Jahren
erreicht.
44Kultur und Urheberrecht Nuklearia44
Radiotoxizitt des Urans
Uran und seine Zerfallsproduktebesitzen anfangs nur einegeringe Radiotoxizitt(dunkelblaue Linie).
Radiotoxizitt steigt spter durchdie radioaktiven Zerfallsprodukte bis zum Zehnfachen an und nimmtdann wieder ab.
Maximum bei ca. 300.000 Jahren
45Kultur und Urheberrecht Nuklearia45
Wohin mit dem Atommll?
Es gibt prinzipiell drei ernsthaft diskutierte Lsungen: Direkte Endlagerung geltendes Recht (Atomgesetz) Recycling des Plutoniums-239 in MOX-Brennelementen Spaltung des Urans und der Transurane Transmutation
Zwischenlagerung ist mglich, schiebt aber eine endgltige Lsung nur auf.
Entsorgung des Atommlls im Weltraum bzw. in der Sonne ist vllig unrealistisch: Viel zu teuer, mindestens 10.000 /kg nur bis zur
Erdumlaufbahn Viel zu gefhrlich, z.B. bei Fehlstarts
46Kultur und Urheberrecht Nuklearia46
Direkte Endlagerung
Atommll wird in tiefen geologischen Schichten entsorgt. Keine Reduktion der Radiotoxizitt Erste Silbe im Wort Endlagerung verrt die Absicht:
Keine Rckholmglichkeit Verzicht auf Rckholbarkeit ist aus Sicht der
Proliferationssicherheit langfristig sinnvoll: Hochaktive Spaltprodukte zerfallen relativ schnell. Anteil des spaltbaren Materials steigt mit der Zeit an.
Nichtspaltbares Pu-240 zerfllt schneller als spaltbares Pu-239. Spaltbares Pu-239 zerfllt zu spaltbarem U-235.
Waffenfhiges Material nach ca. 9.000 Jahren
47Kultur und Urheberrecht Nuklearia47
Direkte Endlagerung
Anforderungen an ein Endlager: Dauerhafte Trennung der Radionuklide von der Biosphre Sicher gegenber geologischen Einflssen
Erdbeben, Verschiebungen, Wassereinbruch usw. Sicher gegenber Wrmeentwicklung der Abflle Sicher gegen unbefugte Zugriffe Das alles fr mindestens 300.000 Jahre
Ist das zu gewhrleisten?
48Kultur und Urheberrecht Nuklearia48
Plutonium-Recycling (MOX-Brennelemente)
Rckgewinnung von Uran und Plutonium (PUREX-Verfahren) und Herstellung von Mischoxid-Brennelementen (MOX)
Leichtwasserreaktor nutzt nur etwa 30 % dieses Plutoniums. Recycling ist nur wenige Male wiederholbar, weil immer mehr
nichtspaltbares Plutonium entsteht. Pu-240, Pu-242, Pu-238 Abtrennung der spaltbaren Isotope technisch nicht machbar
Reduktion der Radiotoxizitt um 10 Prozent Rest muss ins Endlager. Ist das zielfhrend?
49Kultur und Urheberrecht Nuklearia49
Atommll-Abbau durch Transmutation
Problematischer, langlebiger Anteil des Atommlls: Uran + Transurane = Aktinide
Aktinide lassen sich mittels schneller Neutronen spalten. Transmutation
brig bleiben nur noch Spaltprodukte. Radiotoxizitt der Spaltprodukte fllt erheblich schneller als
die der Aktinide: Nach 300 Jahren auf 1 Promille des Ausgangsmixes Nach 800 Jahren auf 0,01 Promille des Ausgangsmixes
Aus unserer Sicht die einzige wirkliche Lsung!
50Kultur und Urheberrecht Nuklearia50
Wie funktioniert das?
Herkmmliche Reaktoren arbeiten mit langsamen Neutronen, sogenannten thermischen Neutronen.
Die bei der Kernspaltung freiwerdenden Neutronen sind erst schnell, doch das Wasser im Reaktor bremst sie stark ab.
Thermische Neutronen spalten praktisch nur Kerne mit ungeraden Massenzahlen . Spaltbar: U-235, Pu-239, Pu-241, U-233 usw. Nicht spaltbar: U-238, U-236, Pu-240, Pu-242, Pu-238 usw.
