Die Transmutation (lateinisch ‚Verwandlung‘), auch Umwandlung, und heute auch KernumwandlungKernumwandlung – im Wissen.de-Lexikon, 2021Kernumwandlung – DWDS, 2021 sowie ElementumwandlungTransmutation – DWDS, 2021; dort auch genauer mit „Elementumwandlung“Transmutation – im Wissen.de-Lexikon, 2021; „die kernphysikalische Umwandlung …“Transmutation – Pons, 2021 genannt, ist die Veränderung eines chemischen Elementes in ein anderes. Im Kern des Atoms verändert sich dabei die Protonenzahl.
Eine Elementumwandlung ist mit chemischen Mitteln nicht möglich. Sie erfolgt bei verschiedenen Arten von radioaktiven Zerfällen und Kernreaktionen; auch dies wird manchmal ganz allgemein Transmutation genannt.F. Soddy: Nobelpreis-Vortrag 1922, Seite 372J. Bleck-Neuhaus: Elementare Teilchen. 2. Auflage, Springer 2013, ISBN 978-3-642-32578-6, Seite 692J.-L. Basdevant, J. Rich, M. Spiro: Fundamentals in Nuclear Physics. Springer 2004, ISBN 0-387-01672-4, Seiten 43, 247 Elementumwandlungen durch Kernreaktionen finden im großtechnischen Maßstab vor allem bei der Energieumwandlung in Kernreaktoren als Neben-, meistens jedoch als Abfallprodukt statt. Es gibt Konzepte, radioaktive Abfälle in ihrer Gefährlichkeit durch Transmutation zu verringern.
Einige Konzepte für Kernfusionsreaktoren sehen vor, die schwierig und teuer zu beschaffenden „Brennstoffe“ wie Deuterium oder Tritium in derselben Anlage zu „erbrüten“, die auch die eigentliche Fusion vornimmt. Dies wäre gleichzeitig eine geeignete Verwendungsform der enorm hochenergetischen Neutronen wie sie zum Beispiel bei D-T-Fusion anfallen.https://www.iter.org/sci/FusionFuels
Auch medizinische Radionuklide für den Einsatz in der Nuklearmedizin sowie die Materialien für Thermoisotopengeneratoren („Atombatterie“) werden üblicherweise durch (gezielte) Transmutation gewonnen, wahlweise in Kernspaltungsreaktoren oder in Teilchenbeschleunigern bzw. mittels Spallation. Eine in kleinem Maßstab demonstrierte, aber bisher großtechnisch nicht ökonomische Möglichkeit ist auch die Transmutation geringwertiger oder sogar als „Abfall“ angesehener Materialien zu höherwertigen Materialien, hauptsächlich Edelmetallen. Dieser „reale Stein der Weisen“ gelang erstmals Glenn Seaborg, als er im Labormaßstab Bismut zu Gold transmutierte, jedoch zu Kosten, die den Wert des produzierten Goldes um Größenordnungen überstiegen.
Eine weitere Form der Transmutation mit nicht-radioaktiven Zielprodukten ist die Neutronen-Transmutationsdotierung, welche als spezielle Form der Dotierung bei Halbleitern großtechnisch eingesetzt wird.
Geschichte
Für Alchemisten war mit Transmutation die Verwandlung unedler Metalle wie Blei oder Quecksilber in Silber oder Gold gemeint. Ein vermeintliches Hilfsmittel bei der Durchführung der in ihrer Reihenfolge festgelegten Prozeduren war der Stein der Weisen.Allison Coudert: Der Stein der Weisen. Die geheime Kunst der Alchemisten. (Originalausgabe: Alchemy: the Philosopher's Stone. 1980) Lizenzausgabe. Pawlak, Herrsching 1992, ISBN 3-88199-911-6, S. 47–55.
Die erste Kernumwandlung wurde 1919 von Ernest Rutherford durchgeführt, aber erst 1925 als solche erkannt.
Transmutation in der Nuklear-Entsorgung mini|Radiotoxizität der verschiedenen Bestandteile des Atommülls heutiger Leichtwasserreaktoren 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 Neutronen die besonders langlebigen radioaktiven Bestandteile in kürzerlebige verwandelt werden. Die Transmutation kann aber ein Endlager für hochradioaktive Abfälle nicht ersetzen, da nicht alle Abfallstoffe umwandelbar sind und neue Abfälle entstehen. Hauptsächlich geht es dabei um die minoren Actinoide Neptunium, Americium und Curium – genauer: die Nuklide Np-237, Am-241, Am-243 und Cm-245 – mit ihren besonders langen Halbwertszeiten.
