Radioaktiver Abfall

Begriff, Herkunft und Aktivitätsklassen

Radioaktive Abfälle, umgangssprachlich Atommüll, sind radioaktive Stoffe, die nicht nutzbar sind oder aufgrund politischer Vorgaben nicht mehr genutzt werden dürfen. Der größte Teil entsteht bei der Nutzung der Kernenergie; kleinere Mengen fallen in Medizin, Industrie und Forschung an. Einige Staaten besitzen außerdem Altlasten aus der Entwicklung und Herstellung von Kernwaffen.

Rund 80 % der radioaktiven Abfälle stammen mengenmäßig aus dem Uranabbau, vor allem aus Abraum und Tailings. Hochradioaktive Abfälle entstehen überwiegend durch Kernspaltung und Neutroneneinfang in Kernreaktoren. Radioaktive Abfälle entstehen auch durch kontaminierte Materialien oder durch Neutronenstrahlung aktivierte Bauteile. Beispiele sind Bauschutt aus dem Kraftwerksrückbau, Werkzeuge, Arbeitskleidung, Putzwasser, medizinische Spritzen und metallische Reaktorkomponenten.

International wird nach der Aktivität zwischen schwach-, mittel- und hochradioaktiven Abfällen unterschieden. Die IAEO-Einteilung von 1981 nennt folgende Richtwerte:

Hochradioaktive Abfälle: mehr als 10^14 Bq/m³, typisch 5·10^16 bis 5·10^17 Bq/m³; sie entwickeln typischerweise 2 bis 20 Kilowatt Zerfallswärme pro Kubikmeter.
Mittelradioaktive Abfälle: 10^10 bis 10^15 Bq/m³; sie benötigen Abschirmung, aber kaum oder keine Kühlung.
Schwachradioaktive Abfälle: weniger als 10^11 Bq/m³; bei Handhabung und Transport ist normalerweise keine Abschirmung erforderlich.

Hochradioaktiver Abfall macht in Deutschland etwa 10 % der Menge, aber etwa 99,9 % der gesamten Radioaktivität aus. Für schwach- und mittelradioaktive Abfälle gibt es in verschiedenen Staaten Endlager oder entsprechende Vorhaben. Das finnische Onkalo erhielt 2015 als erstes Endlager für hochradioaktive Abfälle eine Baugenehmigung.

Zerfall, Mengen und Behandlung

Die Aktivität eines einzelnen Radionuklids nimmt exponentiell ab. Nach einer Halbwertszeit ist noch die Hälfte, nach zwei Halbwertszeiten ein Viertel und nach zehn Halbwertszeiten rund ein Tausendstel vorhanden (2^{-10}=1/1024). Nach zwanzig Halbwertszeiten beträgt die Aktivität ungefähr ein Millionstel. Erst wenn sie auf das Niveau der natürlichen Radioaktivität gesunken ist, sind keine Strahlenschutzmaßnahmen mehr erforderlich; dafür können je nach Anfangswert einige wenige bis über zwanzig Halbwertszeiten nötig sein.

Anfangsaktivität und Halbwertszeit sind bei einer gegebenen Anfangsmenge umgekehrt proportional. Aktiviertes Aluminium strahlt zunächst stark, ist wegen seiner Halbwertszeit von wenigen Minuten aber nach einem Tag nicht mehr nachweisbar. ^60Co besitzt dagegen eine Halbwertszeit von 5,27 Jahren und bleibt über Monate nahezu unverändert aktiv. In realen Abfällen liegen meist Nuklidgemische vor. Bei aktiviertem Aluminium treten nach dem kurzlebigen Aluminium zunächst ^64Cu und nach etwa zwei Wochen ^65Zn mit einer Halbwertszeit von 244 Tagen hervor. Deshalb kann eine sichere Aufbewahrung viele Jahre erforderlich sein; möglichst cobaltfreie Stähle sollen langlebige Aktivierungsprodukte vermeiden.

Abgebrannte Brennelemente enthalten Spaltprodukte, Aktivierungsprodukte, erbrüteten Kernbrennstoff wie Plutonium-239 und Plutonium-241, weitere Transurane wie Neptunium-237 und Americium-241 sowie unverbrauchten Brennstoff und Uran-238. Frisch abgebrannte Brennstäbe sind wegen ihrer hohen Aktivität zunächst nicht transportfähig und werden in Abklingbecken gelagert. Danach ist eine jahrzehntelange Zwischenlagerung notwendig. Wiederaufarbeitung verringert das Volumen hochradioaktiver Abfälle, erhöht aber das Volumen schwach- und mittelradioaktiver Abfälle.