51Kultur und Urheberrecht Nuklearia51
Wie funktioniert das?
Schnelle Neutronen spalten smtliche Isotope der Aktiniden. Alle mit geraden und ungeraden Massenzahlen Alle Transurane Alle Uran-Isotope
Technische Lsungen, die mit schnellen Neutronen arbeiten: Schnelle Reaktoren Subkritische Transmutationsanlagen
52Kultur und Urheberrecht Nuklearia52
Schneller Reaktor
Der Schnelle Reaktor heit so, weil er mit schnellen Neutronen arbeitet.
Drei Varianten: Schneller Brter: erzeugt mehr Spaltmaterial, als er
verbraucht. Schneller Brenner: erzeugt weniger Spaltmaterial, als er
verbraucht. Erzeugung und Verbrauch halten sich die Waage.
53Kultur und Urheberrecht Nuklearia53
Unterschiede zu herkmmlichen Reaktoren
Khlmittel darf Neutronen nicht abbremsen . Flssiges Metall oder Helium Natrium besonders geeignet: greift Reaktorwnde nicht an.
Metallkhlung ermglicht Betrieb unter Normaldruck . Sicherheitsgewinn gegenber Reaktoren mit hohem berdruck
Inhrente Sicherheit "Walk-away safety" Stromausfall, kein Personal: Reaktor geht einfach aus.
1986 am Experimental Breeder Reactor II (EBR-II) demonstriert Sicherheit durch Physik und Naturgesetze, nicht durch
aufwendige externe Sicherheitseinrichtungen
54Kultur und Urheberrecht Nuklearia54
Sodium-Cooled Fast Reactor (SFR)
Schneller natriumgekhlter Reaktor
55Kultur und Urheberrecht Nuklearia55
Integral Fast Reactor (IFR)
Brennelemente aus Metall statt Oxid Sehr guter Wrmeleiter geringere Gefahr der berhitzung Hherer negativer Reaktivittskoeffizient Reaktivitt sinkt bei steigender Temperatur
Integrierte Wiederaufarbeitungsanlage Pyroprozessor trennt Spaltprodukte ab. Pyroprozessor integraler Bestandteil der Anlage. Keine Plutonium-Transporte von/nach auerhalb der Anlage Proliferationsschutz durch Integration und fr Kernwaffen
ungeeigneten Mix von Plutonium-Isotopen Noch keine kommerzielle Stromerzeugung
56Kultur und Urheberrecht Nuklearia56
Experimental Breeder Reactor II
Forschungsreaktor und IFR-Prototyp
20 MW Stromerzeugung
Von 1965 1994 Einsatz am Argonne National Laboratory (USA)
30 Jahre Erfahrung Alle IFR-Komponten
wurden am EBR-II fertig entwickelt.
57Kultur und Urheberrecht Nuklearia57
S-PRISM
Kleiner IFR ohne Pyroprozessor
Angebot von GE Hitachi Nuclear liegt Grobritannien vor.
Ziel: Verarbeitung von 110 t Plutonium
Hersteller zahlt Bau. Grobritannien zahlt
pro verarbeiteter Plutonium-Menge.
Entscheidung 2013
58Kultur und Urheberrecht Nuklearia58
Advanced Recycling Center
6 S-PRISM-Reaktoren + 1 Pyroprozessor
1.866 MW Bei GE Hitachi
Nuclear im Angebot
3,2 Mrd. US$ fr die erste Anlage
59Kultur und Urheberrecht Nuklearia59
BN-600 / BN-800 / BN-1200
BN-600 seit 1980 im KKW Beloyarsk (RU) in Betrieb > 30 Jahre
Erfahrung BN-800 in Bau
Ab 2014 Abbau von Plutonium aus russischen Kernwaffen.
BN-1200 geplant Soll 2020 den
BN-600 ablsen.
BN-600
60Kultur und Urheberrecht Nuklearia60
Russlands Kernenergiestrategie
Strategische Umstellung auf Schnelle Reaktoren Ntige Infrastruktur soll bis 2020 fertig sein. Bleigekhlter Schneller Reaktor mit 300 MW als Pilotanlage
Baubeginn 2016, Betriebsbeginn 2020 Reaktor BREST-300 soll Vorlufer einer landesweiten Flotte von
1200-MW-Reaktoren werden. Natriumgekhlte Schnellreaktoren BN-600, BN-800, BN-1200
61Kultur und Urheberrecht Nuklearia61
Weitere Schnelle Reaktoren weltweit
Japan: Schneller Brter Monju nach Natriumleck und anderen Problemen auer Betrieb. Weiterer Testbetrieb wegen laxer Sicherheitskultur fraglich.
