Unzureichende Bewertung von Fusionsreaktorabfall auf Grund beschränkter Materialauswahl und unzutreffender Verwendung von Strahlenschutzrichtlinien

Fusion Reactor Waste Assessment:
Inadequate Choice of Construction Materials and Inappropriate Use of Radiation Protection Guidelines

von

Joachim Gruber

Teile der hier zum Vergleich herangezogenen Forschungsarbeiten wurden vom Autor durchgeführt im
Department of Applied Earth Sciences, Stanford University, Stanford, California, USA
und
 Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, New Mexico, USA

Abstract

There are three equally high "mountains" that have to be climbed until fusion power plants can produce electricity:
  1. containment of the plasma and a net power producing fusion reaction,
  2. tritium technology,
  3. economics of a fusion reactor construction and operating industry.
The Conceptual Study of Commercial Fusion Power Plants (in acamedia cache) covers the technical feasibility, safety and environmental aspects and costs of a future fusion power plant [1].

The study presents designs that touch problem areas 1 - 3.

  1. Tritium and
  2. radioactive waste problems
are presented as minor. The corresponding parts of the Study appear insufficient to me.

  1. Tritium
    • The major part of the tritium inventory, the one in the chemically very instable breeding zone, is disregarded in the accident analysis. The order of magnitude of this inventory is 1 kg, an amount comparable to the global natural tritium inventory.

  2. In the radioactive waste assessment
    1. many elements exposed to the neutron flux are disregarded, particularly the ones that lead to long lived radioisotopes.
    2. so called "Clearance Levels" are used, i.e. limits for the release of radioactive elements into the biosphere recommended by the International Commission on Radiological Protection (ICRP). The study uses these levels to define limits for deliberate release of fusion reactor related radioisotopes into the biosphere. This -in my view- is not in accordance with the principles of the ICRP.
    3. the study assumes continuous distribution of the waste radioisotopes within the environment, ignoring geological/geochemical redistribution processes in the geosphere, e.g. spatial accumulation of the waste elements. Element accumulation is a common geological process.

  3. The types and quantities of the radiologically critical elements of fission and fusion reactor waste differ with respect to their geochemical behavior and the role they play in the biosphere. For example, the hydrogen isotope tritium is an essential part of life, plutonium is a poison. Thus, fusion reactor waste could harm other parts of life and in different ways than fission reactor waste.

    In my view, the EU Conceptual Study follows a traditional path that ignores this scientifically challenging and yet unsolved assessment problem.

In summary, the quality of the safety and waste assessment of the study is below the standard set by the fission reactor establishment.

Thus the study fails to demonstrate that fusion power might be an attractive future alternative.

Zusammenfassung

Es gibt drei gleich große Hürden, die überwunden werden müssen, bis Fusionskraftwerke Strom erzeugen können:
  1. Plasmaeinschluß und energieliefernde Fusionsreaktion
  2. Tritiumtechnologie
  3. Wirtschaftlichkeit
Die Conceptual Study of Commercial Fusion Power Plants (im acamedia Cache) befaßt sich mit der technischen Realisierbarkeit, zu erwartenden Sicherheits- und Umwelteigenschaften sowie Kosten eines künftigen Fusionskraftwerks. Sie stellt im wesentlichen konstruktive Blanket-Entwürfe vor, welche die Problemkreise 1 - 3 berühren [1].

Die Ausführungen zur

  1. Tritium- und
  2. Abfall-Problematik
erscheinen mir unzureichend bearbeitet.
  1. Tritium
    • Der größte Teil des Tritiuminventars, nämlich der in der verfahrenstechnisch sehr instabilen Brutzone, bleibt bei der Abschätzung von Unfallfolgen unberücksichtigt.

  2. Radioaktiver Abfall: Die Berechnung der Art und Menge des radioaktiven Abfalls
    1. vernachlässigt ohne Angabe von Gründen viele der Elemente, die dem Neutronenfluß ausgesetzt sind.
    2. zieht sog. "Clearance Levels" heran, d.h. von der Internationalen Strahlenschutzkommission (International Commission on Radiological Protection, ICRP) veröffentlichte Grenzwerte für die Einleitung radioaktiver Elemente in die Biosphäre. Meiner Ansicht nach widerspricht diese Anwendung der Grenzwerte auf Fusionsreaktorabfall den Grundsätzen der ICRP.
    3. ignoriert geologisch/geochemische Umlagerungsprozesse in der Geosphäre, z.B. eine Akkumulation der Abfallelemente.

