Quelltext der Seite Transmutation

{{Dieser Artikel|behandelt die Umwandlung von chemischen Elementen oder von Radionukliden. Zur biologischen Theorie des Artenwandels siehe [[Transmutation der Arten]].}}
'''Transmutation''' (lateinisch ''transmutatio'': Verwandlung) ist die Umwandlung eines [[Chemisches Element|chemischen Elements]] in ein anderes. Die [[Alchemie|Alchemisten]] bezeichneten damit die angestrebte Verwandlung [[Unedle Metalle|unedler Metalle]] in [[Gold]].

Elementumwandlung ist mit [[Chemie|chemischen]] Mitteln nicht möglich. Sie erfolgt jedoch in verschiedenen Arten von [[Radioaktivität|radioaktiven Zerfällen]] und [[Kernreaktion]]en; auch dies wird manchmal ganz allgemein Transmutation genannt.<ref>[http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1921/soddy-lecture.pdf F. Soddy: Nobelpreis-Vortrag 1922], Seite 372</ref><ref>J. Bleck-Neuhaus: ''Elementare Teilchen''. 2. Auflage, Springer 2013, ISBN 978-3-642-32578-6, Seite 692</ref><ref>J.-L. Basdevant, J. Rich, M. Spiro: ''Fundamentals in Nuclear Physics''. Springer 2004, ISBN 0-387-01672-4, Seiten 43, 247</ref> Elementumwandlung durch Kernreaktionen findet im großtechnischen Maßstab vor allem bei der Energiegewinnung in [[Kernreaktor]]en statt.

== Transmutation in der Nuklear-Entsorgung ==
Seit den 1990er Jahren werden als Transmutation spezielle Techniken bezeichnet, mit denen [[radioaktiver Abfall]] in seiner Gefährlichkeit verringert werden soll, indem durch Kernreaktionen mit freien [[Neutron]]en die besonders langlebigen Bestandteile in kürzerlebige verwandelt werden. Hauptsächlich geht es dabei um die [[Transuranabfall|minoren Actinoide]] [[Neptunium]], [[Americium]] und [[Curium]] – genauer: die [[Nuklid]]e Np-237, Am-241, Am-243 und Cm-245 – mit ihren besonders langen [[Halbwertszeit]]en. In manchen der Konzepte soll auch [[Plutonium]] mit umgewandelt werden, obwohl Plutonium auch in Form von Uran-Plutonium-[[MOX-Brennelement|MOX-Brennstoff]] in heutigen (2015) Kernkraftwerken genutzt werden kann. Bestimmte Konzepte<ref name="Bowman92">C. D. Bowman et al.: Nuclear energy generation and waste transmutation using an accelerator-driven intense thermal neutron source. ''Nuclear Instruments and Methods A'' Bd. 320 (1992) Seite 336–367</ref><ref name="Bowman98">[http://staff.ustc.edu.cn/~qunwang/temp/bowman-annurev-nucl-48-1-505.pdf C. D. Bowman: Accelerator driven systems for nuclear waste transmutation. ''Annual Review of Nuclear and Particle Science'' Bd. 48 (1998) Seite 505–556]</ref> sehen zusätzlich die Transmutation langlebiger [[Spaltprodukt]]e vor.

=== Partitionierung ===
Vor der Transmutation müssen bei den meisten Verfahren zunächst die zu bearbeitenden Anteile – also die minoren Actinoide, je nach gewählter Strategie zusammen mit dem Plutonium und evtl. den Spaltprodukten – aus dem gebrauchten ([[Abbrand (Kerntechnik)|''abgebrannten'']]) Reaktorbrennstoff abgetrennt werden. Für diese ''Partitionierung'' ([[Partitioning]]) müssen chemische Verfahren entwickelt werden, die über die existierenden [[Wiederaufarbeitung]]sverfahren, z.&nbsp;B. den [[PUREX-Prozess]], hinausgehen. Erforscht werden neben [[Hydrometallurgie|hydrometallurgischen]]<ref>C. Madic et al.: PARTNEW, new solvent extraction processes for minor actinides. Bericht CEA-R-6066, Commissariat à l'Énergie Atomique, 2004</ref> auch [[Pyrometallurgie|pyrometallurgische]] Verfahren, nämlich elektrochemische Prozesse in einer Salzschmelze.<ref>Renn (s. Literaturliste) Seite 120–123</ref>

=== Geeignete Transmutationsreaktion: Kernspaltung ===
Die vorherrschenden Reaktionen der Actinoide mit Neutronen sind [[Kernspaltung]] und [[Neutroneneinfang]]. Die Spaltung ist der zur Halbwertszeitverkürzung erwünschte Prozess; er liefert zugleich auch noch nutzbare Energie. Der Neutroneneinfang erzeugt dagegen nur das nächst schwerere, manchmal ebenfalls langlebige Nuklid.

