Derzeit nutzen 31 Länder irgendeine Form von Kernenergie; die 455 aktuell in Betrieb befindlichen Reaktoren erzeugen rund 393.000 MW Strom. Das entspricht fast 20 % der weltweiten Energieproduktion. Trotz aufsehenerregender Katastrophen wie Tschernobyl, Three Mile Island und Fukushima zählt die Kernenergie tatsächlich zu den sichersten und saubersten Formen der Stromerzeugung und belegt hinsichtlich der Todesfälle pro erzeugter Kilowattstunde den letzten Platz . Ja, sogar hinter Solar- und Windenergie. Im Gegensatz zu Kohle und Öl emittiert die Kernenergie keine Treibhausgase und ist im Gegensatz zu Solar-, Wind- und Wasserkraft nicht von der geografischen Lage oder den lokalen Wetterbedingungen abhängig. Energieexperten prognostizieren daher, dass die Kernenergie, wenn das öffentliche Stigma abgebaut werden kann, insbesondere durch modernere Kernreaktoren, vor einem Comeback als grüne Energiequelle der Zukunft stehen könnte. Doch trotz ihrer vielen Vorteile hat die Kernenergie eine eklatante Achillesferse: radioaktiven Abfall. In den vergangenen vier Jahrzehnten hat die globale Atomindustrie rund 62.500 Tonnen Atommüll erzeugt, wobei jedes Jahr weitere 2.300 Tonnen hinzukommen, von denen ein Großteil über Tausende von Jahren gefährlich radioaktiv bleiben wird. Im Gegensatz zu anderen Arten von Industrieabfällen lässt sich nuklearer Abfall nicht in eine weniger gefährliche Form umwandeln, und angesichts des aktuellen politischen Klimas ist auch eine Wiederaufbereitung und ein Recycling eines Großteils davon nicht möglich. Nun gut, wie entsorgen wir es dann? Während die kommerzielle Kernenergie bereits seit fast 70 Jahren existiert, ist die dauerhafte Entsorgung nuklearer Abfälle eine überraschend junge Angelegenheit. In den Anfängen der Kernenergie gingen die Ingenieure davon aus, dass die Reaktoren mit einem ausgefeilteren Brennstoffkreislauf arbeiten würden, bei dem verbrauchter Brennstoff [Musik] wiederaufbereitet würde, um neue Brennelemente zu erzeugen und radioaktive Isotope für die Verwendung in der Medizin, der wissenschaftlichen Forschung und bei Kernwaffen zu entfernen. Es wurden auch umfangreiche Forschungen zu Brutreaktoren durchgeführt , die nicht spaltbare Isotope in spaltbare umwandeln und so mehr Brennstoff erzeugen, als sie verbrauchen. Zusammengenommen würden diese beiden Technologien relativ wenig hochradioaktiven Abfall erzeugen. Dieser Plan basierte jedoch auf der Annahme, dass die Uranreserven der Erde extrem begrenzt seien. Als sich herausstellte, dass Uran viel häufiger vorkomme als ursprünglich angenommen, wurde ein einmaliger Brennstoffkreislauf ohne Wiederaufbereitung wesentlich wirtschaftlicher. Gleichzeitig stellten Unternehmen wie Westinghouse und General Electric fest, dass es viel einfacher und kostengünstiger war, bestehende Reaktoren, die sie für U-Boote der US-Marine entwickelt hatten, zu vergrößern, als Brutreaktoren von Grund auf neu zu entwickeln. Da die Entwicklungskosten bereits von der US-Regierung subventioniert worden waren, konnten diese Reaktoren zu deutlich wettbewerbsfähigeren Preisen verkauft werden. Infolgedessen gerieten Wiederaufbereitungs- und Brutreaktoren in Vergessenheit, und schon bald häufte sich der Atommüll an . Nuklearer Abfall kann in drei grundlegende Kategorien unterteilt werden: niedrig-, mittel- und hochradioaktiv. Als schwach- und mittelradioaktiver Abfall gelten Materialien, die weniger als 300 Jahre lang gefährlich radioaktiv bleiben und hauptsächlich aus kontaminierten Materialien wie Lösungsmitteln, Werkzeugen, Laborgeräten aus Glas und Kleidung bestehen, die bei der Verarbeitung von Kernbrennstoffen verwendet werden. Aufgrund der geringen Aktivität und der kurzen Zerfallszeit ist dieser Abfall relativ einfach zu handhaben und wird typischerweise in abgeschirmten, überwachten Lagerbehältern vor Ort in Kernkraftwerken oder Verarbeitungsanlagen aufbewahrt. Sobald die Radioaktivität auf ein