  3. Die radiologisch kritischen Elemente von Kernspaltungs- und Fusionsreaktor unterscheiden sich nach Art und Menge wesentlich in Bezug auf ihr geochemisches Verhalten und der Rolle, die sie in der Biospäre spielen. Das Wasserstoffisotop Tritium beispielsweise ist ein essentieller Teil des Lebens, Plutonium ist ein Gift. Mit dem Fusionsreaktorabfall könnten wir daher andere Bereiche des Lebens und auf andere Weise schädigen als durch Spaltreaktorabfall.

    Dies zu untersuchen, ist ebenso Aufgabe einer Fusionsreaktorstudie wie die Prüfung ökonomischer Aspekte.

Die Analysen zur Beeinträchtigung der Umwelt wiederholen drei Jahrzehnte alte Aussagen. Die Qualität der Sicherheits- und Abfallanalyse dieser Studie liegt damit unterhalb des Standards, den das Spaltreaktor-Establishment an sich anlegt.

Die Studie wird somit dem Auftrag nicht gerecht, eine zum Kernspaltungsreaktor alternative Zukunftsperspektive aufzuzeigen.

I. Tritium-Problematik

"Die Sicherheitsüberlegungen gelten dem radioaktiven Tritium und den energiereichen Fusionsneutronen, welche die Wände des Plasmagefäßes aktivieren. Um die Folgen aller schweren Unfälle kennen zu lernen, wurden die beiden zeitnahen Modelle A und B genauer analysiert: Als Unfallauslöser wird der schlagartige und totale Ausfall der Kühlung angenommen; anschließend bleibt das Kraftwerk ohne jede Gegenmaßnahme sich selbst überlassen. Ergebnis: Die Störung der Betriebsbedingungen bringt über Plasmainstabilitäten den Brennvorgang sofort zum Erlöschen; die Nachwärme in den Wänden reicht nicht aus, um Bauteile stark zu schwächen oder gar zu schmelzen. Das Kraftwerk enthält auch keine andere Energiequelle, die seine Sicherheitshülle zerstören könnte. Die Hülle bleibt also stets intakt.

Untersucht wurde nun, wie viel Tritium und aktiviertes Material durch den Temperaturanstieg mobilisiert und aus der Anlage entweichen könnte. Schließlich wurde - für ungünstigste Wetterbedingungen - die daraus resultierende radioaktive Belastung am Kraftwerkszaun bestimmt: Für Modell A und B kommt man auf Werte, die weit - ein bis zwei Größenordnungen - unter der Dosis liegen, ab der eine Evakuierung der Bevölkerung in der Nähe des Kraftwerks nötig wäre. Ähnliches gilt für Modell C, die Werte für Modell D liegen nochmals deutlich niedriger. Damit haben sich die aus früheren Studien bekannten attraktiven Sicherheitseigenschaften in der neuen Studie bestätigt: Katastrophale Unfälle sind in einem Fusionskraftwerk unmöglich." (Quelle: pro-physik.de, Europäische Studie zu künftigen Fusionskraftwerken, im Cache, 3. Februar 2006)

Die Aussage: "Das Kraftwerk enthält auch keine andere Energiequelle, die seine Sicherheitshülle zerstören könnte." ist nicht richtig: Ähnlich wie beim schnellen Spaltreaktor-Brüter ist bei einigen Fusionsreaktorentwürfen die Brutzone - ein Leitungssystem gefüllt mit flüssigem 83Pb-17Li, das kombiniertes Kühlmittel, Brutmaterial, Neutronenvervielfacher und Tritium-Trägermaterial ist (Jackson et al., im Cache) - verfahrenschemisch instabil bis explosiv.

fluessiges Brutmaterial
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 festes Brutmaterial
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Tabelle 1: Kritische Probleme bei Fusionsreaktor-Brutmaterialien
(Quelle: Tabellen 2-1 und 2-2 in Jackson et al., im Cache)

Flüssiges Lithium kann mit dem als Kühlmittel verwendeten Wasser reagieren (M.A. Abdou, "Overview of Fusion Reactor Blanket Designs and their Associated Technological Issues", 1996, im Cache). Diese Alkalimetall-Wasser-Reaktion ist der beim Schnellen Brüter ähnlich.