Indien: mehrere Schnelle Brter im Bau, z.B. PFBR Kalpakkam China: baut massiv Kernenergie (und alle anderen
Energiequellen) aus. Gewaltige Umweltprobleme durch Kohle. Bis 2040: 200 GW aus konventionellen Kernkraftwerken Bis 2050: 200 GW aus Schnellen Reaktoren Bis 2100: 1.400 GW aus Kernenergie
62Kultur und Urheberrecht Nuklearia62
Weitere Schnelle Reaktoren weltweit
Frankreich: Demonstrationsreaktor ASTRID (Advanced Sodium Technical Reactor for Industrial Demonstration)
Sdkorea: kooperiert mit TerraPower. TerraPower: Startup von Bill Gates Traveling Wave Reactor (ab 2030)
63Kultur und Urheberrecht Nuklearia63
Dual-Fluid-Reaktor
Reaktordesign aus Deutschland Institut fr Festkrper-Kernphysik Sieger der Herzen bei den
GreenTec Awards 2013 Atommll (Aktinide) als Brennstoff Kernbrennstoff in Salzschmelze gelst Khlung durch flssiges Blei Hohe Temperatur (1.000 )
Effiziente Stromerzeugung Prozesswrme fr Industrie/Chemie Wasserstoffgewinnung, Kraftstoffsynthese
64Kultur und Urheberrecht Nuklearia64
Subkritische Transmutationsanlagen
Stets unterkritischer Schneller Reaktor Im Reaktor entstehen nicht genug freie
Neutronen fr eine Kettenreaktion. Fehlende Neutronen mssen von auen
mittels Teilchenbeschleuniger zugeliefert werden.
Abschalten des Beschleunigers schaltet den Reaktor ab.
65Kultur und Urheberrecht Nuklearia65
Subkritische Transmutationsanlagen
Abschalten des Reaktors ersetzt nicht die Khlung. Nachzerfallswrme muss abgefhrt werden.
Wrme, die durch radioaktiven Zerfall der Spaltprodukte entsteht
Subkritikalitt erhht lediglich den Wohlfhlfaktor. Deutliche hhere Komplexitt als normaler Schneller Reaktor
Hhere Kosten fr Konstruktion und Betrieb Beschleuniger verbraucht einen Teil der gewonnenen
elektrischen Energie (ca. 10 20 MW) Europisches Projekt MYRRHA (Mol, Belgien) Weitere Projekte weltweit
66Kultur und Urheberrecht Nuklearia66
Atommll als Kernbrennstoff
Wie lange reicht Atommll als Energielieferant? Vom ursprnglichen
Brennstoff wurde in herkmmlichen Leichtwasserreaktoren fast nichts verbraucht.
96,5 Prozent derabgebranntenBrennelemente sindKernbrennstoff frSchnelle Reaktoren. Vorher Nachher
TransuraneSpaltprodukteUran-236Uran-235Uran-238
67Kultur und Urheberrecht Nuklearia67
Reichweite des Atommlls
2022 hat Deutschland 18.000 Tonnen Aktinide aus Brennelementen.
Aus 1 Tonne Kernbrennstoff gewinnt man 1 Gigawattjahr Elektrizitt.
Durchschnittlicher Stromverbrauch in Deutschland: 70 GW berschlagsrechnung (bei gleichbleibendem Stromverbrauch):
Bei Vollversorgung aus Atommll: 18.000 / 70 = 250 Jahre Bei 25prozentiger Versorgung aus Atommll: 1.000 Jahre
68Kultur und Urheberrecht Nuklearia68
Reichweite des Atommlls
Abgereichertes Uran Groe Mengen aus der Brennelementherstellung vorhanden
Unsere Schtzung: 85.000 Tonnen Reichweite: 1.200 Jahre (100 %) bis 4.800 Jahre (25 %) Kein Uranabbau ntig Was tun, wenn das alles verbraucht ist?
