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Granite als Endlager für radioaktive Abfälle?

Eines der Hauptprobleme bei der Endlagerung radioaktiver Abfälle, neben der Strahlung, ist die Wärmeproduktion. Darum müssen sowohl die Behälter als auch die Umgebung der Wärme über einen langen Zeitraum stand halten. Um die Wärmeproduktion in überschaubaren Maßen zu halten, werden meist relativ kleine Mengen des radioaktiven Abfalls in großen Behältern verpackt und bei der unterirdischen Endlagerung in sehr großen Volumen an Gesteinsmaterial untergebracht. Hierbei werden oftmals immer noch Temperaturen über 150 °C frei, wodurch die Ansprüche an die Belastbarkeit des Verpackungsmaterials sehr hoch sind. Weil einige der sehr aktiven Wärmeproduzenten wie 134Cs, 137Cs oder 90Sr nur eine kurze Halbwertszeit haben, kann die Erwärmung der Behältnisse durch eine Zwischenlagerung für einige Jahre verringert werden. Allerdings gehören manche der hitzeentwickelnden Nuklide auch zu den Nukliden mit sehr langen Halbwertszeiten. Das bedeutet, dass die Abfälle auch für eine sehr lange Zeit, gewöhnlich einige 100 000 bis Millionen Jahre, sicher von der Biosphäre ferngehalten werden müssen. Ein Zeitraum, über den wir heute noch keinerlei verlässliche Aussagen machen können.

Etwas einfacher würde die Endlagerung von z.B. abgebrannten Brennstäben, wenn man die gefährlichen langlebigen wärmeproduzierenden Nuklide vom Rest der Abfälle abtrennen könnte. So ließe sich Uran in Form von UO2 relativ problemlos lagern, auch wenn Uran selber radioaktiv und langlebig ist. UO2, als Mineral Uraninit bzw. als Pechblende bekannt, ist sehr wenig wasserlöslich, wie man an verschiedenen Uranlagerstätten wie der von Oklo / Gabun, sieht, und damit selbst in geologischen Zeitmaßen als immobil anzusehen.
Um die langlebigen wärmeproduzierenden Nuklide sicher zu lagern, schlug Fergus Gibb von der Universität Sheffield (Geological Soc. London Journal, v. 157, p. 27 – 36.) ein 4-5 km tiefes Bohrloch in kontinentaler Kruste vor. Hier sei der Abfall fern von jeglichem bodennahem Grundwasser und das für eine ausreichend lange Zeit. Dabei sollte die durch die Radioaktivität der Abfälle produzierte Wärme einen Teil des umgebenden Granits zum Schmelzen bringen, um das Bohrloch sicher zu versiegeln. Die Frage dabei war nur; Würde die Wärme durch die Nuklide ausreichen, um genügend Granit aufzuschmelzen? Würden die Behälter mit dem Abfall diese Wärmeentwicklung überstehen? Und schließlich: Würde die Schmelze bei abnehmender Wärmeproduktion wieder auskristallisieren, um den Abfall zu versiegeln? Gibb nahm an, das es rund 60 bis 70 Tage dauern würde, bis das umgebende Gestein eine Temperatur von 850 °C erreicht. In den folgenden rund 2,5 Jahren würde die Temperatur von 850 auf gut 600 °C abkühlen.

Bislang konnte die Zeit, die eine granitische Schmelze benötigt um zu kristallisieren, nur abgeschätzt werden. Daher wurden jetzt von Gibb zusammen mit Philipp Attrill, Schmelz- und Abkühlversuche an einem Granitpulver unter einem Druck von 0,15 GPa vorgenommen, wie er in etwa einer Tiefe von 4 bis 5 km entspricht (Geology, v. 31, p. 657 – 660). Dabei hat sich gezeigt, das die Aufschmelzung bereits ab 700 °C beginnt. Wurde das Gesteinspulver rund 570 Stunden auf 800 °C erhitzt, schmolzen 60 Vol% des Gesteins. Bei einem soliden Bohrkern aus dem selben Granit wurden unter diesen Bedingungen nur 40 Vol% aufgeschmolzen. Die äußere Schicht des Bohrkernes schmolz und die Schmelze drang teilweise in das Gestein ein. Dieses Eindringen der Schmelze im Zeitrahmen des Experiments ist von einiger Bedeutung. Beim Abkühlen nutzt die Schmelze die dort vorhandenen Kristalle als Keime und versiegelt kleine Spalten fest. Das würde die Abfälle zuverlässig von der Umgebung abschließen. Bislang nahm man an, das die Schmelze eine spröde glasartige Schicht bilden würde, was nicht als ideal angesehen wurde. Die auskristallisierte Schmelze bildet jedoch eine sehr widerstandsfähige Schicht.
Die Temperatur der Kristallisierung ist tiefer als die der Aufschmelzung und ist vom Wassergehalt der Schmelze und der Abkühlungsgeschwindigkeit abhängig. Bei Abkühlung vom 0,1 ° pro Stunde und 1,5 Gew% Wassergehalt der Schmelze erfolgte die endgültige Erstarrung bei 640 °C und bei 2,5 Gew% Wasser sogar erst bei 560°C.

Demnach, so schließen Gibb & Attrill, stellen Granite durchaus eine sichere Alternative zur Endlagerung hitzeproduzierender und langlebiger radioaktiver Abfälle dar. Sie lassen sich bei Temperaturen unter 1000°C aufschmelzen und diese Schmelze dringt in die feinen Risse des Gesteins ein um es anschließend zu versiegeln. Gegebenenfalls kann sowohl die Aufschmelzung als vor allem auch die Abkühlung durch eine elektrische Heizvorrichtung im Bohrloch kontrolliert und gesteuert werden.

© 2004 Gunnar Ries


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