Die Welt braucht sehr viel Energie. Die technologische Entwicklung erfordert heute viel mehr Energie als bisher erzeugt wurde. Daten zeigen, dass je größer das BSP ist, desto größer ist die Energieproduktion und der Energieverbrauch pro Kopf, und je größer die Energieproduktion, desto höher die Lebenserwartung. Die häufigste Energieproduktion basiert auf der Verbrennung von Fossilien (Holz, Kohle, Öl, Erdgas), aber diese natürlichen Ressourcen werden bald erschöpft sein oder unerschwinglich teuer werden. Die aktuellen Schätzungen variieren von etwa 50 bis 150 Jahren. Früher oder später werden wir andere Energieformen brauchen. Könnte Kernenergie die Antwort sein?

Alle natürlichen Ressourcen wie Geothermie, Windkraft, Solarenergie usw. sind mit hohen Kosten verbunden und erfordern aufgrund des intermittierenden Charakters von Wind- oder Solarenergie eine starke Unterstützung in Form zuverlässiger Grundlastenergiesysteme. Wasserkraft ist eine wichtige und günstige Energiequelle und kann als Grundlastsystem stetig betrieben werden, aber ihre Ressourcen sind begrenzt und in vielen Ländern wurden diese Ressourcen bereits bis zur Erschöpfung genutzt.

Wir haben bereits eine großartige, hocheffiziente (mehr als jede andere!), Energiequelle zur Hand – nämlich Kernkraft. Derzeit werden etwa 16% der weltweit produzierten elektrischen Energie durch Kernkraft erzeugt. Diese Energie kann den Energiebedarf der Menschheit für Tausende von Jahren decken – und sogar noch besser: Es wird geschätzt, dass Brutreaktoren Energie für bis zu einige Milliarden Jahre liefern können! Die Gesamtproduktionskosten elektrischer Energie aus Kernkraftwerken, einschließlich der Kosten für Sicherheitssysteme, Schutz gegen die Verbreitung spaltbarer Materialien, zukünftige Reaktorenstilllegung und Kosten für die Behandlung und den Schutz von Nuklearabfällen, haben sich als eine der niedrigsten unter verschiedenen Energiequellen erwiesen.

Die Kernenergieerzeugung verursacht keine Umweltverschmutzung und trägt nicht zur globalen Erwärmung bei. Es wäre daher eine schreckliche Ressourcenverschwendung, wenn die Menschheit Kernenergie nicht umfassend nutzen würde. Das technische Problem besteht darin, sie so sicher wie möglich zu nutzen. Zum Beispiel spart jede 22 Tonnen Uran, die für Strom verwendet werden, die Emission von etwa einer Million Tonnen Kohlendioxid, die durch den äquivalenten Einsatz von Kohle entstehen würden.

Es gibt Risiken, die mit der Möglichkeit eines schwerwiegenden Reaktorversagens, der freigesetzten ionisierenden Strahlung, dem Umgang mit Nuklearabfällen und der Verbreitung spaltbarer Materialien verbunden sind. Die Bewertung dieser Risiken ist jedoch eine schwierige Aufgabe, da sie nicht unter die allgemeine Klasse der „freiwilligen" Risiken fallen. Für eine grobe Vorstellung können wir jedoch die „Todesfälle pro erzeugter elektrischer Energie" betrachten. Der konventionelle Kohlebergbau und Ölquellenunfälle zusammen mit der Luftverschmutzung durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe führen zu einem Risikofaktor, der etwa 40 Mal höher ist als die gesamte Nuklearindustrie von der Uranförderung bis zu potentiellen Ausfällen von Kernkraftwerken zusammen. Ein einzelner Dammbruch oder einfacher Unfall in einer Chemieanlage kann bis zu Tausende von Menschen töten, während bei dem, was wahrscheinlich die schlimmste (und sehr einzigartige) Katastrophe in der gesamten Geschichte der Kernkraft war, Tschernobyl, nur 31 Menschen getötet wurden, 28 davon durch eine große Dosis absorbierter Strahlung. Das gesamte US-Atomprogramm trägt ein Risiko, das ähnlich dem ist, die Autobahngeschwindigkeitsbegrenzung von 80 km/h auf 81 km/h zu erhöhen!

