Radioaktive Abfälle

Moderner mittel-bis hochrangiger Transportbehälter für nukleare Abfälle

Das Onkalo ist ein geplantes geologisches Tiefenlager für die Endlagerung abgebrannter Kernbrennstoffe in der Nähe des Kernkraftwerks Olkiluoto in Eurajoki an der Westküste Finnlands. Bild einer Pilothöhle in letzter Tiefe in Onkalo.Jahrhunderts wurden mehrere Methoden zur Entsorgung radioaktiver Abfälle von Atomnationen untersucht, die sind :

• „Langfristige oberirdische Lagerung“, nicht implementiert.,
• „Entsorgung im Weltraum“ (zum Beispiel in der Sonne), nicht implementiert—wie es derzeit zu teuer wäre.
• „Deep borehole disposal“, nicht umgesetzt.
• „Rock-Schmelzen“, nicht umgesetzt.
• „Entsorgung in Subduktionszonen“, nicht implementiert.
• Ozeanentsorgung durch die UdSSR, das Vereinigte Königreich, die Schweiz, die Vereinigten Staaten, Belgien, Frankreich, die Niederlande, Japan, Schweden, Russland, Deutschland, Italien und Südkorea (1954-93). Dies ist durch internationale Abkommen nicht mehr zulässig.,
• „Sub-seabed disposal“, nicht umgesetzt werden, nicht gestattet, die internationalen Vereinbarungen.
• „Disposal in ice sheets“, abgelehnt in Antarctic Treaty
• “ Direct injection“, durch UDSSR und USA.
• Nuclear transmutation, mit Lasern zu verursachen beta-Zerfall zu konvertieren, die instabile Atome, um diejenigen mit kürzeren Halbwertszeiten.

In den Vereinigten Staaten brach die Abfallbewirtschaftungspolitik mit dem Ende der Arbeiten am unvollständigen Endlager Yucca Mountain vollständig zusammen. Derzeit gibt es 70 Kernkraftwerksstandorte, in denen abgebrannte Brennelemente gelagert werden., Eine Kommission mit blauem Band wurde von Präsident Obama ernannt, um zukünftige Optionen für diesen und zukünftigen Abfall zu prüfen. Ein geologisches Tiefenlager scheint favorisiert zu sein. Nobelpreis für Physik 2018 Der Nobelpreisträger Gérard Mourou hat vorgeschlagen, eine Chirped Pulse Amplification zu verwenden, um hochenergetische und lang anhaltende Laserpulse zu erzeugen, um hochradioaktives Material (in einem Ziel enthalten) umzuwandeln und seine Halbwertszeit von Tausenden von Jahren auf nur wenige Minuten signifikant zu reduzieren.,

Erstbehandlungedit

VitrificationEdit

Die Langzeitlagerung radioaktiver Abfälle erfordert die Stabilisierung des Abfalls in eine Form, die über einen längeren Zeitraum weder reagiert noch abgebaut wird. Es wird vermutet, dass ein Weg, um dies zu tun, könnte durch vitrifikation. Derzeit wird in Sellafield der hochrangige Abfall (PUREX first Cycle Raffinate) mit Zucker gemischt und dann kalziniert. Beim Kalzinieren wird der Abfall durch ein erhitztes, rotierendes Rohr geleitet., Die Zwecke der Kalzinierung bestehen darin, das Wasser aus dem Abfall zu verdampfen und die Spaltprodukte zu entnitrieren, um die Stabilität des hergestellten Glases zu unterstützen.

Das erzeugte ‚Kalzin‘ wird kontinuierlich in einen Induktionsheizofen mit fragmentiertem Glas eingespeist. Das resultierende Glas ist eine neue Substanz, bei der die Abfallprodukte beim Erstarren in die Glasmatrix gebunden werden. Als Schmelze wird dieses Produkt in einem Chargenverfahren in zylindrische Edelstahlbehälter („Zylinder“) gegossen. Beim Abkühlen erstarrt die Flüssigkeit („Verglasung“) in das Glas., Nach dem Formen ist das Glas sehr wasserbeständig.