Bei der Auswertung der Tritium-Sicherheit fehlen also Aussagen über das unfallbedingte Schicksal des Tritiuminventars in der Brutzone.

Es liegt je nach Aufbau und Materialwahl bei größenordnungsmäßig 1 kg bis zu über 10 kg im Fusionsreaktor (Abbildung 1, Jackson et al., 1985, im Cache).

steady-state tritium inventory
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Abbildung 1: "The steady state tritium inventory depends strongly upon the type of breeder material used."

(Quelle: Figure 2-3 in Jackson et al., 1985, im Cache)

 "For solid breeders it might be large, e.g. 10 kg or more, but for a 17Li-83Pb system it could be quite low, e.g. < 1 kg due to the low solubility of tritium in that system."

  • doubling time is the time in which the tritium inventory in the reactor increases by a factor of 2
  • Tritium Consumption is the quantity of tritium that fuses with deuterium in the plasma chamber
  • IS, min is the minimum quantity of tritium in storage, kept in a buffer that will feed the reactor in case of a disruption of the fuel supply system (the system that extracts tritium from the blanket and converts it into tritium gas for injection into the plasma chamber)
  • f is the fractional burnup of the tritium in the plasma
  • steady state tritium inventory is the quantity of tritium in the blanket (IB) plus the quantity in the fuel and exhaust systems

Damit ist die im Unfall möglicherweise aus dem Fusionsreaktor freigesetzte Tritiummenge mit dem globalen natürlichen Tritiuminventar mindestens vergleichbar (Abbildung 2).
Außerdem ist bei den im Blanket herrschen Temperaturen Stahl für Wasserstoff (also ebenso für Tritium) durchlässig.

tritium in the atmosphere

Abbildung 2: Tritium in der Atmosphäre
(1 kg = 9.65 106 Ci, Nuclide Safety Data Sheet - im Cache)

(Quelle: Figure 3 aus James H. Rust, "Nuclear Power Safety", 1976)
siehe auch Seite 64 in Tritium in the Atmosphere (im Cache)

Die Conceptual Study of Commercial Fusion Power Plants ("Studie") (im Cache) handelt die Tritiumtechnologie demgegenüber nur in einem Absatz von 15 Zeilen Länge ab, weshalb auch eine Tritiumextraktionsanlage technisch nicht spezifiziert wird.

II. Abfallproblematik
"Auch die Abfallsituation wurde erneut untersucht: Das von den Fusionsneutronen aktivierte Material verliert seine Radioaktivität in allen vier Modellen relativ schnell. In hundert Jahren sinkt sie auf ein Zehntausendstel des Anfangswerts. Für das zeitnahe Modell B zum Beispiel ist hundert Jahre nach Betriebsende knapp die Hälfte des Materials nicht mehr radioaktiv und kann für beliebige Nutzung freigegeben werden. Die andere Hälfte könnte - entsprechende Techniken vorausgesetzt - rezykliert und in neuen Kraftwerken wieder verwendet werden: Eine Endlagerung wäre dann nicht nötig. Ähnliches gilt für die anderen drei Modelle." (Quelle: pro-physik.de, Europäische Studie zu künftigen Fusionskraftwerken, im Cache), 3. Februar 2006)

1. Rezyklierung von aktiviertem Material

Eine technische Realisierung der Rezyklierung von aktiviertem Fusionsreaktormaterial wird nicht ausgeführt (heiße Zellen und radioaktive Überwachungszonen in den Werkstätten). Ähnliches hat man in den 50ger Jahren für den Spaltreaktorabfall diskutiert: Verwendung der radioaktiven Isotope in Industrie, Handwerk, Medizin und Verbrauchsgüter-Industrie. Man hat davon aber im Laufe der Zeit abgesehen, weil mit dieser Verteilung der Radioisotope eine hohe Populationsdosis verbunden gewesen wäre.
(Jeder Einzelne hätte nur wenig Strahlung erhalten, die Bevölkerung als Ganzes aber die gesamte mit den Abfall-Isotopen verbundene Strahlendosis. Solange man keine Schwelle der Geringdosis-Strahlenbelastung kennt, ist der Schaden unabhängig von seiner Verteilung.)
 

