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Langwierige Suche

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 16.05.2011 13:02

Die Entsorgung des radioaktiven Abfalls gehört zu den größten Problemen der Kernenergie in Deutschland. Selbst bei einem sofortigen Ausstieg müsste die Bundesrepublik eine Lösung für etliche Tausend Tonnen hoch aktiven Mülls finden. Möglichst tief begraben, so lautet die international bevorzugte Variante, und das am besten in Salz oder Ton. Hierzulande wurde bislang ausschließlich auf Salz gesetzt, doch jetzt soll auch die Alternative Tongestein untersucht werden. Ein vom Bundeswirtschaftsministerium geförderter Forschungsverbund untersucht, was genau im Ton mit dem strahlenden Material aus den Brennstäben passiert.

Tobias Reich im LaborDeutschland erzeugt einen nennenswerten Anteil seines Stroms mit Kernkraftwerken, 2009 betrug er 23 Prozent. Die Technologie ist umstritten, nicht zuletzt wegen des radioaktiven Mülls, der dabei entsteht. Rund 17.200 Tonnen hoch aktiven Schwermetalls aus den abgebrannten Brennstäben werden nach Berechnungen des Bundesamtes für Strahlenschutz 2040 auf eine sichere Unterbringung warten, und das selbst dann, wenn die 2000 in den Atomkonsens-Gesprächen getroffene Ausstiegsregelung greift. Sie sind der Teil des deutschen Strahlenmülls, der die meisten Kopfschmerzen bereitet, denn sie strahlen länger als jede menschliche Gesellschaft existiert. Das liegt vor allem an den beiden Aktiniden Neptunium-237 und Plutonium-239. Die Halbwertszeit des Neptunium-Isotops beträgt etwa zwei Millionen Jahre, das der Plutonium-Variante immerhin noch 24.000 Jahre. "Nach mehr als 1000 Jahren wird die Radiotoxizität und die Strahlenbelastung, die von den Brennelementen ausgeht, von diesen beiden Isotopen bestimmt", erklärt Tobias Reich, Professor für Kernchemie an der Universität Mainz.

Reich und seine Kollegen untersuchen in Laborexperimenten, ob Tongesteine die beiden Radioisotope ausreichend lange blockieren können. Als Testobjekte dienen ihnen kleine Tonzylinder, 2,5 Zentimeter im Durchmesser, einen Zentimeter dick und damit nicht viel größer als ein Stapel von vier 2-Euro-Münzen. Sie werden in luft- und wasserdichte Stahlzylinder eingespannt, danach wird Wasser mit darin gelöstem Plutonium oder Neptunium auf der einen Seite in die Zylinder geleitet. Dann heißt es abwarten. "Die Experimente dauern mindestens einen Monat", erklärt Reich. Wasser braucht etwa eine Woche, um die zehn Millimeter Ton zu durchdringen - die Frage ist, ob die Radioisotope es auch so schnell schaffen. Die Antwort: Beide Schwermetalle bewegen sich nur sehr, sehr langsam im Ton fort. "Wir haben einmal für unser Experiment abgeschätzt, wie lange wir warten müssten, bis beide auf der anderen Seite durchkommen", meint Tobias Reich, "das liegt im Bereich von zehn Jahren." So lange wollen und können die Forscher natürlich nicht warten, deshalb beenden sie die Versuche in der Regel nach einem Monat und untersuchen die Tonzylinder Schicht für Schicht nach Spuren der beiden Schwermetalle. "Das Neptunium wird auch nach einem Monat noch ganz am Anfang des Bohrkerns festgehalten", referiert Reich die bisherigen Ergebnisse, "es hat sich nur einen Bruchteil eines Millimeters bewegt."

Potentielle EndlagergebieteDas klingt ermutigend, denn Tonsteine werden neben Salz international als aussichtsreichste Formationen für solche Endlager angesehen. Der Grund: beide Gesteinsarten sind von Natur aus wasserdicht. Und wenn eben doch einmal Klüfte entstehen, durch die Wasser zirkuliert, dann sorgt offenbar der Ton dafür, dass eine mögliche strahlende Fracht des Wassers zurückgehalten wird. In Deutschland gibt es sowohl Salzstöcke als auch Tonformationen, die für ein Endlager geeignet sind. Die Salzvorkommen liegen alle in Norddeutschland, der größte Teil der Tonformationen ebenfalls. Allerdings hat die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe in einer Studie aus dem Jahr 2007 auch zwei Kandidaten in Baden-Württemberg und Bayern ausgemacht.