unbedenkliches Niveau abgeklungen ist, kann das Material wie viele andere Industrieabfälle entsorgt werden. Hochradioaktiver Abfall besteht hauptsächlich aus abgebrannten Brennstoffen aus Kernreaktoren und ist eine ganz andere Sache. Viele der Radionuklide in abgebrannten Brennstoffen können über Zehntausende von Jahren gefährlich radioaktiv bleiben . Da dies länger ist, als die menschliche Zivilisation, zumindest in ihrer gegenwärtigen Form, voraussichtlich überleben wird, muss jedes praktikable Entsorgungskonzept mit hoher Sicherheit verhindern, dass diese Radionuklide ohne menschliche Aufsicht oder Eingriffe in die Umwelt gelangen. Im Laufe der Jahre wurden eine Reihe von Entsorgungskonzepten vorgeschlagen, darunter die Entsorgung der Abfälle in Tiefseegräben, die Platzierung in tektonischen Subduktionszonen, damit sie in den Erdmantel gezogen werden, oder der Start ins Weltall. Allerdings wurden alle diese Vorschläge aus dem einen oder anderen Grund abgelehnt. Zum Beispiel sind die Ausfallraten moderner Raketen zwar niedrig, aber dennoch so hoch, dass ein Startfehler, der zu einer weitverbreiteten radioaktiven Kontamination führt, eine sehr reale und inakzeptable Möglichkeit darstellt. Darüber hinaus verbieten das Londoner Übereinkommen von 1972 und das Basler Übereinkommen von 1992 ausdrücklich die Entsorgung radioaktiver Abfälle in den Ozeanen. Folglich basieren alle gegenwärtigen Abfallentsorgungssysteme auf der tiefen geologischen Vergrabung. Die fortschrittlichsten dieser Projekte sind derzeit die finnischen Onkalo- und die schwedischen Forsmark- Archive, und genau diese Entsorgungsmodelle werden wir heute besprechen. Um zu verstehen, wie die Tiefenlagerung funktioniert, ist es zunächst notwendig, die Zusammensetzung und das Verhalten der in abgebrannten Kernbrennstoffen enthaltenen Radionuklide zu verstehen. Abgebrannte Brennelemente enthalten vier grundlegende Arten von Radionukliden. Das erste davon sind die Überreste des Treibstoffs selbst. Typischer Reaktorbrennstoff wird so angereichert, dass er etwa 3 % des spaltbaren Isotops Uran- 235 enthält, der Rest besteht aus dem nicht spaltbaren Isotop Uran-238. Mit dem Verbrauch des Brennstoffs im Reaktor sinkt der U-235- Gehalt auf etwa 0,8 %. Dies sind einige der langlebigsten Radionuklide im abgebrannten Brennstoff; U-235 hat eine Halbwertszeit von 704 Millionen Jahren und U-238 von 4,5 Milliarden Jahren. Die nächsten Bestandteile im abgebrannten Brennstoff sind die Spaltprodukte. Es handelt sich dabei um leichte Elemente, die bei der Kernspaltung von Uranatomen entstehen und Halbwertszeiten von 8 Stunden für Xenon-135 bis zu 15 Millionen Jahren für Jod- 129 aufweisen. Die kurzlebigsten Spaltprodukte sind hochradioaktiv und setzen eine große Menge an Zerfallswärme frei. Tatsächlich ist es sogar so, dass sich die Nachzerfallswärme auch nach der Abschaltung eines Reaktors aufbauen und bei Ausfall des Kühlsystems zu einer Kernschmelze führen kann. Deshalb werden abgebrannte Brennelemente nach ihrer Entnahme aus dem Reaktor sofort in aktiv gekühlte Lagerbecken gelagert. Das Wasser im Becken führt die Zerfallswärme ab und schützt die Anlagenbediener vor ionisierender Strahlung, wodurch der Brennstoff bis zu 6 Jahre lang gelagert werden kann, bis die meisten kurzlebigen Spaltprodukte zerfallen sind. Trotz des routinemäßigen Charakters der Lagerung in Abklingbecken ist dies tatsächlich einer der heikelsten und gefährlichsten Schritte im Prozess der Brennstoffentsorgung, da ein Ausfall des Kühlsystems des Beckens zu schwerwiegenden Konsequenzen führen kann, wie es bei der Nuklearkatastrophe von Fukushima Daiichi im Jahr 2011 der Fall war . Als das Erdbeben und der darauffolgende Tsunami die Notstromversorgung des Kraftwerks unterbrachen, führte der fehlende Kühlmechanismus dazu, dass sich die abgebrannten Brennelemente in den Lagerbecken überhitzten. Dabei entstand Wasserstoffgas, das sich ansammelte, entzündete