Das Isotop Plutonium‑240 ist im thermischen Bereich nicht spaltbar (fissil). Es entsteht, wenn ein Plutonium‑239‑Kern ein Neutron einfängt, ohne dabei zu spalten. Dieser Vorgang kommt häufiger vor, als dass Plutonium‑240 ein weiteres Neutron einfängt und zu spaltbarem Plutonium‑241 wird. Dadurch sammelt sich Plutonium‑240 in abgebrannten MOX‑Brennstäben an. Der Plutonium‑Anteil solcher verbrauchten Brennstäbe wird daher meist als stark radioaktiver Abfall behandelt und nicht erneut verwendet. Bestimmte KonzepteC. D. Bowman et al.: Nuclear energy generation and waste transmutation using an accelerator-driven intense thermal neutron source. In: Nuclear Instruments and Methods A. Band 320, 1992, S. 336–367.C. D. Bowman: Accelerator driven systems for nuclear waste transmutation. In: Annual Review of Nuclear and Particle Science. Band 48, 1998, S. 505–556. sehen zusätzlich die Transmutation langlebiger Spaltprodukte 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 (abgebrannten) Reaktorbrennstoff abgetrennt werden. Für diese Partitionierung (Partitioning) müssen chemische Verfahren entwickelt werden, die über die existierenden Wiederaufarbeitungsverfahren, z. B. den PUREX-Prozess, hinausgehen. Erforscht werden neben hydrometallurgischenC. Madic et al.: PARTNEW, new solvent extraction processes for minor actinides. Bericht CEA-R-6066, Commissariat à l'Énergie Atomique, 2004 auch pyrometallurgische Verfahren, nämlich elektrochemische Prozesse in einer Salzschmelze.Renn (s. Literaturliste) Seite 120–123
Geeignete Transmutationsreaktion: Kernspaltung oder Neutroneneinfang 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 nächstschwerere, manchmal ebenfalls langlebige Nuklid. Zwar ist Neutroneneinfang üblicherweise auch exotherm, jedoch ist die dabei frei werdende Energie um ca. den Faktor 20 geringer als jene, die bei der Kernspaltung frei wird.
Der Spaltungs-Wirkungsquerschnitt von Nukliden mit gerader Neutronenzahl für einfallende thermische Neutronen ist klein und wächst erst für Neutronenenergien oberhalb ca. 1 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 moderierten Neutronenspektrum in Betracht gezogen.Renn (s. Literaturliste) Seite 117 Je nach Material (Transuranabfall eignet sich vorwiegend zur Spaltung, Spaltprodukte sind oft hauptsächlich durch Neutroneneinfang (und darauf folgenden Zerfall, zumeist Beta-Zerfall) sinnvoll transmutierbar) sind daher teilweise auch thermische Neutronenspektren erforderlich, so dass ein einzelner Reaktor oder ein einzelnes Konzept schwerlich alle Abfälle sinnvoll transmutieren kann.
Transmutation mit kritischen Reaktoren Minore Actinoide Reaktoren mit schnellen Neutronen können zur Transmutation der minoren Aktinoide genutzt werden – tatsächlich ist das „Erbrüten“ von Plutonium, das dem Konzept des schnellen Brüters zugrunde liegt, eine Form der Transmutation von Uran 238. Zur Transmutation minorer Actionide gab es allerdings bereits Experimente, beispielsweise im Kernkraftwerk Phénix in Frankreich und in der Anlage EBR-IIExperimental Breeder Reactor II im Argonne National Laboratory Experimental Breeder Reactor II in USA.M. K. Meyer et al.: The EBR-II X501 minor actinide burning experiment. In: Journal of Nuclear Materials 392, 2009, S. 176–183. (nachträgliche Auswertung) Am russischen BN-Reaktor wird ebenfalls Transmutationsforschung betrieben, regelmäßige Transmutation minorer Actionide ist aber dort nicht bezweckt.
Derzeit werden weltweit mehrere Reaktorkonzepte für schnelle Brutreaktoren entwickelt, die gezielt zur Transmutation eingesetzt werden sollen, insb. einige der sog. Generation IV-Reaktoren. Bislang wurde noch kein solcher Reaktor umgesetzt.