2. Notwendige Isolation des Abfalls

2.1 Vorgehen in der Studie
Die Studie geht bei der Bewertung des radioaktiven Abfalls folgendermaßen vor:
  • Annahme 1 (Materialauswahl)
    Nur die Hauptbestandteile des Reaktors werden radioaktiv. Dieser Teil der im Reaktor erzeugten Radioaktivität hat kurze Halbwertszeiten.

  • Annahme 2 (Anwendbarkeit der Clearance Levels)
    • (a) Die Gefährlichkeit des durch Annahme 1 eingeschränkten Radioisotopenspektrums wird mit radiologischen Modellen der Internationalen Strahlenschutzkommission (International Commission on Radiological Protection, ICRP) bewertet, mit denen sog. "Clearance Levels" (in Cache) definiert wurden. Diese sind spezifische Aktivitäten, die in die Biospähre abgegeben werden können.

    • Die auf diese Weise eingeschränkte Sicht weist den radioaktiven Fusionsreaktorabfall als nur während eines kurzen Zeitraums gefährlich aus.

    • Wegen seiner Kurzlebigkeit kann man zur Bewertung des Fusionsreaktorabfalls
      1. auf die umfangreichen und anspruchsvollen Ausbreitungsmodelle für radioaktiven Abfall verzichten, die für Spaltreaktorabfall entwickelt wurden, und an deren Statt
      2. die Clearance Levels verwenden.
Implizit wird die auf diese Weise erhaltenene kurze Gefährlichkeit von Fusionsreaktorabfall als nachträgliche Legitimierung der Anwendung der Clearance Levels gewertet.

2.2 Kritik am Vorgehen der Studie
  • Kritik an der Materialauswahl (Annahme 1)
    Welche Elemente im Reaktor aktiviert werden, wird nicht explizit spezifiziert, aber offensichtlich wurden nur die in der Tabelle II der Studie genannten Hauptelemente berücksichtigt. Das ist nicht Stand der Technik. Zu den in der Studie vernachlässigten Elementen gehören Verunreinigungen wie
    • die Seltenen Erden, z.B. 1 ppm Europium im Reaktormaterial hätte eine Populationsdosis der Größenordnung 104 rem (100 Sv) noch nach 100 Jahren zur Folge,
    • Chlor,
    • Stahllegierungsbestandteile wie Molybdän und
    • Neutronenvervielfacher wie Wismuth.
    Ergebnis:
    Werden diese aktiviert und wertet man sie entsprechend der in der Studie genannten Kriterien aus, müssen sie größenordnungsmäßig Millionen von Jahren von der Biosphäre abgeschlossen werden.

  • Kritik an der Anwendbarkeit der Clearance Levels (Annahme 2)
    • Die Clearance Levels regeln den unvermeidlichen Umgang mit Radionukliden. Die diesen Levels zugrundeliegenden Modelle der ICRP optimieren zwischen Nutzen der Kerntechnik und ihrem Schaden, und zwar ausdrücklich auf eine Weise, die eine Entwicklung der Kerntechnik ermöglichen soll. Bewußt unnötige Abgabe von Radioaktivität in die Biosphäre, z.B. in Form von Fusionsreaktorabfall, widerspricht aber den Grundsätzen der ICRP. Die Studie trifft also implizit eine Entscheidung gegen die ICRP, nämlich die, daß man ICRP-Modelle trotzdem auf diesen Fusionsreaktorabfall anwenden soll. Dies ist keine wissenschaftliche, sondern eine politische Entscheidung, und sie überschreitet den Rahmen einer wissenschaftlichen Studie.
    • Die Clearance Levels gehen von mittleren Elementkonzentrationen in der Biospähre, z.B. im Boden, und mittleren Übergangskoeffizienten vom Boden in die Nahrungskette aus. Geologische Umlagerungsprozesse, welche zur Akkumulation von speziellen Elementen, also auch von aktivierten Elementen, führen, bleiben unberücksichtigt, obwohl sie sowohl in biospährennahen Böden als auch in geologischen Formationen in einer Reihe von Zeitrahmen ablaufen.
    Ergebnis:
    Großtechnisch erzeugter radioaktiver Abfall muß entsprechend der Philosophie der internationalen Strahlenschutzkommission von der Biosphähre isoliert gelagert werden. Ebenso wie in Spaltreaktor-Abfallstudien (Beispiel: Geotrap-Programm (im Cache)) muß die Wanderung von Fusionsreaktorabfall zurück in die Biosphäre entsprechend dem Stand der Wissenschaft berechnet und dabei zeitliche und räumliche Variationen von geologischen und geochemischen Parametern berücksichtigt werden. Der abgekürzte Weg einer Beurteilung über falsch angewandte Clearance Levels ist nach den heutigen ICRP-basierten Gesetzen nicht zulässig.

