Kernreaktoren in den Vereinigten Staaten erzeugen verbrauchte Brennelemente, aber mehr als 95 Prozent dieser Brennelemente enthalten noch wertvolles Energiepotenzial. Durch die Anwendung fortschrittlicher chemischer Verfahren und neuer Technologien können Wissenschaftler dieses Material recyceln, um mehr Energie zu erzeugen und die langfristigen radioaktiven Abfälle erheblich zu reduzieren. Jetzt arbeiten die Forscher daran, dieses Potenzial in eine praktische, skalierbare Lösung zu verwandeln.
Wissenschaftler des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) arbeiten mit Shine Technologies, einem in Wisconsin ansässigen Unternehmen, zusammen, um ein neues chemisches Verfahren zur Abtrennung wertvoller Materialien aus gebrauchten Kernbrennstoffen zu entwickeln. Bei diesem Prozess werden Geräte eingesetzt, darunter Zentrifugalkontaktoren – Geräte, die sich drehen, um gemischte Flüssigkeiten effizient zu trennen – mit dem Ziel, ein Recyclingverfahren zu schaffen, das sicherer und effizienter ist und von der Industrie übernommen werden kann.
Ziel des Projekts ist es, eine Recyclingmethode zu entwickeln, die von der Industrie kosteneffizient und skalierbar übernommen werden kann. „Der Brückenschlag zwischen wissenschaftlicher Forschung und industrieller Umsetzung ist entscheidend für die Bewältigung komplexer Herausforderungen“, sagte Candido Pereira, stellvertretender Bereichsleiter für den Bereich Chemical and Fuel Cycle Technologies (CFCT) bei Argonne. „Unser Team ist bestrebt, das Fachwissen, die Technologien und die Forschungskapazitäten von Argonne einzubringen, um den privaten Sektor mit Lösungen von Weltklasse zu unterstützen.“
Eine komplexe Herausforderung
Das Recycling gebrauchter Kernbrennstoffe ist eine Herausforderung. Der Brennstoff ist hochradioaktiv und erzeugt Wärme, so dass er sicher gelagert und gekühlt werden muss, bevor er gehandhabt oder verarbeitet werden kann. Anlagen, in denen Brennelemente recycelt werden, benötigen Systeme zum Schutz der Mitarbeiter vor Strahlung und zum Umgang mit kleinen Mengen an radioaktivem Restmaterial.
Eine weitere Herausforderung ist die Sicherung des Kernmaterials während des gesamten Prozesses. Unabhängig davon, ob es sich um frischen, gelagerten oder recycelten Kernbrennstoff handelt, muss dieser vor unbefugtem Zugriff oder Missbrauch geschützt werden. Wissenschaftler wenden die Grundsätze der „eingebauten Sicherheitsmaßnahmen“ bereits in einem frühen Stadium des Prozesses an, um das Risiko einer Abzweigung für nicht-friedliche Zwecke zu vermeiden. Starke Sicherheits- und Überwachungssysteme sind für die nationale Sicherheit und die Einhaltung internationaler Vorschriften unerlässlich.
Neben den technischen und sicherheitstechnischen Aspekten muss das Recyclingverfahren auch wirtschaftlich tragfähig sein. Die zurückgewonnenen Materialien brauchen Abnehmer und praktische Verwendungsmöglichkeiten. Einige Energieversorgungsunternehmen könnten daran interessiert sein, recycelten Brennstoff in fortschrittlichen Kernreaktoren zu verwenden. Andere wertvolle Nebenprodukte könnten in der Weltraumforschung oder der medizinischen Diagnostik eingesetzt werden. So können die beim Recycling zurückgewonnenen Radioisotope beispielsweise den Antrieb von Weltraummissionen unterstützen oder für lebensrettende medizinische Tests verwendet werden. Wenn eine kommerzielle Nachfrage nach diesen Materialien besteht, wird der Bau von Recyclinganlagen wirtschaftlich sinnvoller.
Die Entwicklung eines erfolgreichen Verfahrens erfordert auch Weitsicht. Die Wissenschaftler müssen überlegen, wie verschiedene Reaktorkonzepte den Brennstoff nutzen und welche Materialien künftige Reaktoren benötigen werden. Experten in nationalen Labors wie Argonne sind in einzigartiger Weise qualifiziert, diese Vorhersagen zu treffen und die Recyclingmethoden entsprechend anzupassen.