Uran aus dem Meer gewinnen reicht bei heutigem Energieverbrauch fr immer
Thorium drei- bis viermal hufiger in der Erdkruste als Uran Abbau im Weltraum
69Kultur und Urheberrecht Nuklearia69
Kernenergie
Nuklearia e.V.
70Kultur und Urheberrecht Nuklearia70
Nuklearia e.V.
Verein zur Frderung der friedlichen Nutzung der Kernenergie und verwandter Disziplinen
ffentlichkeit und Mitglieder ber wissenschaftliche und technische Entwicklungen informieren
Diskussion ber wissenschaftliche, technische und gesellschaftliche Fragestellungen anstoen
71Kultur und Urheberrecht Nuklearia71
Nuklearia e.V.
Gemeinntzig Spenden sind steuerlich abzugsfhig.
Industrieunabhngig Wir vertreten das, was vernnftig ist und haben keine
kommerziellen Ziele. Parteiunabhngig, aber mit politischem Ziel:
Bau und Betrieb von Kernkraftwerken in Deutschland wieder mglich machen
Auf nderung des Atomgesetzes hinwirken Frderung von Nuklearia-Gruppen in den verschiedenen
Parteien
72Kultur und Urheberrecht Nuklearia72
Nuklearia e.V.
Website: http://nuklearia.de/ Alles zur Mitgliedschaft: http://nuklearia.de/dokumente/
Twitter: @Nuklearia bzw. https://twitter.com/Nuklearia
Facebook: https://www.facebook.com/Nuklearia
Online-Treffen: Mumble (Sprachkonferenzsoftware)
E-Mail-Verteiler
73Kultur und Urheberrecht Nuklearia73
Nuklearia und Atommll
Wir wollen eine ffentliche und sachliche Diskussion smtlicher Entsorgungsvarianten: Direkte Endlagerung Plutonium-Recycling Transmutation
Direkte Endlagerung ist nicht alternativlos. Welche Variante halten die Menschen in Deutschland fr die
sinnvollste? Welche Variante halten Skeptiker und Kernenergiegegner fr
die am wenigsten schlimmste? Welche Variante sollten wir bevorzugt verfolgen?
74Kultur und Urheberrecht Nuklearia74
Nuklearia und Atommll
Keine Entscheidung ist auch eine Entscheidung: Geltendes Atomrecht sieht direkte Endlagerung vor.
Oberirdische Zwischenlager knnen Zeit verschaffen. Doch wir mssen uns entscheiden, in welche Richtung wir knftig forschen und entwickeln wollen.
Prferenz der Nuklearia ist klar: Transmutation
75Kultur und Urheberrecht Nuklearia75
Wohin mit dem Atommll?
Vielen Dank!
Fragen?
76Kultur und Urheberrecht Nuklearia76
Quellen
Atomgesetz (AtG) http://www.bfs.de/de/bfs/recht/rsh/volltext/1A_Atomrecht/1A_3_AtG_0612.
pdf Verordnung ber den Schutz vor Schden durch ionisierende
Strahlen (Strahlenschutzverordnung StrlSchV) http://www.bfs.de/de/bfs/recht/rsh/volltext/1A_Atomrecht/1A_8_StrlSchV_0
612.pdf Wikipedia-Artikel Radioaktiver Abfall
http://de.wikipedia.org/wiki/Radioaktiver_Abfall
77Kultur und Urheberrecht Nuklearia77
Quellen
kernfragen.de http://www.kernfragen.de/kernfragen/gesellschaft/07-Radioaktive-Abf-lle-
was-machen-wir-damit/7-1-Worum-geht-es.php Definition Radiotoxizitt
http://www.bfs.de/de/endlager/publika/AG_1_Nachweisfuehrungen_Sicherheitsindikatoren.pdf
Physics and Safety of Transmutation Systems A Status Report, OECD 2006, NEA No. 6090, ISBN 92-64-01082-3 http://www.oecd-nea.org/science/docs/pubs/nea6090-transmutation.pdf
78Kultur und Urheberrecht Nuklearia78
Quellen
To Recycle or not? An intergenerational approach to nuclear fuel cycles, Behnam Taebi and Jan Leen Kloosterman http://www.janleenkloosterman.nl/taebi0701.php
Passively safe reactors rely on nature to keep them cool http://www.eurekalert.org/features/doe/2002-02/dnl-psr060302.php
Experimental Breeder Reactor II http://en.wikipedia.org/wiki/Experimental_Breeder_Reactor_II
