Die merkwürdige Beziehung der Initiatoren der Greentec-Awards zum “Atommüll” prägt die Debatte um das Projekt “Dual Fluid Reaktor DFR” auch weiterhin. Zwar ist die Gala beendet und die Preise sind vergeben, aber die rechtliche Auseinandersetzung zwischen Greentec und dem DFR-Team vom Berliner Institut für Festkörperkernphysik IFK wird in die nächste Runde gehen. Zu diskutieren ist dabei die Auffassung der Veranstalter des Wettbewerbs, das IFK hätte zu seinem Projekt im Teilnahmeantrag falsche Angaben getätigt. Der Ausschluß sei entsprechend der Teilnahmebedingungen zu dem Zeitpunkt erfolgt, zu dem man durch eine beratende Tätigkeit der eingesetzten Jury von diesen Kenntnis erlangte.

Gemeint ist die Aussage des IFK, der DFR könne “langlebigen nuklearen Abfall aus heutigen Reaktoren vollständig nutzen ohne neuen zu produzieren”. Diese mit dem Argument in Zweifel zu ziehen, ein DFR würde während seines Betriebes sehr wohl verstrahlte Abfälle erzeugen, zeigt ein hohes Maß an Unkenntnis über die Zusammensetzung und die Handhabungsmöglichkeiten solcher Stoffe.

Aus dem Leben eines Brennelements

Typischerweise besteht ein Brennelement, wenn es in herkömmliche Leichtwasserreaktoren eingebracht wird, zu 97% aus Uran 238 und zu 3% aus Uran 235. Es gibt auch andere Zusammensetzungen, aber hier soll mit diesen Werten beispielhaft weitergearbeitet werden. Uran 235 stellt den eigentlichen Brennstoff dar. Durch seine Spaltung wird die Energie zur Produktion von Elektrizität freigesetzt.

Schon nach etwa drei Betriebsjahren ist ein solches Brennelement wieder aus dem Kraftwerk zu entfernen. Einerseits verschleißt die vor dem Wasser im Reaktorkern schützende Zirconium-Hülle, andererseits sammeln sich neutronenfangende Spaltprodukte an, die die Aufrechterhaltung der Kettenreaktion durch die bei der Spaltung von Uran 235 freiwerdenden Neutronen erschweren.

In dieser Zeit haben Kernreaktionen in verwirrender Vielfalt die Zusammensetzung des Brennelements verändert. Die Spaltprodukte selbst decken nahezu das gesamte bekannte Periodensystem ab, weit mehr als 500 vorwiegend hochradioaktive und kurzlebige Substanzen sind entstanden. Auch das Uran 238 hat Neutronen eingefangen und sogenannte Actinoide oder Transurane geformt. Stoffe wie Plutonium, Americium, Curium und Neptunium.

Zur Vereinfachung der weiteren Betrachtung wird von einer sicheren Aufbewahrung des Brennelements für weitere zehn Jahre ausgegangen. Technisch ist das durchaus machbar, Abklingbecken in den herkömmlichen Reaktoren kämen hierfür in Frage.

Die weitaus meisten Spaltprodukte sind nach dieser Zeit nicht mehr vorhanden, sie sind weiter zu langlebigeren Nukliden oder zu stabilen Metallen zerfallen. Die folgende Abbildung zeigt die jetzt vorliegende Zusammensetzung des betrachteten Brennelements. Die gedanklich vorgenommene Aufteilung in die einzelnen Stoffgruppen bezeichnet man als “Partitionierung”.

Änderungen in der Zusammensetzung eines Brennelements nach drei Jahren Betrieb und zehn Jahren Lagerung

Nur mehr 17 verschiedene Isotope verbleiben als Spaltprodukte. Die Angaben in der Tabelle umfassen ihre Halbwertszeiten, ihre Massen in Kilogramm, bezogen auf eine Tonne des Ausgangsgemisches von Uran 235 und Uran 238, und ihren Absorptionsquerschnitt in Barn.

Als physikalische Einheit entspricht ein Barn einer Fläche von 10^-28 m², dies ist in etwa der geometrische Querschnitt eines Uran-Atoms. In der Kernphysik wird durch diese Einheit die Neigung von Atomkernen charakterisiert, freie Neutronen einzufangen und sich dadurch in andere Kerne umzuwandeln, zu transmutieren. Grob kann man für Absorptionsquerschnitte größer als 1 Barn die Wahrscheinlichkeit einer solchen Reaktion als ausreichend hoch ansehen, daß sie auch entsprechend häufig stattfindet. Darunter wird eine Transmutation entsprechend unwahrscheinlicher und damit seltener.