Nach Angaben der World Nuclear Association fallen jährlich 12.000 Tonnen hochradioaktiver Abfälle an. Bis Ende 2010 waren weltweit etwa 300.000 Tonnen angefallen, davon etwa 70.000 Tonnen in den USA. Deutsche Kernkraftwerke erzeugten vor der Abschaltung der letzten Werke 2023 jährlich rund 450 Tonnen hochradioaktive abgebrannte Brennelemente. Für Biblis wurden 2022 insgesamt 63.000 Tonnen radioaktive Reststoffe erwartet; 55.000 Tonnen sollten freigegeben und auf einer normalen Deponie gelagert werden, etwa 5.800 Tonnen mussten voraussichtlich als radioaktiver Abfall entsorgt werden.

Bei der Konditionierung werden Abfälle in einen chemisch stabilen, schwer wasserlöslichen Zustand gebracht und für Transport und Endlagerung verpackt. Hochradioaktive Spaltproduktlösungen werden zu Glaskokillen verarbeitet und zusätzlich in Edelstahlbehälter eingeschlossen. Ob Actinoide bei einer späteren Korrosion der Edelstahlhülle das Borosilikatglas zerstören könnten, wird unterschiedlich bewertet. Als Alternative wird die Einbindung in Keramik untersucht. Andere Abfälle werden unter anderem verbrannt oder verpresst und anschließend in Zement oder Bitumen fixiert. Teilweise werden radioaktive Reststoffe wiederverwendet, etwa Stahlschrott für Abschirmplatten.

Endlagerung und mögliche Wiederverwendung

Endlager müssen radioaktive Stoffe über sehr lange Zeiträume von der Biosphäre fernhalten. Da Behälter und andere Lagermaterialien nicht dauerhaft unverändert bleiben, soll das Wirtsgestein den Transport der Stoffe auch nach einem möglichen Zerfall der Behälter stark verlangsamen. Untersucht werden unter anderem Salz, Granit, Tongestein und Tuff. Wasser könnte Korrosion, Auflösung, Fällung, Redoxreaktionen, Komplexbildung, Radiolyse und Kolloidbildung auslösen. Für solche Fälle wird der mögliche Radionuklidtransport im Endlager berechnet. Warnzeichen und Warnsymbole für viele Jahrtausende werden unter dem Begriff Atomsemiotik untersucht.

Für schwach- und mittelradioaktive Abfälle wird in Deutschland der Schacht Konrad genutzt beziehungsweise ausgebaut. Die Endlagerung hochradioaktiver Abfälle ist im Artikelstand 2015 in Deutschland offen. Die Erkundung des Salzstocks Gorleben-Rambow wurde im Oktober 2000 durch das BMUB unterbrochen; eine neue Standortsuche sollte Gorleben und andere Standorte einbeziehen. Der AkEnd legte bereits 2002 wissenschaftliche Kriterien für die Standortauswahl vor. Die EU-Richtlinie von 2011 verlangte von den 14 kernenergienutzenden Mitgliedstaaten bis 2015 nationale Lösungen oder gemeinsame Endlager. Exporte in Staaten außerhalb der EU waren nur unter bestimmten Voraussetzungen erlaubt; Transporte in afrikanische, karibische und pazifische Staaten sowie in die Antarktis waren verboten. Finnland erteilte 2015 die Genehmigung für Onkalo; im Februar 2022 wurde eine Eröffnung 2024 oder 2025 erwartet.

Eine Wiederverwertung kann durch Abtrennung und Nutzung von Brennstoffen, Dekontamination und Freimessen erfolgen. Brutreaktoren und der seit den 1950er Jahren entwickelte Laufwellen-Reaktor könnten auch abgereichertes oder bereits abgebranntes Material nutzen. Theoretisch wäre dadurch eine 20- bis 50-mal effizientere Brennstoffnutzung möglich. Der russische BN-600 und BN-800 in Belojarsk sind die einzigen kommerziell betriebenen Brutreaktoren; der BN-800 speist seit dem 10. Dezember 2015 Strom ein und arbeitet seit dem 31. Oktober 2016 kommerziell. Transmutation soll langlebige Nuklide durch Neutronenbeschuss in kurzlebige Nuklide umwandeln. Die Forschung steht jedoch am Anfang; eine produktive Transmutationsanlage zur Abfallbeseitigung existiert bisher nicht.