III. Ausblick

Nicht die Energiequelle (Kernfusion oder Kernspaltung) und damit der Reaktortyp sondern
  1. geochemische Verlagerungsvorgänge und
  2. anschließende Prozesse in der Biosphäre
könnten die Endlagerproblematik bestimmen. Umweltveränderlichkeiten und (geochemische und biologische) Akkumulationsprozesse legen die Elementkonzentrationen in der Umwelt und der Nahrung fest, beeinflussen damit auch die vom Menschen eingenommenen Elementaufnahmeraten.

Die hier geforderte Geochemie hat aber meines Wissens noch immer gravierende Probleme mit der Unsicherheit der relevanten Umweltparameter und Modelle. Mir scheint, die daraus resultierenden Ungenauigkeiten in der Vorhersage der Radionuklidwanderung könnten durchaus die reaktorspezifischen Unterschiede in der Zusammensetzung und Menge des radioaktiven Abfalls maskieren. Ein Beispiel wäre wieder die bereits erwähnte Akkumulation: Infolge einer bisher noch unbekannten und daher nicht kontrollierbaren Veränderung der geochemischen Verhältnisse kann sich eine sog. sekundäre Lagerstätte in der Biospären bilden. Diese wäre eine radiologische Gefahr für eine eng begrenzte Population, ohne daß zum Zeitpunkt der Abgabe des Abfalls die Clearance Levels überschritten worden wären.

Ein anschauliches Beispiel im Bereich des konventionellen, nichtradioaktiven Abfalls ist die beobachtete Beladung von Elbsedimenten mit Schwermetallen ("Bildung einer sekundären Lagerstätte"), die in der Vergangenheit in geringen Konzentrationen an das Flußwasser abgegeben wurden. Eine anschließende Erhöhung der Konzentration von Komplexbildnern (z.B. aus Waschmitteln) in der Elbe kann die Schwermetallinventare wieder aus den Sedimenten herauslösen. Deshalb wird die Komplexkonzentration in deutschen Flüssen beobachtet.
(Details zu den Grenzen unserer geologisch/geochemischen Kenntnisse in der Tabelle von Abschnitt B und im Summary von Abschnitt C in Models of Contaminant Migration: The Role of Chromatographic Models)

IV. Literatur

  1. D. Maisonnier et al., A Conceptual Study of Commercial Fusion Power Plants, Final Report of the European Fusion Power Plant Conceptual Study (PPCS), European Fusion Development Agreement, EFDA-RP-RE-5.0, April 13, 2005. In acamedia chache