Nach dem Befüllen eines Zylinders wird eine Dichtung auf den Zylinderkopf geschweißt. Der Zylinder wird dann gewaschen. Nach der Untersuchung auf äußere Verunreinigungen wird der Stahlzylinder normalerweise in einem unterirdischen Lager gelagert. In dieser Form werden die Abfallprodukte voraussichtlich für Tausende von Jahren immobilisiert.

Das Glas in einem Zylinder ist normalerweise eine schwarz glänzende Substanz. All diese Arbeiten (im Vereinigten Königreich) werden mit Heißzellensystemen durchgeführt., Zucker wird hinzugefügt, um die Rutheniumchemie zu kontrollieren und die Bildung der flüchtigen RuO4 zu stoppen, die radioaktive Rutheniumisotope enthält. Im Westen ist das Glas normalerweise ein Borosilikatglas (ähnlich Pyrex), während es in der ehemaligen Sowjetunion normal ist, ein Phosphatglas zu verwenden. Die Menge an Spaltprodukten im Glas muss begrenzt sein, da einige (Palladium, die anderen Metalle der Pt-Gruppe und Tellur) dazu neigen, metallische Phasen zu bilden, die sich vom Glas trennen. Die Massenverglasung verwendet Elektroden, um Boden und Abfälle zu schmelzen, die dann unterirdisch vergraben werden., In Deutschland ist eine Verglasungsanlage im Einsatz, die die Abfälle einer kleinen Demonstrations-Aufbereitungsanlage behandelt, die inzwischen stillgelegt wurde.

Phosphatkeramikedit

Die Verglasung ist nicht die einzige Möglichkeit, den Abfall in eine Form zu stabilisieren, die über längere Zeit nicht reagiert oder abgebaut wird. Immobilisierung durch direkten Einbau in einen phosphatbasierten kristallinen Keramikwirt wird ebenfalls verwendet. Die vielfältige Chemie der Phosphatkeramik unter verschiedenen Bedingungen zeigt ein vielseitiges Material, das im Laufe der Zeit chemischen, thermischen und radioaktiven Abbau standhält., Die Eigenschaften von Phosphaten, insbesondere keramischen Phosphaten, der Stabilität über einen weiten pH-Bereich, der geringen Porosität und der Minimierung von Sekundärabfällen eröffnen Möglichkeiten für neue Abfallimmobilisierungstechniken.

Ionenaustauscherit

Es ist üblich, dass mittelaktive Abfälle in der Kernindustrie mit Ionenaustausch oder anderen Mitteln behandelt werden, um die Radioaktivität in ein kleines Volumen zu konzentrieren. Die viel weniger radioaktive Masse (nach der Behandlung) wird dann oft entladen. Zum Beispiel ist es möglich, eine Eisenhydroxidflocke zu verwenden, um radioaktive Metalle aus wässrigen Gemischen zu entfernen., Nachdem die Radioisotope auf das Eisenhydroxid absorbiert wurden, kann der resultierende Schlamm in eine Metalltrommel gegeben werden, bevor er mit Zement gemischt wird, um eine feste Abfallform zu bilden. Um eine bessere Langzeitleistung (mechanische Stabilität) von solchen Formen zu erhalten, können sie aus einer Mischung aus Flugasche oder Hochofenschlacke und Portlandzement anstelle von normalem Beton (hergestellt mit Portlandzement, Kies und Sand) hergestellt werden.,