In einem Brennelement nach drei Jahren Betrieb und zehn Jahren Lagerung verbliebene Spaltprodukte

Wie man sich eine solche Kernumwandlung vorstellen kann, zeigt das folgende Bild. Ein langlebiges Isotop, hier Technetium 99, fängt ein Neutron ein und verwandelt sich dadurch in einen sehr viel kurzlebigeren Kern, der entsprechend zügig zu einem stabilen Metall zerfällt.

 

Transmutation eines Spaltproduktes

Auf diese Weise können fast alle der nach zehn Jahren verbliebenen Spaltprodukte umgewandelt werden. Auch und gerade langlebige Stoffe wie Cäsium 135, Iod 129 und Palladium 107. Wenn man sie einem entsprechenden Strom freier Neutronen aussetzt.

Und wenn man es denn unbedingt will. Denn eines sollte man berücksichtigen: Besonders gefährlich und damit schwierig in der Handhabung sind diese Stoffe nicht. Erstens ist es ein weit verbreitetes Fehlurteil, gerade langlebige radioaktive Stoffe wären problematisch. Tatsächlich sind diese deswegen langlebig, weil sie nur selten zerfallen und damit nur wenig Radioaktivität entwickeln. Uran und Thorium mit Halbwertszeiten von einigen Milliarden Jahren sind beste Beispiele. Zweitens sind einige der Spaltprodukte, insbesondere Technetium 99, von hoher Bedeutung für die Nuklearmedizin. Und drittens sind diese Stoffe nicht giftig.

Das Problem der in dem betrachteten Brennelement durch Neutroneneinfang von Uran 238 erbrüteten Transurane (Übersicht in der folgenden Tabelle) ist nämlich genau letzteres. Als Alpha-Strahler ließe  sich ihre durchaus nicht besondere hohe Radioaktivität einfach abschirmen. Aber sie sind hochtoxisch, selbst geringste Mengen können biologische Organismen vergiften und töten. Deswegen müssen sie, sollte man sie nicht erneut zur Energiegewinnung einsetzen wollen, für lange Zeiträume von zehn bis hunderttausenden von Jahren sicher von der Umwelt getrennt gelagert werden. Nicht die Spaltprodukte, auch nicht die langlebigen unter diesen, sind die Ursache der Endlagerproblematik, sondern die Actinoide. Deswegen, und dies ist wichtig hinsichtlich der Argumentation der Greentec-Macher, werden im allgemeinen Sprachgebrauch der Öffentlichkeit auch nur diese als “langlebiger Atommüll” bezeichnet.

In einem Brennelement nach drei Jahren Betrieb und zehn Jahren Lagerung verbliebene Brutprodukte

Glücklicherweise weisen alle entstandenen Actinoide sehr hohe Absorptionsquerschnitte auf. Man kann sie also transmutieren. Dabei können Isotope entstehen, die sogar noch langlebiger sind. Das folgende Bild zeigt dies am Beispiel von Plutonium 240, das sich über zwei Zwischenschritte in Neptunium 237 verwandelt. Aber sowohl dieses, als auch die Zwischenprodukte Plutonium 241 und Americium 241, sind wiederum spaltbar. Es ist ein kombinierter Prozeß aus Transmutation via Neutroneneinfang und Spaltung, in dem aus den Transuranen zunächst harmlosere Spaltprodukte und schließlich stabile Metalle produziert werden können. Zu letzteren gehören übrigens die folgenden Elemente, von denen einige durchaus wertvoll für industrielle Anwendungen sind: Rubidium, Zirconium, Molybdän, Ruthenium, Palladium, Antimon, Tellur, Cäsium, Barium, Cer, Neodym, Samarium, Europium, Gadolinium.

Transmutation von Actinoiden

Der Atommüll und der DFR

Ideal wäre also eine Maschine, die in hoher Zahl freie Neutronen liefert (und das auch noch in einem möglichst breiten energetischen Spektrum), um die erforderlichen Transmutationen und Spaltungen zur Vernichtung nuklearer Reststoffe in der oben beschriebenen Weise durchführen zu können. Zielführend wäre diese Maschine, wenn sie dies erledigen könnte, ohne neuen langlebigen Atommüll, also ohne neue Transurane, zu produzieren. Und perfekt wäre diese Maschine, wenn auch die Partitionierung in ihr möglichst einfach und möglichst sortenrein gelingen könnte. Der Dual Fluid Reaktor hat das Potential, genau eine solche Maschine zu sein. Mit Thorium betrieben, kann er freie Neutronen liefern, ohne neue Transurane zu erbrüten. Im flüssigen Salz gelöst, lassen sich nukleare Abfälle durch eine Art Destillation relativ einfach sortenrein trennen. Natürlich, zum Ende der Betriebszeit enthält auch er noch radioaktives Material. Denn vor allem Cäsium 137, ein Hauptbestandteil der Spaltprodukte, ist nur schwer transmutierbar. Nach zehn Halbwertszeiten, so die Faustregel, sind Menge und damit Strahlungsintensität eines solchen Materials auf Größenordnungen gesunken, die keine weitere spezielle Lagerung mehr erfordern. So erklären sich zwanglos die 300 Jahre, von denen das DFR-Team immer spricht.