A N H A N G   zu II

Beispiele für notwendige Langzeitisolierung
Drei Beispiele mögen veranschaulichen, wie lange eine realistischere Auswahl von Fusionsreaktor-Materialien im Abfallendlager eingeschlossen bleiben muß (mehr in Abb. 5a und 5b eines Vergleichspapiers). Das verwendete Radionuklid-Bewertungsverfahren basiert auf dem "Specific Activity Concept":
  1. Die spezifische Aktivitäten der Abfallelemente (Einheit: Ci oder Sv pro g eines Elements) bestimmen, wieviel Aktivität mit dem jährlichen Trinkwasser bestimmter Element-Zusammensetzung von uns aufgenommen wird.
  2. Legt man Maxima der Aktivitätsaufnahme fest, werden dadurch umgekehrt Element-Konzentrationsmaxima cp im Wasser festgelegt.
  3. Diese cp werden mit den Konzentrationen ce in natürlichen Grundwassern verglichen: Wenn die Element-Konzentrationsmaxima cp über den natürlichen Konzentrationsbereichen ce liegen, wird weniger als in den Aktivitätsaufnahme-Maxima festgelegt von uns aufgenommen.
Das "Clearance Level Concept" und das "Specific Activity Concept" verwenden beide als Maßeinheit die spezifische Aktivität. Im Unterschied zum Clearance Level Concept vermeidet das Specific Activity Concept
  • die Annahme mittlerer Element-Konzentrationen in der Geosphäre und mittlerer Übergangskoeffizienten aus dem Boden in die Nahrungkette. An ihre Stelle treten empirische Elementkonzentrationen in einem Glied der Nahrungskette, dem Grund- und Oberflächenwasser.
  • Auch eine maximal zulässige Aktivitätsaufnahme wird nicht festgelegt. Es wird vielmehr in der graphischen Darstellung sichtbar, wie sich eine Veränderung einer zulässigen Aktivitätsaufnahme auf die notwendige Isolationsdauer auswirkt: will man die zulässige Aktivitätsaufnahme um eine Größenordnung verringern, so muß man cp um eine Zehnerpotenz nach unten verschieben.

(1) Chlor ist ein Beispiel für eine Verunreinigung, aus der im Fusionsreaktor ein langlebiges Folgeprodukt (Cl36) entsteht. Im Fusionsreaktor aktiviertes Chlor muß etwa 1 Millionen Jahre von der Geosphäre isoliert werden:
 

Die Aktivierungsreaktion ist
Cl35 (n, g) Cl36, Halbwertszeit von Cl36 ist T = 3.0 105 Jahre.

Damit es wie natürliches Chlor mit dem Trinkwasser aufgenommen werden kann, darf es zum Zeitpunkt der Reaktorstillegung -wegen seines Cl36-Gehalts- nur in einer Konzentraton von weniger als cp = 8 10-5 g Cl pro L Wasser vorliegen. Natürliche Konzentrationen von Chlor liegen bei 10-3 ... 1 g/L. Fusionsreaktor-Chlor muß also mindestens für 3.6 T = 106 Jahre von der Biosphäre isoliert werden, bis es (in diesem Konzentrationsbereich) im Trinkwasser vorliegen darf.


(2) Molybdän ist ein Stahl-Legierungsbestandteil. Aus ihm entsteht Technetium (Tc). Im Fusionsreaktor entstandenes Technetium muß möglicherweise eine Millionen Jahre von der Geosphäre isoliert werden:
 

Seine Aktivierungsreaktion im Fusionsreaktor ist
Mo100 (n, 2n) Tc99, Halbwertszeit von Tc99 ist T = 2.1 105 Jahre.

Technetium darf wegen seiner Radioaktivität höchstens in einer Konzentration cp = 2 10-5 g Tc pro L Trinkwasser vorhanden sein (Anmerkung 6 in Tabelle 3 des Vergleichspapiers).
Weil Technetium kein natürliches Element ist, ist sein durch die natürliche Geochemie gegebener Konzentrationsbereich im Trinkwasser unbekannt. Natürliche Konzentrationen des chemisch ähnlichen Mangan (Mn) liegen 10-3 g/L. Würde Technetium in ähnlichen Konzentrationen im Trinkwasser auftreten, müßte Fusionsreaktor-Technetium 5.6 T = 1 106 Jahre von der Geosphäre abgeschlossen bleiben.
 

(3) Ein Fusionsreaktor ist immer ein Brüter (für Tritium). Damit die Neutronenbilanz ausreichend fürs Brüten ist, braucht man Neutronenvervielfacher. Wismuth (Bi) ist ein Kandidat, hat aber auch ein langlebiges Aktivierungsprodukt. Im Fusionsreaktor aktiviertes Wismuth muß 2 Millionen Jahre von der Geosphäre isoliert werden:
 
Seine Aktivierungsreaktion im Fusionsreaktor ist
Bi209 (n, 2n) Bi208, Halbwertszeit von Bi208 ist T = 3.7 105 Jahre, cp = 9 10^-5 g/L Wasser. Wenn natürliche Wismuthkonzentrationen im Wasser bei 10-6 g/L liegen, muß Fusionsreaktor-Wismuth 6.5 T = 2 106 Jahre von der Geosphäre isoliert bleiben.


Version: 18.12.2022
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