SynrocEdit

Das australische Synroc (Synthetic Rock) ist ein ausgefeilterer Weg, um solche Abfälle zu immobilisieren, und dieser Prozess kann schließlich für zivile Abfälle kommerziell genutzt werden (es wird derzeit für US-Militärabfälle entwickelt). Synroc wurde von Prof Ted Ringwood (Geochemiker) an der Australian National University erfunden. Das Synroc enthält Mineralien vom Typ Pyrochlor und Kryptomelan. Die ursprüngliche Form von Synroc (Synroc C) wurde für den flüssigen Hochabfall (PUREX Raffinate) aus einem Leichtwasserreaktor entwickelt., Die Hauptmineralien in diesem Synroc sind Hollandit (BaAl2Ti6O16), Zirkonolit (CaZrTi2O7) und Perowskit (CaTiO3). Der Zirkonolith und Perowskit sind Wirte für die Aktinide. Strontium und Barium werden im Perowskit fixiert. Das Cäsium wird im Hollandit fixiert.

Langzeitmanagementedit

Der fragliche Zeitrahmen für den Umgang mit radioaktiven Abfällen reicht laut Studien, die auf der Wirkung geschätzter Strahlendosen basieren, von 10.000 bis 1.000.000 Jahren. Die Forscher schlagen vor, dass Prognosen über Gesundheitsschäden für solche Zeiträume kritisch untersucht werden sollten., Praktische Studien berücksichtigen nur bis zu 100 Jahre, was eine effektive Planung und Kostenbewertung betrifft. Das Langzeitverhalten radioaktiver Abfälle bleibt ein Thema für laufende Forschungsprojekte im Geoforecasting.

Oberirdische Entsorgungedit

Bei der Lagerung von Trockenfässern wird typischerweise Abfall aus einem abgebrannten Brennstoffpool entnommen und (zusammen mit einem Inertgas) in einem Stahlzylinder versiegelt, der in einem Betonzylinder angeordnet ist, der als Strahlungsschild fungiert. Es ist ein relativ kostengünstiges Verfahren, das an einer zentralen Anlage oder neben dem Quellreaktor durchgeführt werden kann., Der Abfall kann leicht zur Wiederaufbereitung zurückgeholt werden.

Geologische disposalEdit

Die Auswahl geeigneter Tiefenlager für hochradioaktive Abfälle und abgebrannte Brennstoffe ist in mehreren Ländern im Gange, wobei die ersten voraussichtlich einige Zeit nach 2010 in Betrieb genommen werden., Das Grundkonzept besteht darin, eine große, stabile geologische Formation zu lokalisieren und Bergbautechnologie zum Ausheben eines Tunnels zu verwenden, oder Tunnelbohrmaschinen mit großen Bohrungen (ähnlich denen, die zum Bohren des Kanaltunnels von England nach Frankreich verwendet werden), um einen Schacht 500 Meter (1.600 ft) bis 1.000 Meter (3.300 ft) unter der Oberfläche zu bohren, wo Räume oder Gewölbe zur Entsorgung hochradioaktiver Abfälle ausgegraben werden können. Ziel ist es, Atommüll dauerhaft von der menschlichen Umwelt zu isolieren., Viele Menschen fühlen sich nach wie vor unwohl mit der sofortigen Einstellung dieses Entsorgungssystems, was darauf hindeutet, dass die ständige Verwaltung und Überwachung vorsichtiger wäre.

Da einige radioaktive Arten eine Halbwertszeit von mehr als einer Million Jahren haben, müssen selbst sehr niedrige Leckage-und Radionuklidmigrationsraten berücksichtigt werden. Darüber hinaus kann es mehr als eine Halbwertszeit erfordern, bis einige Kernmaterialien genug Radioaktivität verlieren, um für Lebewesen nicht mehr tödlich zu sein., Eine Überprüfung des schwedischen Programms zur Entsorgung radioaktiver Abfälle durch die Nationale Akademie der Wissenschaften von 1983 ergab, dass die Schätzung des Landes von mehreren hunderttausend Jahren—vielleicht bis zu einer Million Jahren—für die Abfallisolierung „völlig gerechtfertigt“ war.“

