Forscher wollen Atommüll recyceln – Londons U-Bahn-Karte zeigt, wie es gehen könnte

Ein Atomkraftwerk holt gewaltige Mengen Energie aus Uran. Trotzdem ist der Brennstoff danach noch lange nicht „leer“. Mehr als 90 Prozent der Masse eines abgebrannten Brennelements bestehen weiterhin aus Resturan – also Uran, das im Reaktor nicht gespalten wurde und im Brennstoff zurückbleibt. Dazu kommen Plutonium und stark radioaktive Spaltprodukte. Forscher der University of Manchester wollen aus dieser Einbahnstraße einen Kreislauf machen: Uran und Plutonium sollen zurückgewonnen und erneut genutzt werden. Wie die verschiedenen Wege dafür aussehen könnten, haben sie ausgerechnet nach dem Vorbild des Londoner U-Bahn-Plans dargestellt.

Die Forscher vergleichen sechs Varianten des nuklearen Brennstoffkreislaufs. Sie reichen von der heutigen Einmalnutzung mit späterer Endlagerung bis zu weitgehend geschlossenen Kreisläufen mit mehrfacher Wiederaufbereitung. Im Schema stehen die Linien für die Wege von Uran, Plutonium und radioaktiven Abfällen. Die Stationen markieren Anlagen, in denen Brennstoff hergestellt, aufbereitet, wiederverwendet oder entsorgt wird.

Warum Forscher Atommüll mehrfach recyceln wollen

Wind- und Solarenergie werden weltweit ausgebaut und sind in den vergangenen Jahren deutlich günstiger geworden. Doch Sonne und Wind liefern Strom nicht jederzeit nach Bedarf. Fossile Kraftwerke lassen sich deshalb bislang nicht überall vollständig ersetzen. Kernkraft kann hier eine zusätzliche CO₂-arme Stromquelle sein: Bei der Stromerzeugung im Reaktor entsteht praktisch kein Kohlendioxid.

Damit stellt sich eine alte Frage neu: Wie lässt sich Uran besser nutzen – und was passiert mit den radioaktiven Abfällen? Heute dominieren weltweit sogenannte Leichtwasserreaktoren. Sie nutzen laut der im Fachjournal Sustainability veröffentlichten Analyse nur rund ein Prozent des natürlichen Urans. Natürliches Uran besteht fast vollständig aus Uran-238. Nur etwa 0,7 Prozent entfallen auf das leichter spaltbare Uran-235.

Für heutige Reaktoren wird der Anteil von Uran-235 zunächst erhöht. Im Reaktor wird ein Teil davon gespalten. Gleichzeitig kann aus Uran-238 Plutonium entstehen, das ebenfalls Energie liefert. Nach ein bis zwei Jahren wird der Brennstoff ausgetauscht. Spaltprodukte haben sich dann so stark angereichert, dass sie den weiteren Betrieb erschweren.

Frankreich gewinnt bereits Brennstoff zurück

Wiederaufbereitung ist keine reine Zukunftstechnik. Frankreich nutzt sie bereits im industriellen Maßstab. Dabei werden Uran und Plutonium aus abgebranntem Kernbrennstoff chemisch getrennt.

Das zurückgewonnene Uran dient erneut als Brennstoff. Plutonium mischen die Betreiber mit Uran zu sogenanntem MOX-Brennstoff. Dieser kommt anschließend wieder in geeigneten Reaktoren zum Einsatz.

Mehr Recycling nutzt Uran wesentlich besser

Ein vollständig geschlossener Brennstoffkreislauf würde weitergehen. Forscher können Uran und Plutonium mehrfach zurückgewinnen und erneut als Brennstoff einsetzen. Besonders geeignet dafür sind schnelle Reaktoren.

Sie können Uran-238 wesentlich besser energetisch nutzen als heutige Leichtwasserreaktoren. Dieses Isotop macht rund 99,3 Prozent des natürlichen Urans aus. In schnellen Reaktoren lässt sich daraus zusätzlich spaltbares Plutonium erzeugen.

Nach den im Review ausgewerteten Arbeiten könnten solche Systeme die Reichweite vorhandener Uranressourcen auf Tausende Jahre verlängern. Auch große Bestände an bereits abgereichertem Uran ließen sich nutzen. Betreiber müssten dadurch weniger neues Uran abbauen lassen.