Verworfene, legale und illegale Entsorgungswege

Zwischen 1946 und 1993 entsorgten 13 Länder radioaktive Abfälle im Meer. Die Tabelle des Artikels nennt insgesamt 136.682 TBq: 45.252 TBq im Atlantik, 1.278 TBq im Pazifik und 90.152 TBq in der Arktis. Die erste Meeresentsorgung erfolgte 1946 etwa 80 km vor der kalifornischen Küste. Etwa zwei Drittel der Radioaktivität stammten aus sowjetischen U-Boot-Reaktoren und einem Atomeisbrecher-Reaktor in der Karasee. Im Nordostatlantik wurden vor allem verpackte schwachradioaktive Feststoffe entsorgt. Nach einem Moratorium wurde die Meeresentsorgung im November 1993 dauerhaft und uneingeschränkt verboten; das Verbot trat im Februar 1994 in Kraft. Die Einleitung behandelter radioaktiver Wässer, besonders tritiumhaltiger Wässer, ist weiterhin üblich und liegt meist unter den Grenzwerten.

Eine dauerhafte Lagerung unter freiem Himmel ist in Westeuropa nicht zugelassen, weil Wetter und Sonneneinstrahlung die Behälterkorrosion fördern. Im Artikel werden dennoch Lagerungen in Sibirien, der Export abgereicherten Uranhexafluorids aus Deutschland und Frankreich sowie ungesicherte Uranabfalllager bei Mailuussuu in Kirgisistan beschrieben. Dort drohte seit mindestens 2009 der Abrutsch von 180.000 Kubikmetern Uranschlamm in einen Fluss. Illegale Entsorgung wird unter anderem mit einem 2009 entdeckten Frachterwrack vor Süditalien in Verbindung gebracht, das 120 Behälter mit Atommüll enthielt; die Herkunft blieb ungeklärt. In der Ostsee wurden 1991 bis 1994 radioaktive und chemische sowjetische Altwaffen versenkt.

Abgereichertes Uran aus der Urananreicherung wird teilweise für Uranmunition verwendet. Sie wirkt radioaktiv und chemisch giftig. Internationale Studien sahen meist keine signifikante Umweltbelastung außerhalb unmittelbarer Einschlagstellen; gesundheitliche Folgen wie ein Zusammenhang mit Krebs oder dem Golfkriegssyndrom bleiben wegen fehlender epidemiologischer Daten umstritten. 2003 wurden im Irakkrieg zwischen 1.000 und 2.000 Tonnen abgereichertes Uran eingesetzt.

Weitere problematische Entsorgungen betreffen TENORM-Rückstände aus der Öl- und Gasförderung. Diese enthalten unter anderem Radium-226 und Polonium-210; ihre spezifische Aktivität reicht von 0,1 bis 15.000 Bq/g. In Deutschland fallen jährlich etwa 1.000 bis 2.000 Tonnen Trockenmasse an, und ab 1 Bq/g gilt das Material nach der Strahlenschutzverordnung von 2011 als überwachungsbedürftig. Lagerung im Polareis wurde wegen geringer Bevölkerungsdichte erwogen, gilt aber wegen Klimaveränderungen, Kosten und Rückholproblemen als ungeeignet; der Antarktisvertrag von 1959 verbietet sie. Weltraumentsorgung scheitert derzeit an Kosten und Technik: Bei einer Proton-Rakete kosten 1 kg Nutzlast etwa 4.000 Euro, und für 12.000 Tonnen jährlich wären etwa 2.000 Raketenstarts nötig.

Gefahren und Unfälle

Kritiker bezweifeln, dass die Sicherheit für Zeiträume jenseits der menschlichen Zivilisation nachgewiesen werden kann. Tiefe geologische Endlager gelten trotz fehlender absoluter Sicherheit als mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit katastrophal gefährlich. Eine vereinfachte Analyse von Bernard Cohen nimmt an, dass hochradioaktiver Abfall sich wie natürliches Gestein verhält, sich im Grundwasser löst und über Trinkwasser, bewässerte Pflanzen und Fische aufgenommen wird. Cohen schätzte bis zu 0,02 Todesfälle je Gigawattjahr Kernenergiestrom, entsprechend etwa 0,0023 Todesfällen pro Terawattstunde.

US-Studien von 1977, 1987 und 2000 untersuchten hypothetische Transportunfälle mit abgebrannten Brennelementen. Die pessimistischste Schätzung der Nuclear Regulatory Commission von 1977 lag bei einer maximalen Kollektivdosis von etwa 100 Mikrosievert. Die Untersuchung der Sandia National Laboratories von 2000 ermittelte mit 0,094 Mikrosievert die niedrigsten Dosiswerte. Transporte abgebrannter Brennelemente führten wegen der stabilen Behälter bislang zu keiner radioaktiven Belastung von Menschen oder Umgebung.