Die Entsorgung radioaktiver Abfälle auf dem Meeresboden wurde durch die Feststellung nahegelegt, dass tiefe Gewässer im Nordatlantik seit etwa 140 Jahren keinen Austausch mit flachen Gewässern darstellen, basierend auf Sauerstoffgehaltsdaten, die über einen Zeitraum von 25 Jahren aufgezeichnet wurden., Dazu gehören die Bestattung unter einer stabilen Abgrundebene, die Bestattung in einer Subduktionszone, die den Abfall langsam nach unten in den Erdmantel tragen würde, und die Bestattung unter einer abgelegenen natürlichen oder von Menschen geschaffenen Insel. Während diese Ansätze alle Verdienste haben und eine internationale Lösung für das Problem der Entsorgung radioaktiver Abfälle erleichtern würden, würden sie eine Änderung des Seerechts erfordern.

Artikel 1 (Begriffsbestimmungen), 7.,, des Protokolls von 1996 zum Übereinkommen über die Verhütung der Meeresverschmutzung durch das Abladen von Abfällen und anderen Stoffen (das Londoner Dumpingübereinkommen) heißt es:

„Meer“bezeichnet alle Meeresgewässer außer den inneren Gewässern der Staaten sowie den Meeresboden und den Untergrund davon; Es enthält keine Untergrundlager, auf die nur von Land aus zugegriffen wird.“

Die vorgeschlagene landbasierte subduktive Abfallentsorgungsmethode entsorgt Atommüll in einer vom Land aus zugänglichen Subduktionszone und ist daher nicht durch internationale Abkommen verboten., Diese Methode wurde als das praktikabelste Mittel zur Entsorgung radioaktiver Abfälle und als Stand der Technik ab 2001 in der nuklearen Abfallentsorgung beschrieben.Ein anderer Ansatz, der als & Return bezeichnet wird, würde hochrangige Abfälle mit Uranminen-und Mühlenabfällen bis auf das Niveau der ursprünglichen Radioaktivität des Uranerzes mischen und dann in inaktiven Uranminen ersetzen., Dieser Ansatz hat den Vorzug, Bergleuten Arbeitsplätze zu bieten, die doppelt so viel Entsorgungspersonal beschäftigen würden, und einen Cradle-to-Grave-Zyklus für radioaktive Materialien zu ermöglichen, wäre jedoch für abgebrannte Reaktorbrennstoffe ohne Wiederaufbereitung ungeeignet, da darin hochgiftige radioaktive Elemente wie Plutonium enthalten sind.

Tiefbohrung Entsorgung ist das Konzept der Entsorgung von hochradioaktiven Abfällen aus Kernreaktoren in extrem tiefen Bohrlöchern. Die Tiefbohrung soll bis zu fünf Kilometer in die Tiefe bringen.,1 mi) unter der Erdoberfläche und stützt sich in erster Linie auf die immense natürliche geologische Barriere, um den Abfall sicher und dauerhaft zu begrenzen, so dass er niemals eine Bedrohung für die Umwelt darstellen sollte. Die Erdkruste enthält neben anderen natürlichen Radioisotopen 120 Billionen Tonnen Thorium und 40 Billionen Tonnen Uran (hauptsächlich bei relativ geringen Konzentrationen von Teilen pro Million, die sich jeweils über die Masse von 3 × 1019 Tonnen der Kruste summieren)., Da der Anteil der Nuklide, die pro Zeiteinheit zerfallen, umgekehrt proportional zur Halbwertszeit eines Isotops ist, würde die relative Radioaktivität der geringeren Menge an vom Menschen produzierten Radioisotopen (Tausende von Tonnen anstelle von Billionen Tonnen) abnehmen sobald die Isotope mit weit kürzeren Halbwertszeiten als der Großteil der natürlichen Radioisotope zerfallen.