Technische Einordnung des DFR als Maschine zur Vernichtung nuklearen Abfalls

Die Angaben, die das IFK in seinem Teilnahmeantrag gemacht hat, sind durchaus korrekt. Der Widerspruch seitens der Greentec-Veranstalter läßt vordergründig vor allem mangelnde fachliche Kompetenz erkennen, die offensichtlich auch in der Jury nicht in ausreichendem Maß vorhanden war. Beim Studium der vorliegenden Pressemitteilungen und sonstigen Äußerungen wird außerdem erkennbar, daß man davon ausgeht, auch die Befürworter des DFR, auch die, die ihn in der Online-Abstimmung nominiert haben, wären getäuscht worden. Sein eigenes Unwissen in dieser Form auf Dritte zu projizieren, stellt aus meiner Sicht ein wesentliches Element des Vorganges dar. Es war und ist den Greentec-Machern scheinbar nicht in den Sinn gekommen, daß die Online-Voter es besser wußten. Die journalistische Berichterstattung der letzten Tage und Wochen bestätigt das IFK zusätzlich. Wie die Greentec-Awards verdeutlichen, ist es manchmal eben doch eine Mischung aus Inkompetenz und Ignoranz, die die Ablehnung von Fortschritten in der Kerntechnik begründet.

Kernenergie für einen Umweltpreis?

Der DFR ist zunächst nur eine Idee, eine durch ein Patent belegte Erfindung. Mehr war in der Kategorie “Galileo Wissenspreis” auch nicht verlangt. Daß er auf dem bereits bekannten Konzept des Flüssigsalzreaktors aufbaut, ist ebenfalls passend, denn die Veranstalter selbst schreiben “Die Erfindung ist neu oder kombiniert Dinge, die es schon gibt, zu etwas Neuem.” Tatsächlich spielt auch “Technik” bei der Erfindung eine wesentliche Rolle und eine klare Vorstellung darüber, wie man die Zukunft verändern könne, hat das IFK-Team ebenfalls geäußert. Weder existiert eine Welt ohne Leichtwasserreaktoren, noch eine solche ohne die radioaktiven Reststoffe, ohne den “langlebigen Atommüll”, den diese erzeugen. Wer auch immer eine Idee für den Umgang mit selbigen entwickelt, die das Problem heute löst und nicht nachfolgenden Generationen überläßt, handelt daher “nachhaltig”. Plutonium et al. aus der Umwelt durch Vernichtung zu entfernen, kann gerade aus Sicht engagierter Umweltbewegter nur als “umweltfreundlich” angesehen werden.

Vorgaben für den Galileo-Wissenspreis: durch den DFR alle erfüllt

Legal oder Illegal?

Vor diesem Hintergrund die Bewerbung des IFK als bewußte Provokation anzusehen, verrät eigentlich nur, daß es den Greentec-Machern mit ihren eigenen Zielen nicht allzu ernst sein kann. Aber ist ein solches Projekt vor dem Hintergrund des deutschen Atomausstieges überhaupt legal? Es wäre in der Tat den Veranstaltern kaum zuzumuten, etwas, das gegen geltende Gesetze verstößt, präsentieren oder gar prämieren zu müssen. Der entscheidende Absatz 1 des Paragraphen 7 desAtomgesetzes lautet:

Wer eine ortsfeste Anlage zur Erzeugung oder zur Bearbeitung oder Verarbeitung oder zur Spaltung von Kernbrennstoffen oder zur Aufarbeitung bestrahlter Kernbrennstoffe errichtet, betreibt oder sonst innehat oder die Anlage oder ihren Betrieb wesentlich verändert, bedarf der Genehmigung. Für die Errichtung und den Betrieb von Anlagen zur Spaltung von Kernbrennstoffen zur gewerblichen Erzeugung von Elektrizität und von Anlagen zur Aufarbeitung bestrahlter Kernbrennstoffe werden keine Genehmigungen erteilt. Dies gilt nicht für wesentliche Veränderungen von Anlagen oder ihres Betriebs.