und das Dach des Gebäudes abriss. [Musik] Eine weitere Kategorie von Radionukliden, die in abgebrannten Brennstoffen gefunden werden, sind die Aktiniden oder Transurane. Hierbei handelt es sich um schwere Elemente, die entstehen, wenn U-238 Neutronen aus der Kernreaktion absorbiert . Diese weisen tendenziell relativ lange Halbwertszeiten auf, die von 432 Jahren für amerikanisches Plutonium-241 bis zu 379.000 Jahren für Plutonium-242 reichen. Und schließlich gibt es noch die Aktivierungsprodukte, die durch die Neutronenaktivierung nicht-radioaktiver Strukturmaterialien wie der Zirkoniumhülle der Brennelemente entstehen. Das häufigste und langlebigste dieser Elemente ist Chlor 36 mit einer Halbwertszeit von 300.000 Jahren. Wichtig ist hierbei anzumerken, dass die Halbwertszeit allein kein genaues Bild davon liefert, wie lange ein bestimmtes Isotop gefährlich radioaktiv bleibt. Viele Nuklide zerfallen nicht sofort in stabile Isotope, sondern durchlaufen eine lange Zerfallskette, bei der ein radioaktives Isotop in ein anderes radioaktives Isotop zerfällt und so weiter. Die Halbwertszeiten der intermediären Tochternuklide reichen von 4 Mikrosekunden bis zu 160.000 Jahren. Zum Beispiel besitzt Neptunium 237 eine 13-stufige Zerfallskette, die im stabilen Isotop Thallium 205 endet, wobei die Halbwertszeiten der intermediären Tochternuklide zwischen 4 Mikrosekunden und 160.000 Jahren liegen. Viele dieser Tochternuklide sind deutlich radioaktiver als Neptunium, was in Verbindung mit der langen Halbwertszeit von Neptunium von 2 Millionen Jahren bedeutet, dass die gesamte Zerfallsreihe über 10.000 Jahre lang umweltgefährdend bleiben wird. Aktuell wird der aus den Kühlbecken entnommene Kernbrennstoff in abgeschirmte Trockenbehälter gefüllt und in überwachten Lagern vor Ort in den Kernkraftwerken aufbewahrt. So wird in fast allen großen Atommächten mit radioaktiven Abfällen umgegangen. Da eine zuverlässige Überwachung aufgrund politischer und klimatischer Veränderungen jedoch nicht länger als etwa 100 Jahre möglich ist, haben sich Länder wie Schweden, Finnland und Südkorea der Tiefenlagerung ihrer Abfälle zugewandt, um diese sicher und ohne menschliches Eingreifen zu lagern. Wie bereits erwähnt, ist das oberste Ziel der Endlagerung, zu verhindern, dass gefährliche Radionuklide in die Umwelt gelangen, bis alle gefährlichsten Isotope zu einer harmlosen Form zerfallen sind. Bei der tiefen geologischen Endlagerung wird dies erreicht, indem der Abfall tief in monolithischen geologischen Formationen vergraben wird, durch die die Grundwassermigration minimal ist. So untersuchte beispielsweise Atomic Energy of Canada Limited viele Jahre lang die Machbarkeit der Endlagerung von Atommüll im Kanadischen Schild, einer massiven Formation aus dichtem, 2,5 Milliarden Jahre altem Granit. Ähnlich verhält es sich mit dem abgesagten Endlager Yucca Mountain in Nevada sowie den derzeitigen Endlagern Forsmark in Schweden und Onkalo in Finnland, die alle in tiefes, dichtes magmatisches Grundgestein gegraben sind. Eine tiefe Vergrabung allein reicht jedoch nicht aus, da jede einzelne Barriere gegen Leckagen irgendwann versagen kann . Alle derzeitigen Entsorgungssysteme beinhalten also mehrere redundante Barrieren, die den Abfall in konzentrischen Schutzschichten wie bei einer russischen Matrjoschka umschließen. Überraschenderweise ist die erste und wirksamste dieser Barrieren der Treibstoff selbst. Das in Kernreaktoren verwendete Uran liegt in Form von Uranoxid vor, einem harten, schwarzen, keramikartigen Material, das zu kleinen zylindrischen Pellets gepresst wird. Diese Pellets werden gestapelt und in mit Zirkonium ummantelte Röhren eingeschlossen, die dann miteinander verbunden werden, um die Brennelemente zu bilden . Uranoxid ist extrem wasserunlöslich und schließt die meisten Radionuklide fest in seinem Kristallgitter ein, was bedeutet, dass selbst wenn man nackte Brennstoffpellets