Allerdings befindet sich mit dem russischen BREST ein bleigekühlter schneller Reaktor im Bau, der nach aktuellem Stand 2027 in Betrieb gehen soll und der Transmutation explizit zum Ziel hat; das Projekt beinhaltet auch die Errichtung einer dafür notwendigen, neuartigen Wiederaufbereitungsanlage. Ein ähnliches Projekt verfolgt z. B. das Unternehmen Nucleo, das in Frankreich den bleigekühlten LFR-AS-30- Testreaktor errichten soll. Daneben gibt es „schnelle“ Reaktorkonzepte mit flüssigem Kern, wie etwa das flüssigsalzbasierte FSMR-Projekt von terrapower, welche die Konzeptphase verlassen haben. Eine Kombination aus beiden Ansätzen (Bleikühlung und flüssigem Kernbrennstoff) verfolgt der Dual-Fluid-Reaktor.
Ein von Anfang an auf Transmutation und gleichzeitige Energiegewinnung ausgelegtes Projekt war ASTRID (Advanced Sodium Technological Reactor for Industrial Demonstration), ein in Frankreich geplantes 600-Megawatt-Kernkraftwerk mit natriumgekühltem Reaktor der IV. Generation.C. Latgé: The ASTRID project: status and prospects towards the conceptual phase, Mai 2014 Das Astrid-Projekt wurde 2019 vorläufig eingestellt, eine Weiterführung des Projekts in der zweiten Hälfte des jetzigen Jahrhunderts blieb angedacht.
Die Transmutation von minoren Actinoiden in schnellen Reaktoren kann zu Sicherheitsproblemen führen, weil bei der Spaltung vermehrt unverzögerte Neutronen erzeugt werden, durch die der Reaktor je nach Bauart prompt kritisch werden kann. Hier liegt der besondere Vorteil von Reaktorkonzepten mit flüssigem Brennstoff, weil dieser sich bei steigender Temperatur ausdehnt und damit die Wahrscheinlichkeit der Kernspaltung durch schnelle Neutronen reduziert, was zu einer Selbstregulation je nach Wärmeentnahme führen kann.
Beispielsweise wäre im BN-800-Reaktor zurzeit nur die Transmutation der in einem Jahr anfallenden minoren Actinoide eines 1-GW-Kernkraftwerks möglich. An der Steigerung der Menge wird geforscht. Ein Weg wäre, das Uran-238 vollständig aus dem Reaktorkern zu entfernen und durch einen – gegenüber Neutronenstrahlung – inerten Platzhalter zu ersetzen. In diesem Falle könnten 90 kg minore Actinoide im Jahr transmutiert werden, der jährliche Ausstoß von etwa fünf Leichtwasserreaktoren der 1-GW-Klasse.V. I. Matveev, V. A. Yeliseev, Ye. V. Poplavskaya: The Use of Sodium-Cooled Fast Reactors for Effectively Reprocessing Plutonium and Minor Actinides. National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. 2005, . Ein solches Konzept wird aber nicht verfolgt, da es dem Hauptzweck eines jeden Brüters entgegenstünde, U238 zu transformieren, aus dem der weitaus größte Teil (a. 95 %) abgebrannter Brennstäbe besteht. Für eine komplette Beladung des BN-800 braucht man rund 15 t Material, davon etwa 20,5 % Plutonium, der Rest ist größtenteils Uran-238. Dieses Material könnte auch aus aufbereiteten alten Brennstäben von Atomkraftwerken stammen. Bei 10 % Abbrand hätte sich die eingesetzte Menge nach dem Zyklus um 1,5 t verringert.
Spaltprodukte Die Transmutation langlebiger Spaltprodukte (z. B. Selen-79, Zirconium-93, Technetium-99, Palladium-107, Iod-129 und Cäsium-135) ist wegen der sehr geringen Einfangquerschnitte im schnellen Neutronenspektrum anspruchsvoll. Je nach Nuklid kommen allerdings auch andere Reaktionen, vor allem (n,α)-Reaktionen, in Betracht. In den 1990er Jahren wurde an dem Versuchsreaktor ALMR in Hanford – mit schnellem Neutronenspektrum – die Transmutation von Technetium-99 in kurzlebige Spaltprodukte demonstriert. Es konnte deutlich mehr Technetium-99 transmutiert werden, als gleichzeitig erzeugt wurde.S.F. Kessler: Reduction of the sodium-void coefficient of reactivity by using a technetium layer. Westinghouse Hanford Company, 1993.