Der Spaltungs-[[Wirkungsquerschnitt]] von Nukliden mit gerader Neutronenzahl für einfallende [[thermisches Neutron|thermische Neutronen]] ist klein und wächst erst für Neutronenenergien oberhalb ca. 1 [[Elektronenvolt|MeV]] stark an. Der Einfangquerschnitt ist dagegen bei allen Nukliden für thermische Neutronen am größten. Deshalb werden zur Transmutation überwiegend Anlagen mit einem „schnellen“, also nicht [[Moderator (Physik)|moderierten]] Neutronenspektrum in Betracht gezogen.<ref>Renn (s. Literaturliste) Seite 117</ref>

=== Transmutation mit kritischen Reaktoren ===
Schnelle [[Brutreaktor]]en heutiger Art können nach gewissen Modifikationen, unter Verzicht auf Erbrüten eines Plutonium-Überschusses, zur Transmutation der minoren Actinoide genutzt werden. Ein Beispiel eines solchen Projekts ist [[ASTRID (Reaktor)|ASTRID]] (Advanced Sodium Technological Reactor for Industrial Demonstration), ein in Frankreich geplanter natriumgekühlter 600-Megawatt-Reaktor der [[Generation IV International Forum|IV. Generation]].<ref>C. Latgé: ''The ASTRID project: status and prospects towards the conceptual phase'', Mai 2014 [http://neutron.kth.se/esnii-lectures/ASTRID%20-%20Latge.pdf]</ref> Über den Bau dieses Prototyp-Kernkraftwerks in [[Nuklearanlage Marcoule|Marcoule]] soll 2019 entschieden werden. Auch andere existierende oder im Bau befindliche schnelle Reaktoren, z.&nbsp;B. die russischen Brutreaktortypen [[BN-Reaktor|BN-800 und BN-1200]], können so betrieben werden.

Auch für das Konzept des [[Dual Fluid Reaktor]]s wird die Einsatzmöglichkeit zur Transmutation erwähnt.

Ein allgemeiner Nachteil der Transmutation mit [[Kritikalität|kritischen]] Reaktoren ist, dass aus neutronenphysikalischen Gründen der Brennstoff meist auch Brutstoff, also Uran-238 oder Thorium, enthalten muss, so dass eine gewisse Menge leicht spaltbares Material, Pu-239 bzw. U-233, neu entsteht.<ref>Renn (s. Literaturliste) Seite 118</ref>

=== Transmutation mit beschleunigergetriebenen Reaktoren ===
{{Hauptartikel|Accelerator Driven System}}
Im Brennstoff kritischer Reaktoren dürfen die minoren Actinoide nur eine geringe Beimischung bilden, denn wegen ihres zu kleinen [[Vierfaktorformel|Generationenfaktors]] wird sonst die Kritikalität nicht erreicht. Diese Beschränkung entfällt aber, wenn der Reaktor [[Kernreaktor#Unterkritisch arbeitende Reaktoren|unterkritisch]] mit einer äußeren, von einem [[Teilchenbeschleuniger]] getrieben Neutronenquelle betrieben wird. Mit der Entwicklung der [[Neutronenquelle|Spallations-Neutronenquellen]] sind [[Leistungsreaktor]]en dieser Art in den Bereich des Möglichen gerückt. Solche ''Accelerator Driven Systems'' (ADS) könnten alle überhaupt spaltbaren Nuklide energieliefernd verwerten.<ref name="Bowman92" /><ref>W. T. Hering: ''Angewandte Kernphysik: Einführung und Übersicht''. Teubner 1999, ISBN 978-3-519-03244-1, Seite 303</ref>

Zwei Konzepte sind besonders bekannt geworden: das Konzept von Bowman u. M.<ref name="Bowman92" /><ref name="Bowman98" /> und der ''Energy amplifier'' (Energieverstärker) nach [[Carlo Rubbia]] u. M. (manchmal auch als „Rubbiatron“ bezeichnet).<ref name="Rubbia93">F. Carminati, C. Rubbia et al.: An energy amplifier for cleaner and inexhaustible nuclear energy production driven by a particle beam accelerator. Bericht CERN/AT/93-47 (ET) (1993)</ref><ref name="Rubbia">C. Rubbia et al., ''Conceptual Design of a fast neutron operated High Power Energy Amplifier.'' Bericht CERN/AT/95-44 (ET) (1995)</ref> Bowmans Vorschlag ist der technologisch anspruchsvollere und „radikalere“ (mit Transmutation auch der Spaltprodukte). Er hat aber – zumindest bis 2013 – nicht zu detaillierten Entwicklungsarbeiten geführt.<ref>Renn (s. Literaturliste) Seite 199</ref> Rubbias Vorschlag hält sich näher an schon erprobte Technologien.

