Dass abgebrannter Kernbrennstoff zehntausende von Jahren radioaktiv bleibt und sicher gelagert werden muss, war bisher eines der größten Hindernisse für die Kernenergie. In jüngster Zeit wurden jedoch bedeutende Durchbrüche in diesem Bereich erzielt. Eine neue Studie in den USA zielt darauf ab, abgebrannten Kernbrennstoff nicht mehr als dauerhafte Last, sondern als wiederverwertbare Energiequelle zu betrachten.
Zwei kritische Projekte am Thomas Jefferson National Accelerator Facility des US-Energieministeriums konzentrieren sich darauf, eine Technologie namens „Beschleunigergetriebene Systeme“ (Accelerator-Driven Systems – ADS) praktikabler zu machen. Das Ziel ist es, sowohl zusätzlichen kohlenstofffreien Strom aus abgebranntem Brennstoff zu gewinnen als auch die radioaktive Lebensdauer des Abfalls drastisch zu verkürzen.
Teilchenbeschleuniger als Herzstück der Technologie
Das Herzstück der ADS-Technologie sind Teilchenbeschleuniger. Das System schießt hochenergetische Protonen auf ein Target, wie zum Beispiel flüssiges Quecksilber, und löst so einen Prozess aus, der als „Spallation“ bezeichnet wird. Bei dieser Kollision wird eine große Menge an Neuronen freigesetzt. Die freigesetzten Neutronen interagieren mit den langlebigen und unerwünschten Isotopen im Atommüll und wandeln sie in kurzlebige und weniger gefährliche Elemente um. Dieser Vorgang wird „Transmutation“ genannt. Während unbehandelter abgebrannter Brennstoff etwa 100.000 Jahre lang gefährlich bleiben kann, wird angegeben, dass dieser Zeitraum durch die Trennung und das Recycling mittels ADS auf etwa 300 Jahre reduziert werden kann. Dies bedeutet einen grundlegenden Wandel in der Abfallentsorgungsgleichung.
Darüber hinaus reduziert der Prozess nicht nur den Abfall. Die bei der Spallation und den anschließenden Kernreaktionen entstehende hohe Hitze kann auch zur Stromerzeugung genutzt werden. Das System „verbrennt“ also den Abfall und liefert gleichzeitig zusätzliche Energie für das Stromnetz. Dies macht ADS von einer reinen Entsorgungstechnologie zu einer potenziellen Energieerzeugungsplattform.
Damit die Technologie jedoch in kommerziellem Maßstab anwendbar ist, müssen zwei große technische Hürden überwunden werden: Effizienz und Leistungsbedarf. Herkömmliche Teilchenbeschleuniger benötigen extrem niedrige Temperaturen, um Supraleitung zu gewährleisten, was riesige und teure kryogene Kühlsysteme erfordert. Das Team vom Jefferson Lab versucht, dieses Problem zu lösen, indem es die Innenflächen der aus reinem Niob gefertigten Beschleunigerkavitäten mit Zinn beschichtet. Diese Niob-Zinn-beschichteten Hohlräume können bei höheren Temperaturen betrieben werden, sodass standardmäßige kommerzielle Kühlsysteme verwendet werden können, was die Kosten erheblich senkt. Zudem wird an einem komplexeren Design gearbeitet, das eine höhere Effizienz bei der Neutronenproduktion erzielen soll.
Der zweite wichtige Punkt ist die Stromquelle für den Strahl. Forscher versuchen, Magnetrons, die auch in Mikrowellenöfen verwendet werden, für ADS anzupassen. Ziel ist es, die für den Betrieb des Systems erforderliche Leistung von etwa 10 Megawatt effizient bereitzustellen. Die kritischste Herausforderung hierbei ist, dass die Frequenz der erzeugten Energie exakt mit den Beschleunigerkavitäten übereinstimmen muss. Die angestrebte Frequenz in diesem System liegt bei 805 Megahertz. In Zusammenarbeit mit Stellant Systems werden fortschrittliche Magnetron-Prototypen entwickelt, die hohe Leistungsschwellen erreichen können. Die frühzeitige Einbindung von Industriepartnern wie RadiaBeam und General Atomics könnte dazu beitragen, die Technologie schneller vom Labor in die kommerzielle Produktion zu bringen.
Das langfristige Ziel des Programms ist es, das Recycling des gesamten kommerziellen Kernbrennstoffbestands in den USA innerhalb der nächsten 30 Jahre zu ermöglichen. Laut den Forschern am Jefferson Lab besteht die eigentliche Herausforderung darin, den technologischen Reifegrad der aktuellen Beschleunigerwissenschaft auf das für diese spezielle Anwendung erforderliche Niveau zu heben. Im Falle eines Erfolgs könnte das Problem des Atommülls aufhören, ein untrennbares und unlösbares Nebenprodukt der Energieerzeugung zu sein, und sich in eine kontrollierte und produktive Ressource verwandeln.