Fachwissen in Aktion
Peter Tkac, Nuklearchemiker und Leiter der Radiochemie-Gruppe in der CFCT-Abteilung von Argonne, leitet das Team, das an dieser Herausforderung arbeitet. „Es ist sehr wichtig, dass wir die Trennungsschritte optimieren und ein Verfahren entwickeln, das keinen reinen Plutoniumstrom erzeugt“, sagte Tkac und verwies auf die Risiken und Belastungen, die mit der Sicherung, Lagerung oder Entsorgung von reinem Plutonium verbunden sind. In unserem Labormaßstab können wir Trennungsprozesse unter Bedingungen testen, die die hochgradig strahlende Umgebung einer Recyclinganlage nachahmen.
Tkacs Team nutzt einen Van-de-Graaff-Elektronenbeschleuniger in Argonne, um zu simulieren, wie sich Kernbrennstoff während der Verarbeitung verhält. Ein Van-de-Graaff-Beschleuniger ist eine Art Teilchenbeschleuniger, der statische Elektrizität nutzt – ähnlich wie die Ladung, die sich aufbaut, wenn man einen Luftballon an den Haaren reibt –, um eine hohe Spannung zu erzeugen. Diese Spannung schickt atomare Teilchen in Richtung eines Ziels. Wenn die Teilchen auftreffen, erzeugen sie geringe Mengen an Radioaktivität. Auf diese Weise können Wissenschaftler die Auswirkungen der Strahlung kontrolliert nachahmen und untersuchen, wie sich die beim Recycling verwendeten Chemikalien im Laufe der Zeit abbauen. Sie benötigen keine schwere Abschirmung, wie sie für die Arbeit mit gebrauchten Kernbrennstoffen erforderlich ist.
Diese Tests im Labormaßstab helfen Shine und anderen Partnern, fundierte Entscheidungen über die Ausweitung der Technologie zu treffen. „In der Vergangenheit hat Shine mit Argonne an Verfahren gearbeitet, die die Produktion von therapeutischen und diagnostischen medizinischen Isotopen verbessern“, sagte Ross Radel, Chief Technology Officer von Shine. Wir sind zuversichtlich, dass eine ähnliche Zusammenarbeit bei der Abfallreduzierung durch das Recycling gebrauchter Kernbrennstoffe ein wesentliches Hindernis für den Ausbau der Kernenergie beseitigen und eine reichhaltige Energieversorgung für die Zukunft sicherstellen wird.
Tkac und sein Team arbeiten mit Shine zusammen, um Geräte zu testen, die in Großanlagen eingesetzt werden könnten. Eine Schlüsseltechnologie sind die Zentrifugalkontaktoren von Argonne. Mit diesen Geräten werden zwei gemischte Flüssigkeiten schnell gedreht und nach ihrer Dichte getrennt. Die Technologie ist anpassungsfähig: Die Forscher verwenden 3D-Drucker, um kundenspezifische Teile zu bauen, die eine schnelle und kostengünstige Prüfung verschiedener Designs ermöglichen. Die Prototypen werden unter realen chemischen Bedingungen getestet und produzieren nur minimale radioaktive Abfälle, was sie ideal für die frühe Entwicklung vor der industriellen Umsetzung macht.
„Die von Argonne entwickelte Zentrifugalkontaktor-Technologie ermöglicht die effiziente und effektive Trennung sehr komplexer Gemische bei geringem Platzbedarf“, erklärte Tkac. Wir haben eine gute Strategie für die Wiederaufbereitung von Kernbrennstoff, und der gewählte Ansatz wird von den für die Energieerzeugung gewählten Kernreaktortechnologien abhängen.“
Fazit
Da die Nachfrage nach zuverlässiger Elektrizität weiter steigt, gibt es einen neuen Impuls für die Kernenergie. Auch wenn es noch zu früh ist, um zu sagen, welche Reaktorkonstruktionen sich letztlich durchsetzen werden, steht doch fest, dass die Kernenergie wieder eine zuverlässige Lösung für die Energieprobleme des 21. Jahrhunderts darstellt. „Das Recycling gebrauchter Kernbrennstoffe ist ein sehr komplizierter Prozess, der stark davon abhängt, welche Technologien sich durchsetzen werden und wie hoch die Nachfrage nach Strom sein wird“, so Tkac. „Wir brauchen eine gute Strategie.“
Diese Arbeit wird vom DOE's Office of Technology Commercialization durch einen Technology Commercialization Fund Award unterstützt. Die Zusammenarbeit zwischen Argonne und Shine erfolgt im Rahmen einer Forschungs- und Entwicklungskooperation, bei der das wissenschaftliche Fachwissen von Argonne und die kommerzielle Erfahrung von Shine genutzt werden, um Technologien für das Recycling von Kernbrennstoffen voranzutreiben.