Im Januar 2013 lehnte der Cumbria County Council Vorschläge der britischen Zentralregierung ab, mit den Arbeiten an einer unterirdischen Speicherkippe für Atommüll in der Nähe des Lake District National Park zu beginnen., „Für jede Gastgemeinschaft wird es ein beträchtliches gemeinnütziges Paket geben, das Hunderte von Millionen Pfund wert ist“, sagte Ed Davey, Energiesekretär, aber dennoch stimmte das lokale gewählte Gremium 7-3 gegen die Fortsetzung der Forschung, nachdem es Beweise von unabhängigen Geologen gehört hatte, dass „die gebrochenen Schichten des Landkreises unmöglich waren, solch gefährliches Material und eine Gefahr von Jahrtausenden anzuvertrauen.,“

Horizontale Bohrlochbeseitigung beschreibt Vorschläge, über einen km vertikal und zwei km horizontal in der Erdkruste zu bohren, um hochrangige Abfallformen wie abgebrannte Kernbrennstoffe, Cäsium-137 oder Strontium-90 zu entsorgen. Nach der Einlagerung und der Abrufzeit würden Bohrlöcher verfüllt und versiegelt. Eine Reihe von Tests der Technologie wurden im November 2018 und dann wieder öffentlich im Januar 2019 von einem US-amerikanischen Privatunternehmen durchgeführt., Der Test zeigte die Einlagerung eines Testkanisters in ein horizontales Bohrloch und das Abrufen desselben Kanisters. Bei diesem Test wurde kein tatsächlicher Abfall auf hohem Niveau verwendet.

TransmutationEdit

Es gab Vorschläge für Reaktoren, die Atommüll verbrauchen und in andere, weniger schädliche oder kurzlebige Atommüll umwandeln. Insbesondere war der integrale Schnellreaktor ein vorgeschlagener Kernreaktor mit einem Kernbrennstoffkreislauf, der keinen transuranischen Abfall produzierte und tatsächlich transuranischen Abfall verbrauchen konnte., Es ging so weit wie groß angelegte Tests, wurde aber dann von der US-Regierung abgesagt. Ein anderer Ansatz, der als sicherer angesehen wird, aber mehr Entwicklung erfordert, besteht darin, subkritische Reaktoren der Transmutation der übrig gebliebenen transuranischen Elemente zu widmen.

Ein Isotop, das im Atommüll vorkommt und das hinsichtlich der Proliferation ein Problem darstellt, ist Pu-239. Der große Plutoniumvorrat ist das Ergebnis seiner Produktion in uranbetriebenen Reaktoren und der Wiederaufbereitung von waffenfähigem Plutonium während des Waffenprogramms., Eine Möglichkeit, dieses Plutonium loszuwerden, besteht darin, es als Brennstoff in einem herkömmlichen Leichtwasserreaktor (LWR) zu verwenden. Mehrere Brennstofftypen mit unterschiedlichen Plutoniumzerstörungseffizienzen werden untersucht.

Die Transmutation wurde in den Vereinigten Staaten im April 1977 von Präsident Carter aufgrund der Gefahr der Plutoniumverbreitung verboten, aber Präsident Reagan hob das Verbot 1981 auf. Aufgrund der wirtschaftlichen Verluste und Risiken wurde der Bau von Wiederaufbereitungsanlagen in dieser Zeit nicht wieder aufgenommen. Aufgrund des hohen Energiebedarfs wurden die Arbeiten an der Methode in der EU fortgesetzt., Dies hat zu einem praktischen Kernforschungsreaktor namens Myrrha geführt, in dem eine Transmutation möglich ist. Darüber hinaus wurde in der EU ein neues Forschungsprogramm namens ACTINET gestartet, um die Transmutation im großen industriellen Maßstab zu ermöglichen. Laut der Globalen Kernenergiepartnerschaft von Präsident Bush (GNEP) von 2007 fördern die Vereinigten Staaten jetzt aktiv die Erforschung von Transmutationstechnologien, die erforderlich sind, um das Problem der nuklearen Abfallbehandlung deutlich zu reduzieren.,