Integral Fast Reactor http://en.wikipedia.org/wiki/Integral_Fast_Reactor
79Kultur und Urheberrecht Nuklearia79
Quellen
S-PRISM http://en.wikipedia.org/wiki/PRISM_%28reactor%29
Advanced Recycling Center http://www.ecomagination.com/portfolio/ge-hitachi-nuclear-energy-
advanced-recycling-center http://nordic-gen4.org/wordpress/wp-content/uploads/2011/11/David-
Powell.pdf Dual-Fluid-Reaktor
http://dual-fluid-reaktor.de/
80Kultur und Urheberrecht Nuklearia80
Quellen
BN-800 http://www.rosatom.ru/wps/wcm/connect/rosenergoatom/belnpp_en/abo
ut/prospects-bn-800/ http://www.spiegel.de/international/world/energy-from-the-bomb-russia-
to-produce-electricity-with-former-nukes-a-854318.html Russlands Kernenergiestrategie
http://www.world-nuclear-news.org/NP_Russia_speeds_up_nuclear_investment_2211121.html
81Kultur und Urheberrecht Nuklearia81
Quellen
Weitere Informationen http://www.sciencecouncil.org/ http://bravenewclimate.com/
82Kultur und Urheberrecht Nuklearia82
Abbildungen
Symbol Radioaktivitt http://en.wikipedia.org/wiki/File:Radioactive.svg
Burj Khalifa http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Burj_Khalifa.jpg
Schneewand in Tateyama http://commons.wikimedia.org/wiki/File:20090503yukinoohtani02.JPG
Libysche Wste (Luca Galuzzi) http://en.wikipedia.org/wiki/File:Libya_4608_Idehan_Ubari_Dunes_Luca_Gal
uzzi_2007.jpg
83Kultur und Urheberrecht Nuklearia83
Abbildungen
Reaktordruckbehlter im Kernkraftwerk Ringhals (Vattenfall) http://www.flickr.com/photos/vattenfall/3703997708/in/set-
72157619489316496/ Urandioxid-Pellets
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nuclear_fuel_pellets.jpeg Brennelementbndel
http://www.world-nuclear.org/uploadedImages/org/info/Mitsubishi%20PWR%20nuclear%20fuel%20assembly%20schematic.jpg
84Kultur und Urheberrecht Nuklearia84
Abbildungen
Kernkraftwerk mit Druckwasserreaktor http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Kernkraftwerk_mit_Druckwasserre
aktor.png Kernspaltung (modifiziert)
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Kernspaltung.svg Spaltprodukte bei thermischer Kernspaltung
http://en.wikipedia.org/wiki/File:ThermalFissionYield.svg Alpha-Zerfall
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Alpha_Decay.svg
85Kultur und Urheberrecht Nuklearia85
Abbildungen
Abschirmung von Alpha-, Beta- und Gammastrahlen http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Alfa_beta_gamma_radiation.svg
Zeitliche Entwicklung der Radiotoxizitt des Atommlls http://www.oecd-nea.org/science/docs/pubs/nea6090-transmutation.pdf
Schneller natriumgekhlter Reaktor http://en.wikipedia.org/wiki/File:Sodium-
Cooled_Fast_Reactor_Schemata.svg Experimental Breeder Reactor II
http://en.wikipedia.org/wiki/File:EBRII_1.jpg
86Kultur und Urheberrecht Nuklearia86
Abbildungen
GE Hitachi Reactor S4 (S-PRISM) http://www.ge-energyforourfuture.com/video/main/GEHreactorS4.jpg
Advanced Recycling Center http://nordic-gen4.org/wordpress/wp-content/uploads/2011/11/David-
Powell.pdf (Seite 22) BN-600
http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Reactor_block_3_of_Beloyarsk_Nuclear_Power_Plant.jpg
Dual-Fluid-Reaktor http://www.flickr.com/photos/rainer_klute/9096645828/
87Kultur und Urheberrecht Nuklearia87
Abbildungen
Beschleunigergetriebene Transmutationsanlage Myrrha http://myrrha.sckcen.be/en/Engineering/Accelerator/~/media/Images/Myrr
ha/Engineering/MYRRHA_ADS_vertical.ashx