Atommüll recyceln kann mehrere Probleme entschärfen

Beim Recycling verfolgen die Forscher mehrere Ziele:

• mehr Energie aus bereits gefördertem Uran gewinnen
• weniger neues Uran abbauen
• Uran und Plutonium erneut als Brennstoff nutzen
• bestimmte hochradioaktive Abfälle gezielter behandeln
• den Platzbedarf eines geologischen Endlagers verringern

Radioaktiver Abfall strahlt nicht nur, er erzeugt beim Zerfall auch Wärme. Deshalb müssen die Behälter in einem Endlager mit ausreichend Abstand gelagert werden. Besonders viel Wärme liefern zunächst Cäsium-137 und Strontium-90. Werden diese Stoffe vorher abgetrennt, könnte der übrige hochradioaktive Abfall dichter gelagert werden – und das Endlager bräuchte weniger Platz.

Auch langlebige Bestandteile wie Neptunium, Americium und Curium lassen sich theoretisch abtrennen und in schnellen Reaktoren oder speziellen Anlagen umwandeln. Diese Verfahren sind allerdings technisch deutlich anspruchsvoller.

Eine U-Bahn-Karte ordnet sechs mögliche Wege

Um dieses Geflecht übersichtlich darzustellen, griffen die Forscher zu einem Designklassiker. Als Vorbild diente Harry Becks ikonischer Plan der Londoner Underground aus den 1930er-Jahren. Seine Stärke liegt darin, komplizierte Verbindungen auf wenige Linien und Stationen zu reduzieren und dadurch schnell verständlich zu machen.

Das Manchester-Team übertrug dieses Prinzip auf sechs Varianten des nuklearen Brennstoffkreislaufs. Der einfachste Weg führt vom Uranabbau über den Reaktor zur Zwischenlagerung und später ins Endlager.

Andere Linien zweigen zur Wiederaufbereitung ab und führen Uran oder Plutonium zurück zum Reaktor. Weitere Wege stehen für die Behandlung langlebiger oder besonders wärmeerzeugender Stoffe. Sogar bestimmte wertvolle Materialien könnten aus abgebranntem Brennstoff gewonnen werden.

Geschlossene Kreisläufe bleiben technisch anspruchsvoll

Die Verfahren unterscheiden sich deutlich beim Entwicklungsstand. Eine einmalige Wiederaufbereitung von Uran und Plutonium funktioniert bereits industriell. Vollständig geschlossene Kreisläufe mit mehrfacher Wiederverwertung sind dagegen noch nicht vergleichbar etabliert.

Dafür braucht es geeignete Reaktoren sowie Anlagen, die stark radioaktive Brennstoffe mehrfach aufbereiten und neu fertigen können. Hinzu kommen Anforderungen an Sicherheit, Überwachung und den Schutz vor der Verbreitung von spaltbarem Material.

Auch wirtschaftlich hat die Einmalnutzung derzeit Vorteile. Wiederaufbereitungsanlagen verursachen zusätzliche Kosten. Für die gesamten Stromkosten fällt dieser Unterschied laut der Analyse jedoch relativ gering aus. Rund 70 Prozent der Kosten von Atomstrom entfallen demnach auf die Reaktoren und ihre Finanzierung.

Die Autoren bewerten geschlossene Kreisläufe dennoch positiv. Weniger Uranabbau, eine höhere Energieausbeute und ein geringerer Aufwand für bestimmte radioaktive Abfälle könnten die Nachhaltigkeit der Kernenergie verbessern. „Das Schließen des nuklearen Brennstoffkreislaufs optimiert die Nachhaltigkeit der Kernenergie“, schreiben sie. Bis solche Systeme im großen Maßstab funktionieren, müssen vor allem Verfahren zur mehrfachen Wiederverwertung von Uran und Plutonium technisch weiterreifen.

Kurz zusammengefasst:

• Abgebrannter Kernbrennstoff ist noch lange nicht „leer“: Mehr als 90 Prozent seiner Masse bestehen weiterhin aus Resturan.
• Atommüll recyceln heißt, Uran und Plutonium zurückzugewinnen, erneut zu nutzen und zugleich weniger neues Uran abbauen zu müssen.
• Vollständig geschlossene Kreisläufe könnten Uranressourcen über Tausende Jahre strecken, sind technisch aber noch nicht breit einsatzbereit.

Übrigens: Chinas Tempo beim Ausbau der Atomkraft verändert mehr als nur den eigenen Strommix – es kann auch Energiepreise, Lieferketten und den internationalen Wettbewerb beeinflussen. Mehr dazu in unserem Artikel.

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