einfach in einen offenen Grundwasserleiter werfen würde, selbst nach 10.000 Jahren nur sehr wenige dieser Nuklide tatsächlich in die Umwelt gelangen würden. Bestimmte Nuklide wie Chlor 36 [Musik] und Cäsium 137 sind jedoch mobiler als andere und könnten aus den Brennstoffpellets austreten, wenn die Brennstoffhülle beschädigt wird. Diese werden zusammenfassend als die Gruppe der sofort freisetzenden Stoffe bezeichnet, von denen nur etwa 10 % wahrscheinlich auslaufen. Dies wird jedoch nominell durch die nächste Barriere, die Zirkonium- Brennstoffhülle, verhindert, die aufgrund ihrer natürlichen Korrosionsbeständigkeit voraussichtlich erst nach 400.000 Jahren durchbrochen wird. Zusätzlichen Schutz bieten die Brennelementbündel durch die Einkapselung in Lagerbehälter aus Edelstahl, Titan oder Kupfer, wobei letzteres Material so korrosionsbeständig ist, dass es voraussichtlich bis zu einer Million Jahre halten wird. Für den äußerst unwahrscheinlichen Fall, dass sowohl der Lagerbehälter als auch die Brennelementhülle beschädigt werden, sind die Behälter mit einer dichten, tonartigen Substanz namens Bentonit gefüllt, die die Behälter sowohl gegen das Eindringen von Wasser abdichtet als auch als Ionenpuffer dient, der austretende Radionuklide auffängt, bevor sie das Grundwasser erreichen können. Diese Pufferwirkung ist jedoch nur gegen positiv geladene Atome wie Cäsium, Strontium und andere Schwermetalle wirksam. Negativ geladene Ionen wie Jod und Chlor können unter Umständen dennoch durchdringen. Um jedoch die von Menschen und anderen Tieren genutzten Grundwasserleiter zu erreichen , müssen diese Nuklide Hunderte von Metern durch das Grundwasser hindurchfließen, das sich in den Gebieten, in denen die Atomendlager gebaut werden, in einem wahrhaft schleichenden Tempo von etwa 1 cm pro Jahr bewegt. Zusammengenommen gewährleisten diese verschiedenen Barrieren und Schutzmaßnahmen, dass etwaige Radionuklide, die in die Umwelt gelangen, bereits in harmlose Isotope zerfallen oder so stark verdünnt sind, dass sie kaum oder gar keine Gefahr für die Umwelt darstellen. Tatsächlich kann der schiere Grad an Redundanz im System als übertrieben und noch viel mehr angesehen werden, eine Tatsache, die durch eine bemerkenswerte Entdeckung im Jahr 1972 in einer Uranmine in Oklo, Gabun, bestätigt wurde. Vor etwa 2 Milliarden Jahren, als der Anteil an spaltbarem U-235 höher war als heute, löste in den Boden sickerndes Regenwasser in Uranerzlagerstätten eine nukleare Kettenreaktion aus und schuf so effektiv einen natürlichen Kernreaktor. Dieser Prozess setzte sich über Tausende von Jahren fort, bis das Uran erschöpft war, [Musik] wobei die gleiche Ansammlung von Spaltprodukten zurückblieb, die auch in verbrauchtem künstlichem Kernbrennstoff zu finden ist. Doch obwohl sich die Oklo- Lagerstätten in porösem Sandstein befinden, durch den ständig Regen und Grundwasser sickern [Musik], also das Worst-Case-Szenario für ein Atommülllager, wanderten diese Spaltprodukte in den nächsten 2 Milliarden Jahren nicht mehr als etwa einen Meter von ihrem Ursprungsort entfernt. Daher wird erwartet, dass moderne Endlager mit ihren mehreren Schutzschichten aus Metall, Ton und dichtem Granit unseren Atommüll problemlos für mindestens 100.000 Jahre einschließen können. Und für mehr Informationen über die Oklo-Reaktoren schauen Sie sich bitte unser Video „Der [Musik] 2 Milliarden Jahre alte erdgebundene Kernreaktor“ an. Während Wissenschaftler Vertrauen in die passive Wirksamkeit tiefer geologischer Lagerstätten haben, gibt es einen weiteren wichtigen Faktor, der nicht so einfach berücksichtigt werden kann: zukünftige Menschen. Da von Atommülllagern eine Lebensdauer von Hunderttausenden von Jahren ausgeht, ist es mehr als wahrscheinlich, dass sämtliches Wissen und alle Aufzeichnungen über ihre Existenz im Laufe der Jahrtausende verloren gehen werden. Angenommen, die menschliche Zivilisation überdauert so lange, wie