Die europäische ADS-Demonstrationsanlage MYRRHA (Multi-purpose hYbrid Research Reactor for High-tech Applications) soll im [[Studienzentrum für Kernenergie|Forschungszentrum Mol]] in Belgien errichtet werden und etwa 2023 in Betrieb gehen.<ref>A. Mueller, H. Abderrahim: Transmutation von radioaktivem Abfall. ''Physik Journal'' Heft 11/2010, Seite 33–38</ref><ref>{{Webarchiv | url=http://www.myrrha.sckcen.be/ | wayback=20150219055701 | text= MYRRHA home page}}</ref><ref>[http://www.euronuclear.org/e-news/e-news-21/myrrha.htm Über MYRRHA]</ref>
Eine ADS-Versuchsanlage am Beschleunigerzentrum [[J-PARC]] in Japan ist im Bau und soll den Betrieb mit Transmutationsbrennstoff etwa 2020 aufnehmen.<ref>T. Sasa: Status of J-PARC transmutation experimental facility (2008) [https://www.oecd-nea.org/pt/iempt10/presentation/SV03Sasa.pdf]</ref>

== Verwertung von Waffenplutonium ==
Eine mit der Abfallverarbeitung verwandte Aufgabe ist die friedliche Nutzung (und damit Beseitigung) vorhandener [[Waffenplutonium]]-Vorräte. Sie kann zwar schon in heutigen (2015) [[Leichtwasserreaktor]]en mit MOX-Brennelementen erfolgen. Dabei entsteht allerdings aus dem Uran-Anteil des Brennstoffs wieder neues, wenngleich nicht waffengeeignetes Plutonium. Schneller wirksam und vielleicht wirtschaftlicher wäre die Verwendung modifizierter Reaktoren, wie z.&nbsp;B. von Galperin u. M.<ref>A. Galperin, M. Segev and M. Todosov: A pressurized water reactor plutonium incinerator based on thorium fuel and seed-blanket assembly geometry. ''Nuclear Technology'' Band 132 (2000) Seite 214–225</ref> unter der Bezeichnung ''Plutonium incinerator'' (Plutoniumverbrenner) vorgeschlagen. In einem üblichen Westinghouse-[[Druckwasserreaktor]] würde dazu statt des normalen Brennelement-Typs ein Typ mit zwei konzentrischen, verschieden beladenen Zonen (''seed and blanket'') verwendet. Die Innenzone jedes Brennelements enthält das Plutonium, aber kein Uran, und hat ein hohes Moderator-zu-Brennstoff-Verhältnis; die Außenzone enthält den Brutstoff [[Thorium]], aus dem Uran-233 entsteht, das direkt im Reaktorbetrieb wieder verbraucht wird. Der Reaktor würde als Kraftwerk die elektrische Leistung von 1100 Megawatt liefern. Von der jährlichen Beladung mit 1210&nbsp;kg Waffenplutonium würden 702&nbsp;kg durch Spaltung beseitigt. Die restlichen 508&nbsp;kg hätten beim Entladen einen hohen Anteil geradzahliger [[Transurane]] (Pu-240, Pu-242, Am-242, Cm-242, Cm-244) und eine hohe [[Spontane Spaltung|Spontanspaltungsaktivität]], wären also für militärische Waffen ungeeignet.

== Literatur ==
* [[Ortwin Renn]] (Hrsg.): ''Partitionierung und Transmutation – Forschung, Entwicklung, Gesellschaftliche Implikationen''. München: Herbert Utz Verlag (2014), ISBN 978-3-8316-4380-6
* Ken Nakajima (Hrsg.): ''Nuclear Back-end and Transmutation Technology for Waste Disposal''. Springer, 2014, ISBN 978-4-431-55110-2
* Mikhail K. Khankhasayev (Hrsg.): ''Nuclear Methods for Transmutation of Nuclear Waste: Problems, Perspectives, Cooperative Research. Proceedings of the International Workshop, Dubna, Russia, 29-31 May 1996''. World Scientific, 1997
; Speziell zur Partitionierung
* K. L. Nash, G. J. Lumetta: ''Advanced separation techniques for nuclear fuel reprocessing and radioactive waste treatment''. Cambridge (UK):Woodhead Publ. Ltd., 2011, ISBN 978-1-84569-501-9

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Kernphysik]]
[[Kategorie:Reaktortechnik]]