Es gab auch theoretische Untersuchungen, bei denen Fusionsreaktoren als sogenannte „Aktinidbrenner“ verwendet wurden, bei denen ein Fusionsreaktor, wie in einem Tokamak, mit einer kleinen Menge der „kleinen“ transuranischen Atome „dotiert“ werden konnte, die bei ihrem sukzessiven Beschuss durch die sehr energiereichen Neutronen, die durch die Fusion von Deuterium und Tritium im Reaktor erzeugt werden, in leichtere Elemente umgewandelt (dh gespalten werden) würden., Eine Studie am MIT ergab, dass nur 2 oder 3 Fusionsreaktoren mit ähnlichen Parametern wie der Internationale Thermonukleare Versuchsreaktor (ITER) die gesamte jährliche Minor-Actinid-Produktion aller derzeit in der US-Flotte betriebenen Leichtwasserreaktoren umwandeln und gleichzeitig etwa 1 Gigawatt Leistung aus jedem Reaktor erzeugen konnten.

Re-useEdit

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Anwendungen für die Isotope im Atommüll zu finden, um sie wiederverwenden zu können., Bereits jetzt werden Cäsium-137, Strontium-90 und einige andere Isotope für bestimmte industrielle Anwendungen wie Lebensmittelbestrahlung und radioisotopenthermoelektrische Generatoren extrahiert. Die Wiederverwendung beseitigt zwar nicht die Notwendigkeit, Radioisotope zu verwalten, kann jedoch die Menge der produzierten Abfälle reduzieren.,

Das nuklearunterstützte Kohlenwasserstoffherstellungsverfahren, kanadische Patentanmeldung 2,659,302, ist ein Verfahren zur vorübergehenden oder dauerhaften Lagerung von nuklearen Abfällen, das die Einlagerung von Abfällen in ein oder mehrere Lagerstätten oder Bohrlöcher umfasst, die zu einer unkonventionellen Ölbildung aufgebaut sind. Der Wärmefluss der Abfallstoffe beeinflusst die Bildung und verändert die chemischen und / oder physikalischen Eigenschaften des Kohlenwasserstoffmaterials innerhalb der unterirdischen Formation, um die Entfernung des veränderten Materials zu ermöglichen., Aus der Formation wird ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen, Wasserstoff und/oder anderen Formationsflüssigkeiten hergestellt. Die Radioaktivität hochradioaktiver Abfälle bietet eine hohe Resistenz gegen Plutonium, das in der Peripherie des Endlagers oder im tiefsten Teil eines Bohrlochs gelagert wird.

Züchterreaktoren können mit U-238 und transuranischen Elementen betrieben werden, die den größten Teil der Radioaktivität abgebrannter Brennstoffe in der Zeitspanne von 1.000 bis 100.000 Jahren ausmachen.

Space disposalEdit

Space disposal ist attraktiv, weil es Atommüll vom Planeten entfernt., Es hat erhebliche Nachteile, wie das Potenzial für einen katastrophalen Ausfall einer Trägerrakete, die radioaktives Material in die Atmosphäre und um die Welt verbreiten könnte. Eine hohe Anzahl von Starts wäre erforderlich, da keine einzelne Rakete in der Lage wäre, sehr viel Material relativ zu der Gesamtmenge zu transportieren, die entsorgt werden muss. Dies macht den Vorschlag wirtschaftlich unpraktisch und erhöht das Risiko von mindestens einem oder mehreren Startfehlern., Um die Angelegenheit weiter zu erschweren, müssten internationale Vereinbarungen über die Regulierung eines solchen Programms getroffen werden. Kosten und unzureichende Zuverlässigkeit moderner Raketenstartsysteme für die Weltraumentsorgung waren eines der Motive für das Interesse an nicht-raketenartigen Spacelaunch-Systemen wie Massentreibern, Weltraumaufzügen und anderen Vorschlägen.,

Nationale Bewirtschaftungsplanedit