Unfälle entstanden dagegen durch undichte oder überschwemmte Lager, fehlerhafte Abschirmung, Brände, Stürme und den Diebstahl radioaktiver Stoffe. Beispiele sind die Verteilung von Abfällen aus Majak am teilweise ausgetrockneten Karatschai-See, eingestürzte Entsorgungsgruben in Maxey Flat, kontaminierte Gewässer nach Ereignissen in Italien und die Freisetzung von ungefähr 75 kg unbehandeltem Uran in Tricastin 2008. Plünderungen führten unter anderem zum Goiânia-Unfall und zum Nuklearunfall von Samut Prakan. In Nachfolgestaaten der Sowjetunion verursachten schlecht gesicherte Radioisotopengeneratoren mit teilweise über 100 kg ^90Sr Korrosion und Metalldiebstähle. Beim Satelliten Kosmos 954 wurden 124.000 km² kanadischer Nordwest-Territorien mit Radionukliden kontaminiert. In der Nordsee und Irischen See wurde außerdem eine Kontamination mit ^137Cs aus Sellafield nachgewiesen; die angegebenen effektiven Dosen betrugen dort 7,9 mSv/a für Erwachsene und 7,7 mSv/a für Kleinkinder.

Deutschland: Situation, Recht und Kosten

In Deutschland stellen schwach- und mittelradioaktive Abfälle etwa 90 % des Gesamtvolumens, aber nur 1 % der Radioaktivität dar. Für sie wird der Schacht Konrad umgebaut. Die Entsorgung hochradioaktiver Abfälle bleibt ungelöst. Nach § 23 Abs. 4 StandAG muss eine sichere Lagerung über 1 Million Jahre gewährleistet werden; die Halbwertszeit von Plutonium-239 beträgt 24.000 Jahre. Bevorzugt wird die Endlagerung in tiefen geologischen Formationen. In Europa warten 8.000 m³ hochradioaktiver Abfall in Zwischenlagern, jährlich kommen 280 m³ hinzu.

Das 2017 in Kraft getretene Gesetz zur Neuordnung der Verantwortung in der kerntechnischen Entsorgung ordnete Stilllegung, Rückbau und Finanzierung neu. Der Fonds zur Finanzierung der kerntechnischen Entsorgung ist eine rechtsfähige Stiftung des öffentlichen Rechts. Das Entsorgungsübergangsgesetz überträgt Finanzierungs- und Handlungspflichten, das Transparenzgesetz schafft Auskunftspflichten der Betreiber, und das Nachhaftungsgesetz regelt die zusätzliche Haftung herrschender Unternehmen.

Nach § 21 Atomgesetz muss der Verursacher die Kosten für Erkundung, Errichtung und Unterhalt von Entsorgungsanlagen tragen. Rückstellungen der Energieversorgungsunternehmen betrugen Ende 2009 etwa 28 Milliarden Euro und Ende 2013 etwa 32,5 Milliarden Euro. Für die Schließung der Schachtanlage Asse werden Kosten von über 2 Milliarden Euro geschätzt; der Bund trägt den größten Teil, weil 95 % der eingelagerten Aktivität aus öffentlichen Einrichtungen, besonders der Wiederaufarbeitungsanlage Karlsruhe, stammen. Die Kernbrennstoffsteuer sollte jährlich 2,3 Milliarden Euro einbringen; bis Ende 2013 wurden etwa 4 Milliarden Euro gezahlt, später aber aufgrund eines Gerichtsurteils zurückerstattet. Ein Gutachten von 2014 sah die Gefahr, dass Betreiberfinanzierungen nicht ausreichen und der Staat Kosten übernehmen muss.

Für DDR-Altlasten, insbesondere Morsleben und Teile des Zwischenlagers Lubmin, werden für 2011 bis 2035 etwa 3,2 Milliarden Euro veranschlagt. Der Rückbau des KKW Greifswald kostete bis 2022 bereits 6,5 Milliarden Euro, bei 134 TWh erzeugtem Strom etwa 4,8 Cent je kWh. Die Sicherung von Castor-Transporten kostete in der Vergangenheit bis zu 25 bis 50 Millionen Euro. Wiederaufbereitungsverträge mit britischen und französischen Anlagen kosteten im Jahr 2000 umgerechnet 850 bis 900 US-Dollar je Kilogramm Abfall.