Mit Experimenten wie denen in Reichs Labor soll untersucht werden, was passiert, wenn doch Wasser durch ein Endlager strömen sollte. Sie sind dringend notwendig, denn berechnen oder simulieren läßt sich das Geschehen im Ton nicht. "Die Vorgänge sind so komplex", meint Reich, "dass man sie zurzeit theoretisch nicht vorhersagen kann." Das zeigt schon ein Blick auf die Ergebnisse der vielen verschiedenen Diffusionsexperimente, die bisher mit Ton durchgeführt wurden. Ton ist nämlich noch lange nicht gleich Ton. Die Radioisotope in Reichs Tonzylindern kamen nur langsam voran, weil die Versuche mit Opalinuston durchgeführt wurden.

Mit anderen Versuchstonen wie Montmorillonit oder Kaolinit gab es wesentlich schlechtere Resultate. Opalinuston ist das natürlich vorkommende Tongestein, das Länder wie die Schweiz, Belgien oder Frankreich für ihr Endlager vorsehen. Auch in Deutschland wäre es das Gestein, in dem ein mögliches Endlager eingerichtet würde. Weil es natürlich vorkommt, sind auch Fremdstoffe im Gestein enthalten, die in reinem Ton nicht vorkommen. "Es enthält noch andere Mineralien wie zum Beispiel Pyrit und Siderit, also Eisen-II-haltige Mineralien", erklärt Tobias Reich, "und obwohl die nur zu wenigen Prozent im Ton enthalten sind, bestimmen sie ganz wesentlich das Verhalten der Radionuklide."

DiffusionsexperimentDiese Verunreinigungen mit Pyrit oder Siderit verändern die sogenannte Oxidationsstufe des Schwermetalls. In den abgebrannten Brennelementen liegt Neptunium zum Beispiel vor allem in einer fünfwertigen Form vor, das heißt es kann in einer Verbindung fünf Elektronen an ein Partneratom abgeben. Fünfwertiges Neptunium ist ziemlich mobil und fließt gern im Wasserstrom mit. Durch die Eisen-II-Verbindungen wird aber aus dem fünf- ein vierwertiges Neptunium, und das hat gravierende Folgen. "Durch den Wechsel des Oxidationszustandes beim Neptunium findet dann eine nahezu vollständige Sorption statt", so Reich. Unter Sorption verstehen die Chemiker die Anlagerung eines Ions an einen anderen Stoff. In diesem Fall lagert sich das Neptunium zu mehr als 95 Prozent an die Minerale des Opalinustons an. Bei den pyritfreien Tonalternativen lag der Sorptionswert bei rund 60 Prozent. Je höher aber die Sorption, desto weniger Schwermetall kann mit dem Wasser weitergespült werden und aus dem Gestein des Endlagers in die Umgebung gelangen. Für Plutonium erhielten die Forscher bislang vergleichbare Ergebnisse, allerdings müssen hier noch mehr Experimente durchgeführt werden. Denn beim Plutonium sind die Verhältnisse noch komplizierter, weil es gleich in vier Oxidationsstufen vorliegen kann.

An einer großen Zahl von Experimenten führt da kein Weg vorbei, weil es zahlreiche Bedingungen gibt, die berücksichtigt werden müssen und deren Einfluss auf das Verhalten der Radioisotope im Ton nicht genau vorhersehbar ist. In Reichs Labor hat man bisher zwei bis drei Dutzend einzelne Experimente mit dem Opalinuston durchgeführt, und das auch nur mit dem Gestein aus dem Versuchslabor Mont Terri im Schweizer Kanton Jura. Das ist sehr gut vergleichbar mit den süddeutschen Opalinusvorkommen am Hochrhein oder an Donau und Iller. Es sagt aber nur wenig über die Tonvorkommen in der norddeutschen Tiefebene aus, denn hier kommt noch ein weiterer Faktor ins Spiel. "Dort können sehr hohe Salzgehalte im Porenwasser auftreten", erklärt Tobias Reich. Was das für die Chemie im Ton bedeutet, wissen die Fachleute nicht genau, "daher", so Reich, "planen wir in der Zukunft diesen Einfluss der hohen Salinität zu untersuchen".

Alle Laborexperimente dienen nur dazu, die grundsätzlichen Vorgänge zu klären, die bei einem Endlager im Ton ablaufen können. Eine Vorentscheidung bedeuten sie nicht, vor allem ersetzen sie nicht die eingehende Untersuchung eines konkreten Standorts, wenn die Suche schließlich konkrete Gebiete ergeben hat. "Wenn man jetzt in Deutschland einen Tonstandort auswählen würde, dann müsste man natürlich dort dieses Gestein noch einmal detailliert untersuchen", sagt Tobias Reich, "aber man hätte schon erst einmal eine grobe Vorstellung, in welchem Bereich sich die Parameter bewegen würden." Und man wüsste auch, wie man die detaillierte Untersuchung ohne größere Zeitverluste durchführen müsste. Denn es steht außer Zweifel, dass auch Deutschland eine dauerhafte Lösung für seinen Nuklearabfall finden muss.

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