können wir dann verhindern, dass unsere fernen Nachkommen auf unseren Atommüll stoßen und eine ökologische Katastrophe auslösen? Diese Frage, die in dem dänischen Dokumentarfilm Into Eternity aus dem Jahr 2010 ausführlich untersucht wurde, hat erhebliche Kontroversen ausgelöst. Einige Experten argumentieren, dass nach der Versiegelung alle Spuren und Aufzeichnungen der Lagerstätten gelöscht werden sollten, damit die Menschheit schließlich ihre Existenz und ihre Standorte vergisst. Andere argumentieren jedoch, dass dies das Risiko erhöhen würde, dass die Fundstätten zufällig entdeckt würden , und dass eine Art Warnung, vielleicht in Form eines gravierten Steinmonuments, erhalten bleiben sollte, um die Menschen davon abzuhalten, die Stätte zu stören. Andere wiederum argumentieren, dass eine solche Warnung nur zukünftige Entdecker anlocken würde . Schließlich haben Inschriften, die vor Flüchen warnten, die Menschen kaum davon abgehalten, altägyptische Gräber zu betreten und zu plündern. In viel näherer Zeit sind viele geplante Projekte zur Endlagerung von Atommüll einem anderen menschlichen Impuls zum Opfer gefallen, dem NIMBY-Syndrom. Viele Bürger wehren sich vehement gegen die Lagerung oder den Transport von Atommüll in der Nähe ihrer Wohnorte. Ende der 1970er Jahre begann Atomic Energy of Canada Limited eine Reihe von Studien, um die Machbarkeit der Lagerung von Atommüll im Ontario-Abschnitt des Kanadischen Schildes zu bewerten. Dazu wurden experimentelle Bohrungen durchgeführt, um die Grundwassermigration zu überwachen. Die Anwohner, die glaubten, dass in der Gegend bereits Atommüll gelagert werde, ließen sofort ihr Grundwasser testen und stellten zu ihrem Entsetzen fest, dass es radioaktiv war. Der daraufhin entstandene öffentliche Aufschrei zwang AECL, das Projekt aufzugeben. Hätte sich jedoch jemand die Mühe gemacht, das Wasser vor der Ankunft der Forscher zu testen, hätte er festgestellt, dass es schon immer leicht radioaktiv gewesen war, da die Granite des Kanadischen Schildes von Natur aus reich an Uran und anderen Radioisotopen sind. Ähnliche politische Kräfte führten 2011 auch zur Einstellung des Yucca Mountain-Depotprojekts, nachdem dort mehr als drei Jahrzehnte lang geforscht worden war. Derzeit sind nur vier Tiefenlager in Finnland, Schweden, Südkorea und Deutschland in Betrieb oder im Bau, der Großteil des weltweiten Atommülls wird weiterhin oberirdisch in Trockenbehältern gelagert. Mehrere andere Endlager befinden sich in verschiedenen Stadien der Diskussion und Planung, aber angesichts des starken weltweiten Rückgangs des Interesses an der Kernenergie nach der Katastrophe von Fukushima bleibt abzuwarten, ob eines dieser Projekte jemals realisiert wird . In den letzten Jahren ist auch das Interesse an der Transmutation wieder gestiegen, bei der nuklearer Abfall durch Beschuss mit Neutronen aus einem Kernreaktor oder Teilchenbeschleuniger in eine weniger gefährliche Form umgewandelt wird. Leider ist dieses Verfahren mit der heutigen Technologie noch nicht realisierbar, da die Umwandlung von Abfall in großem Maßstab so große Energiemengen erfordern würde, dass es unwirtschaftlich wäre. Es könnte jedoch möglich sein, eine begrenzte Transmutation durchzuführen, bei der die langlebigsten Nukleotide, wie zum Beispiel Neptunium, aus dem abgebrannten Brennstoff abgetrennt und in leichtere, kurzlebigere Isotope umgewandelt werden, wodurch die Gesamtzeit, in der der Brennstoff gefährlich radioaktiv bleibt, erheblich reduziert wird. Das Verfahren zur Abtrennung dieser Nuklide ist zwar vielversprechend, aber selbst extrem kostspielig. Daher wird weiterhin an Methoden zur selektiven Umwandlung langlebiger Nuklide innerhalb des Brennstoffs selbst geforscht. Wie auch immer die endgültige Lösung aussehen mag, klar ist, dass eine langfristige Lösung für den Umgang mit radioaktiven Abfällen der Schlüssel zur lang ersehnten Renaissance der Kernenergie sein wird.