Die Grafik links zeigt die relativen Risiken (gemessen als Todesfälle pro TWh produzierter Energie) verschiedener Energiequellen: (Bildquelle: www.adamsmith.org)

Beim jüngsten Ausfall des Kernkraftwerks Fukushima gab es eine massive Freisetzung radioaktiven Materials in die Umwelt, und Experten sagen voraus, dass es in den nächsten 50 Jahren eine signifikante Zunahme der Krebsfälle in der lokalen Bevölkerung geben wird. Die unmittelbare Todesopferzahl durch Strahlung war jedoch null.

Wir wissen inzwischen, dass bei der Spaltung radioaktive Kerne erzeugt werden. Die Anzahl der Neutronen im Uran (143 oder 146) übersteigt bei weitem die Anzahl der Protonen (92), was es relativ stabil macht (die Lebensdauer von ²³⁸U beträgt 4,5 Milliarden Jahre, und die Lebensdauer von ²³⁵U beträgt 1,3 Milliarden Jahre). In kleineren Kernen ist das Neutron-Proton-Verhältnis, das für ein stabiles Isotop erforderlich ist, niedriger. Wenn also der Kern in kleinere aufgeteilt wird, ist die Anzahl der Neutronen in jedem Fragment größer als für seine Stabilität erforderlich. Das bedeutet, dass die Spaltungsprodukte instabil, d.h. radioaktiv sind – und viele von ihnen haben lange Lebensdauern.

Zusätzlich zu den Spaltungsprodukten werden transurane Elemente auch durch Neutroneneinfang im Kernbrennstoff erzeugt. Angenommen ein schnelles Neutron wird von ²³⁸U eingefangen. Dann, nach zwei Beta-Zerfällen, wird ²³⁹Pu gebildet – ein spaltbares Element, das in Brutreaktoren als Brennstoff dient (dann sprechen wir vom Uran-Plutonium-Kreislauf). Dasselbe Isotop wird jedoch in einem PWR-Reaktor zum Nuklearabfall. Man muss auch bedenken, dass während des Reaktorbetriebs die Baumaterialien des Reaktors aktiviert werden (ein typisches Produkt einer solchen Aktivierung ist ⁶⁰Co) und ordnungsgemäß gehandhabt werden müssen.

Klassifizierung von Nuklearabfällen:

Typ	Nach Volumen	Nach Radioaktivitätsgehalt
Hochradioaktive Abfälle	3%	95%
Mittelradioaktive Abfälle	7%	4%
Schwachradioaktive Abfälle	90%	1%

Hochradioaktive Abfälle machen nur 3% des Gesamtvolumens der aus der Kernstromerzeugung resultierenden Abfälle aus, enthalten aber 95% der Radioaktivität. Schwachradioaktive Abfälle machen 90% des Gesamtvolumens radioaktiver Abfälle aus, enthalten aber nur etwa 1% der Radioaktivität.

Nuklearabfälle stellen ernsthafte technologische Probleme dar, die gelöst werden müssen, um Kernkraft für die Öffentlichkeit sicher zu machen. Im Gegensatz zu Kohle, Öl oder Gas verbrennt Kernbrennstoff nie vollständig. Dies liegt daran, dass während des „Verbrennungs"-Prozesses eine Reihe von Kernen entsteht, die Neutronen stark absorbieren. Mit der Zeit werden die bei der Spaltung erzeugten Neutronen größtenteils von Produkten früherer Reaktionen absorbiert. Die Vervielfachung ihrer Anzahl in einem einzigen Spaltungsakt reicht nicht aus, um die Kettenreaktion aufrechtzuerhalten. Dann kann das Brennelement nicht mehr als Brennstoff dienen und wird zu hochradioaktivem Nuklearabfall.

Darüber hinaus sind die Halbwertszeiten der bei der Spaltungsreaktion erzeugten Elemente oft so lang wie Zehntausende oder sogar Hunderttausende von Jahren, sodass bei der Lagerung solcher Abfälle besondere Sorgfalt walten muss und sie für eine sehr, sehr lange Zeit sicher gelagert werden müssen. Dies schafft ernsthafte soziale, politische und regulatorische Probleme für die Entsorgung dieser Abfälle.

In Forschungsreaktoren, die nicht so viel abgebrannten Brennstoff erzeugen, ist der einfachste Weg die Verwendung eines Wasserspeichertanks, der sich normalerweise neben dem Reaktorbecken befindet. Der abgebrannte Brennstoff kann so lange gelagert werden, wie die Korrosion in den Brennstoffhüllen es erlaubt, normalerweise etwa 30-40 Jahre. In der Zwischenzeit sinkt die Temperatur der abgebrannten Brennstäbe und natürliche Zerfallsprozesse machen ihre Aktivität niedriger. Weitere 40 oder 50 Jahre Lagerung müssen vergehen, bevor die Aktivität des abgebrannten Brennstoffs niedrig genug wird, um ihn zum endgültigen Nuklearabfall-Repository zu schicken.

