Längerfristige Zwischenlagerung hochradioaktiver Abfälle

30.03.2015

Aktuell lagern nach Angaben des Bundesamtes für Strahlenschutz insgesamt 1020 Behälter mit hochradioaktiven Abfällen in deutschen Zwischenlagern (Stand 31.12.2014). Beim überwiegenden Teil der Abfälle handelt es sich um abgebrannte Brennelemente. Sie lagern entweder in einem der vier zentralen Zwischenlager oder aber in einem der 12 Zwischenlager an den Kernkraftwerksstandorten. 

Nach ihrem Einsatz im Reaktor werden die Brennelemente zunächst für rund fünf bis zehn Jahre in einem mit Wasser gefüllten Brennelementlagerbecken aufbewahrt. Während dieser Zeit nimmt die Nachzerfallswärme der Brennelemente soweit ab, dass sie in Lagerbehälter umgelagert und in ein trockenes Zwischenlager gebracht werden können. Bei den Behältern handelt es sich meist um sogenannte CASTOR-Behälter.

Bild 1: Castor-Behälter (Quelle: Fotolia.de)Den Behältern kommt im Zwischenlager eine wichtige Funktion zu: Sie schließen die Abfälle sicher ein, schützen sie vor Einflüssen von außen, leiten die entstehende Restwärme ab und schirmen die gefährliche Strahlung der Brennelemente ab. Zusätzlich sorgen die Tragekörbe in den CASTOR-Behältern dafür, dass es nicht zu einer erneuten Kettenreaktion kommen kann. Auch die Dichtheit des Behälters wird permanent überwacht. Bevor die Behälter zum Einsatz kommen, müssen sie für ihren Einsatz getestet und genehmigt werden.

Längerfristige Zwischenlagerung
Auch die Aufbewahrung der Abfälle  bedarf einer Genehmigung. Sie ist derzeit auf 40 Jahre beschränkt. Es war angedacht, die Abfälle nach Ablauf dieser Zeit in ein Endlager zu bringen. Die Endlagerkommission geht derzeit davon aus, dass bis 2031 ein Standort ausgewählt und das Endlager erst 2051 in Betrieb genommen werden kann. Für viele der eingelagerten Abfälle bedeutet dies, dass die 40 Jahre überschritten werden.

Eine längerfristige Zwischenlagerung in trockenen Behältern birgt allerdings einige Herausforderungen. Bislang gibt es weltweit keine Erfahrungen mit dem Transport oder der Lagerung über den Zeitraum von 40 Jahren hinaus. Zunächst einmal müssen die Zwischenlager an den Standorten auch nach Stilllegung der letzten deutschen Kernkraftwerke 2022 weiter betrieben, überwacht und beaufsichtigt werden. Laut den Leitlinien der Entsorgungskommission (ESK) der Bundesregierung müssen nach Ablauf der Genehmigung zusätzliche Nachweise für die Sicherheit der besagten Behälter erbracht werden. Dabei muss z. B. gezeigt werden, dass die Abfälle transportfähig und konditionierbar bleiben. Voraussetzung hierfür ist, dass Behälter und Abfälle – insbesondere die Hüllrohre der Brennstäbe – noch intakt sind.

Bild 2: Brennelement mit Brennstäben (Quelle: AREVA)Alterung von Behältern und Brennelementen
Alterungsphänomene machen weder vor Metall noch vor Beton halt. Sie äußern sich in Form von Korrosion, Verformung oder anderen Veränderungen der Materialeigenschaften. Die Ursachen reichen dabei von der Bestrahlung, über thermische und mechanische Beanspruchung bis hin zu chemischen Reaktionen. Zu den sicherheitstechnischen Komponenten eines Behälters zählen beispielsweise Bolzen und Schrauben, Dichtringe im Deckel oder die Korrosionsbeschichtung der Behälterwand. Bei Brennelement-Hüllrohren kann es altersbedingt z. B. zu Versprödung durch Strahlung oder Einlagerungen von Wasserstoff kommen. Viele dieser Phänomene lassen sich von außen prüfen, wie z. B. die Verschraubung, die Oberflächendosis oder das Temperaturprofil. Andere Komponenten, wie die Dichtheit und Integrität der Hüllrohre sind allerdings nicht direkt prüfbar.

Durch wiederkehrende Prüfungen und Inspektionen, Auswertung von Betriebserfahrungen und Wartungsmaßnahmen müssen diese Alterungseffekte bei einer längerfristigen Zwischenlagerung systematisch beobachtet werden. Gleichzeitig ist es wichtig, die Augen für weitere, bisher noch nicht berücksichtigte Effekte offen zu halten.

Arbeiten der GRS
Die GRS erforscht derzeit Aspekte der Sicherheit der längerfristigen Zwischenlagerung. Die Wissenschaftler erarbeiten dabei Modelle und Methoden, mit denen sich das Verhalten einiger wichtiger Eigenschaften der Behälter und Brennelemente simulieren und Prognosen erstellen lassen. Einen Schwerpunkt bildet derzeit die Untersuchung des Langzeitverhaltens von Brennelementen. Die GRS führt dazu unter anderem numerische Analysen und Modellentwicklungen zum Verhalten von Hüllrohren durch. Konkrete Untersuchungen beziehen sich auf Abbrandrechnungen von Brennelementen aus Druckwasserreaktoren und Temperaturberechnungen anhand eines generischen Behältermodells. Durch die Kombination von Abbrand- und Temperaturberechnungen konnte die GRS einen Ansatz zur Bestimmung der Innendrücke von Hüllrohren und Umfangsspannungen erarbeiten, um erste Prognosen zur Langzeitintegrität der Hüllrohre durchzuführen. Ein anderer Teilbereich der GRS-Arbeiten betrifft die Berechnung der Abschirmung der Neutronen- und Gammastrahlung der Kernbrennstoffe.

Auch wenn mögliche Beschädigungsmechanismen mittlerweile in der Forschung weitgehend bekannt sind und sich die physikalischen Randbedingungen bestimmen lassen, ist die experimentelle Datenlage zur Validierung der Methoden bislang beschränkt. Weitere nationale und internationale Forschungen sind deshalb nötig, um das Wissen hierüber zu erweitern.