Nein, das Nachdenken über Kernenergie, das Erforschen und Entwickeln neuer Konzepte werden durch das Atomgesetz nicht eingeschränkt. Forschungsreaktoren sind weiterhin genehmigungsfähig. Man sollte sich realistisch eingestehen: Viel weiter wird das DFR-Projekt in den nächsten Jahren nicht kommen. Die Frage nach der „gewerblichen Erzeugung von Elektrizität“ stellt sich derzeit nicht. Auch nicht in Verbindung mit der Teilnahme an den Greentec-Awards. Man kann ihn als „Neutronenquelle zur Transmutation“ verstehen, an die man gar keinen Generator anschließt. „Wiederaufarbeitung“ ist ein chemischer Prozeß ohne Kernumwandlungen, durch den aus alten Brennelementen wieder neue hergestellt werden. Auch dieses Verbot trifft den DFR nicht. Das Vorhaben fällt nicht unter das Atomgesetz und ist daher auch nicht illegal.

Keine Frage, mich interessieren solche Umweltpreise, die eigentlich nur den Rahmen für einen gepflegten Umtrunk in Smoking und Abendkleid darstellen, eher wenig. Ich finde es auch nicht so spannend, welche Rechte und Pflichten Veranstalter und Teilnehmer nach dem BGB haben oder nicht haben. Bedeutend scheint mir die Verwendung einer öffentlichkeitswirksamen Plattform zur Verbreitung von Unwahrheiten über die Kerntechnik zu sein. Warum eigentlich beharren die Greentec-Macher auf ihrer inhaltlich unhaltbaren Position, wo doch selbst ihr Medienpartner „Wirtschaftswoche“ dieser in wohltuend sachlicher Form widerspricht? Wie das IFK auf seiner Facebook-Seite schreibt, wurde das Heft mit dem Bericht über den DFR auch noch an alle Besucher der Gala verteilt. Sind es vielleicht doch einzelne, ideologisierte Mitglieder der Jury, denen man sich verpflichtet fühlt? Ich erwarte ein Ende dieser Farce durch die Hauptverhandlung vor dem Berliner Kammergericht.

Profitiert haben dann tatsächlich alle. Noch nie haben sich so viele Menschen an der Online-Abstimmung der Greentec-Awards beteiligt, noch nie hat dieser Wettbewerb so viel Aufmerksamkeit im Web erfahren.  Auch hier bei uns haben alle Berichte zum Thema sehr hohe Zugriffszahlen. Über den DFR wird in führenden Wirtschafts- und Technologiezeitschriften berichtet, langsam aber sicher entsteht der Nährboden für eine Zukunft der Kerntechnik auch in Deutschland.

Wahrscheinlich wird man nie erfahren, welches Ziel die Greentec-Macher mit ihrer Aktion eigentlich verfolgten. Geburtshelfer für eine neue Graswurzelbewegung zugunsten der Kernkraft in Deutschland wollten sie sicher nicht sein. Manchmal sind Beziehungen zu Unbekannten eben folgenreicher, als man denkt.

Hinweis: Die oben in den Tabellen verwendeten Daten sind das Ergebnis einer aufwendigen Recherche. Es ist nicht einfach, genaue Zahlen über die Zusammensetzung von gebrauchten Brennelementen zu bekommen, weil offenbar niemand, der über solche verfügt, diese als wichtig für die Debatte ansieht. Zum Teil findet man auch grob unterschiedliche Angaben in verschiedenen Veröffentlichungen, vor allem hinsichtlich der Absorptionsquerschnitte (welche natürlich auch für „schnelle“ und thermische Neutronen unterschiedlich sind, zusätzliche Erläuterungen dazu schienen mir für diesen Beitrag zu tiefgehend). Ich habe mich bemüht, die vertrauenswürdigsten Quellen herauszufinden und stütze mich in meinen Aussagen vor allem auf Kirk Sorensens „Energy from Thorium“-Webseite und die Joint Evaluated Fission and Fusion Database (JEFF 3.1) der Nuclear Energy Agency NEA. Sollte jemand über andere, ggf. bessere und vollständigere Daten verfügen, bitte ich um Hinweise im Kommentarbereich. Vor allem die fehlenden Massenanteile der Spalt- und Brutprodukte wären von Interesse. Letztendlich soll auch dieser Text nicht etwa ein abschließender enzyklopädischer Beitrag sein, sondern interessierte Leser zu eigenen Gedanken und eigenen Recherchen anregen.