Im Fall von Kernkraftwerken können ähnliche Methoden angewendet werden. Jedoch wird nach einigen Jahren der Lagerung des abgebrannten Brennstoffs im Wassertank der Brennstoff in Wiederaufbereitungsanlagen verlagert, wo er einem chemischen Prozess unterzogen werden kann, bei dem spaltbare Elemente (Uran und Plutonium und andere Transuranelemente) gewonnen und schließlich bei der Herstellung von frischem Reaktorbrennstoff verwendet werden. Das verbleibende Material, meist in flüssiger Form, wird verglast, in riesigen metallischen Behältern (Castern) verpackt und zum Repository geschickt. Diese Technologie ist nicht sehr weit verbreitet, da sie eine High-Tech-Umgebung erfordert. Wenn der abgebrannte Brennstoff nicht wiederaufbereitet wird, muss er direkt in geeigneten Metallcastern in speziellen Tieflager unter der Erde gelagert werden: zum Beispiel in alten Salzbergwerken, Tonen oder Granitgestein.

Die Lagerung von Nuklearabfällen in Tiefen von 500-1000 m unter der Erde bietet höhere Sicherheit als die oberirdische Lagerung. Die nach, sagen wir, einem 1000-jährigen Zeitraum abgegebene Strahlung wird auf dem Niveau der natürlichen Strahlung in den ersten 1000 m der Erdkruste liegen. Wenn wir natürlich lernen, Nuklearabfälle zu transmutieren und zu verbrennen, wird das Problem noch leichter zu lösen sein. Tiefe Lagerung stellt keine wirkliche Gefahr für Menschen dar, die in der Nähe der Lagerstätten leben, es sei denn, jemand versucht versehentlich, das Gelände für einen anderen Zweck zu nutzen und beginnt zu bohren. Selbst in einem solchen Fall würde die Gefahr jedoch lokal bleiben und sicherlich keine globalen Ausmaße erreichen.

Wenn die Gefahren im Zusammenhang mit industriellen Nuklearabfällen diskutiert werden, vergisst man oft, dass die Erdkruste selbst viele radioaktive Elemente enthält, die kontinuierlich zur Oberfläche diffundieren und Teil des natürlichen radioaktiven Hintergrunds bilden.

Wie die obige Abbildung zeigt, tragen Nuklearabfälle nur einen kleinen Anteil zur Hintergrundstrahlung bei. Zum Beispiel werden alle bis zum Jahr 2000 angesammelten radioaktiven Abfälle, die 500 Jahre lang abkühlen durften, eine Aktivität aufweisen, die der natürlichen Radioaktivität einer 30x30x2 km großen Bodenscheibe entspricht (2 Kilometer ist die typische Tiefe eines unterirdischen Abfall-Repositories).

Man beginnt mit dem Abbau von Uranerz. Das Erz wird dann zerkleinert und zu feinem Pulver gemahlen. Schließlich durchläuft es einen chemischen Prozess, der es ermöglicht, Uran vom Erz zu trennen. Dadurch wird Uranoxid U₃O₈ gewonnen. Um ein Kernkraftwerk zu betreiben, das, sagen wir, 1000 MW elektrische Leistung erzeugt, benötigt man etwa 200 Tonnen U₃O₈ pro Jahr.

Der nächste Schritt besteht in der Anreicherung von Uran mit ²³⁵U. Der Prozess beginnt mit der Umwandlung des Triuraniumoctoxids in gasförmiges Uranhexafluorid (UF₆). Hochgeschwindigkeitszentrifugen werden verwendet, um das Gas in zwei Teile zu trennen: Das Entfernen von ²³⁸U macht einen Strom an ²³⁵U angereichert, während ein anderer an ²³⁵U abgereichert ist. Das erste wird für die Herstellung von Kernbrennstoff verwendet, während das letztere, „abgereichertes Uran", beispielsweise in metallischer Form als sehr effektiver Schutz gegen Gammastrahlung verwendet werden kann.

Nach dem Verbrennen des Brennstoffs in einem Kernreaktor wird der abgebrannte Brennstoff gelagert und dann entweder zur Rückgewinnung spaltbarer Elemente (²³⁵U und ²³⁹Pu) wiederaufbereitet oder zur Langzeitlagerung ohne Wiederaufbereitung vorbereitet.

Es gibt einen starken Anreiz, das Volumen und die Radiotoxizität von hochradioaktiven Abfällen (HLW), die zur Tiefenlagerung bestimmt sind, um einen Faktor von 100 oder mehr zu reduzieren. Es stellt sich heraus, dass etwa 97% des abgebrannten Brennstoffs recycelt werden können, der Rest verbleibt als hochradioaktiver Nuklearabfall. Das gewonnene Uran enthält nur etwa 1% ²³⁵U (sogenanntes „abgereichertes Uran"). Neben der geologischen Lagerung besteht auch Interesse an Partitionierungs- und Transmutationstechnologien (P&T), die eine Trennung von Aktiniden (insbesondere Pu), sogenannten kleinen Aktiniden (Np, Am und Cm) und einigen langlebigen Spaltprodukten ermöglichen würden, um sie in kurzlebige oder sogar stabile Produkte umzuwandeln.

Straßentransport von abgebranntem Kernbrennstoff in Japan (Bildquelle: The Energy Library):

Entgegen der landläufigen Meinung ist der Transport abgebrannter Brennstoffe nicht gefährlich. Wir stellen fest, dass allein in den USA in den letzten 40 Jahren etwa 3000 Transporte von abgebranntem Brennstoff verzeichnet wurden. Dieser Brennstoff wurde per Lkw und Bahn über eine Gesamtstrecke von etwa 2,5 Millionen Kilometern transportiert, ohne dass ein einziger Unfall passierte. Auch in Europa ereigneten sich während keines Transports abgebrannter Brennstoffe Unfälle. Die Sicherheit wird weitgehend durch schwere (~120 Tonnen) Stahlcaster gewährleistet, die beim Transport verwendet werden. Typische Wände sind etwa 50 cm dick – etwa 15 Mal mehr als bei Behältern für Benzintransport. Für jede Tonne abgebrannten Brennstoffs wird typischerweise dreimal so viel Material für den Behälter und den biologischen Schutz verwendet. Solche Behälter sind so gebaut, dass sie einem 30-minütigen Brand und einem Fall von 9 m auf Beton standhalten. Sie sind sogar so gebaut, dass sie einem Zusammenstoß mit einem Düsenflugzeug standhalten! In jedem Behälter befinden sich nie mehr als 9-12 abgebrannte Brennelemente. In jüngerer Zeit wurde mit der Modifizierung des Casterbaus begonnen, um sie gegen mögliche Terrorangriffe widerstandsfähig zu machen.

Neben Nuklearabfällen aus Kernreaktoren und militärischen Aktivitäten werden Nuklearabfälle überall dort erzeugt, wo nukleare Strahlungsquellen verwendet werden. Sie stammen aus Krankenhäusern (mit Nuklearmedizin- und Strahlentherapiestationen), aus universitärer und industrieller Forschung, aus dem industriellen Einsatz von Quellen (z.B. in der Papierindustrie, in Uran- und Kohlebergwerken, Rauchmeldern usw.). Im Gegensatz zum abgebrannten Brennstoff weisen diese Abfälle ausschließlich niedrige oder mittlere Aktivität auf und haben meist vernünftig kurze Lebensdauern. Solche Abfälle werden in der Regel kompaktiert, bevor sie schließlich in speziellen Behältern gelagert werden, die das Auslaufen radioaktiver Materialien in die Umwelt verhindern.

Es gibt einige mögliche Alternativen zur Langzeitlagerung von Nuklearabfällen. Transmutation ist ein Prozess der Umwandlung eines langlebigen radioaktiven Isotops durch Neutroneneinfang in ein anderes, das eine kürzere Halbwertszeit hat oder möglicherweise sogar stabil ist. Im Gegensatz dazu ist Verbrennung ein Prozess, bei dem der Neutroneneinfang zur Bildung eines Isotops führt, das durch Spaltung zu einem stabilen Element zerfällt. Es wird intensiv daran gearbeitet, beide Arten von Reaktionen kommerziell effizient zu machen. Die beschleunigerbetriebenen Systeme und das Konzept des sogenannten Energieverstärkers geben uns die Hoffnung, dass die bisher angesammelten Nuklearabfälle und die noch anfallenden in kurzlebige Abfälle umgewandelt werden könnten, die leichter zu lagern sind.