mini|Behälter mit radioaktivem Abfall in den USA mini|Transportbehälter des Typs TN 85 des Transports vom 9. November 2008 in das Brennelemente-Zwischenlager Gorleben Radioaktive Abfälle, umgangssprachlich meist Atommüll genannt, sind radioaktive Stoffe, die nicht nutzbar sind oder aufgrund politischer Vorgaben nicht mehr genutzt werden dürfen. Der meiste radioaktive Abfall entsteht durch die Nutzung der Kernenergie. Kleinere Mengen fallen in Medizin und Forschung an; einige Staaten haben erhebliche Altlasten aus der Entwicklung und Herstellung von Kernwaffen. Anfallende radioaktive Stoffe und davon kontaminiertes anderes Material werden durchwegs in Zwischenlagern verwahrt; die Handhabung hochradioaktiver Abfälle durch Endlagerung, Transmutation oder Wiederverwendung ist eine wichtige Aufgabe für die Menschheit.

Herkunft beziehungsweise Entstehung 300px|mini|Entstehung der radioaktiven Abfälle der Nuklear-Industrie Der mengenmäßig überwiegende Teil der Abfälle entsteht durch die Uranwirtschaft. Der größte Teil mit rund 80 % der radioaktiven Abfälle stammt aus dem Uranabbau (Abraum und Tailings) und wird in der Nähe des jeweiligen Uranbergwerks deponiert. Hochradioaktive Abfälle entstehen überwiegend durch Kernspaltung und Neutroneneinfang in Kernreaktoren. Vergleichsweise geringe Mengen radioaktiver Abfälle stammen aus der Anwendung radioaktiver Substanzen in Medizin, Industrie und Forschung.

Radioaktive Abfälle entstehen auch, wenn Materialien beim Umgang mit radioaktiven Stoffen kontaminiert oder durch Neutronenstrahlung aktiviert wurden. Beispielsweise sind folgende Materialien radioaktiv kontaminiert: Bauschutt aus dem Rückbau von Kernkraftwerken ausgediente Werkzeuge und Geräte aus Kernkraftwerken Putzlappen, Arbeitskleidung, Verpackungen Putzwasser, auch als Verdampferkonzentrat Spritzen und Kanülen sowie Präparate und Abwässer aus der Nuklearmedizin

Aktiviert werden insbesondere Metallische Bauteile von Kernreaktoren, die beim Rückbau von Kernkraftwerken anfallen.

Klassifikation nach Aktivität Radioaktive Abfälle werden international in schwach-, mittel- und hochradioaktive Abfälle eingeteilt (low-, intermediate- und high-level waste, LLW, ILW und HLW). Je nach Art und Energie der Strahlung und insbesondere deren Aktivität und Halbwertzeit sind unterschiedliche Abgrenzungskriterien in Gebrauch. Die Internationale Atomenergie-Agentur IAEO hat 1981 folgende Einteilung vorgenommen: Hochradioaktive Abfälle erzeugen aufgrund ihrer hohen Aktivität (> 1014 Bq/m³; typisch 5·1016 – 5·1017 Bq/m³) erhebliche Zerfallswärme (typisch 2 bis 20 Kilowatt/m³); Mittelradioaktive Abfälle (1010 – 1015 Bq/m³) erfordern Abschirmmaßnahmen, aber kaum oder gar keine Kühlung; Schwachradioaktive Abfälle (<1011 Bq/m³) erfordern bei Handhabung oder Transport keine Abschirmung.

Der hochradioaktive Abfall hat einen relativ geringen Mengenanteil (in Deutschland ca. 10 %), enthält aber den ganz überwiegenden Teil (ca. 99,9 %) der gesamten Radioaktivität. In der öffentlichen Diskussion um die Endlagerfrage geht es im Wesentlichen um solche hochradioaktiven Spaltprodukte aus der Kernenergienutzung. Für schwach- und mittelaktive (keine Wärme entwickelnden) Abfälle werden in verschiedenen Staaten Endlager betrieben oder vorbereitet. Als weltweit erstes Endlager für hochradioaktive Abfälle erhielt 2015 das Endlager Onkalo in Olkiluoto in Finnland die Baugenehmigung. Mit der Einlagerung von verbrauchten Brennelementen soll Mitte der 2020er Jahre begonnen werden.

Abklingzeiten von Nuklidgemischen lang=de|mini|Zusammensetzung des Brenn­stoffes bei Beginn und nach 3 Jahren Abbrand in einem Druckwasserreaktor Die Aktivität einzelner Radionuklide klingt exponentiell ab. Nach einer Halbwertszeit beträgt sie nur noch die Hälfte des Anfangswerts, nach zwei Halbwertszeiten ein Viertel, nach zehn Halbwertszeiten rund ein Tausendstel (2−10=1/1024), nach zwanzig Halbwertszeiten rund ein Millionstel. Erst wenn die Aktivität auf das Niveau der natürlichen Radioaktivität abgesunken ist, sind keine Strahlenschutzmaßnahmen mehr erforderlich. Je nach Anfangswert können dafür einige wenige bis über zwanzig Halbwertszeiten nötig sein.

Für eine gegebene Anfangsmenge radioaktiver Atomkerne sind Anfangsaktivität und Halbwertszeit umgekehrt proportional zueinander. Beispielsweise strahlt durch Neutroneneinfang aktiviertes Aluminium heftig, hat aber eine Halbwertszeit von nur wenigen Minuten, so dass die Aktivität nach einer Stunde vernachlässigbar und nach einem Tag nicht mehr nachweisbar ist. Die gleiche Menge frisch aktivierter 60Co-Kerne hat eine wesentlich geringere Anfangsaktivität, die jedoch monatelang nahezu unverändert bleibt, da die Halbwertszeit 5,27 Jahre beträgt.

Radioaktive Abfälle aus Neutronenaktivierungen sind nur in den seltensten Fällen isotopenrein. In aller Regel enthalten sie Mischungen verschiedenster Nuklide mit sehr unterschiedlichen Halbwertszeiten. Dadurch erfolgt das Abklingen anders als nach der exponentiellen Regel, die sich nur jeweils auf einzelne Isotope bezieht. Beispielsweise enthält der Werkstoff Aluminium außer dem chemischen Element Aluminium stets auch Beimischungen von Kupfer und Zink und Spuren von Nickel und Cobalt. Alle diese Elemente werden durch Neutroneneinfang aktiviert, wenn sie als Werkstoff in einem Reaktor eingesetzt sind. Nach dem Ende der Neutronenbestrahlung dominiert zunächst die zuvor erwähnte kurzlebige Radioaktivität des Aluminiums. Nach zehn Minuten aber sinkt die Gesamtaktivität nicht exponentiell weiter, sondern es tritt die langlebigere Aktivität des aktivierten 64Cu in den Vordergrund. Nach zwei Wochen ist auch das 64Cu fast vollständig zerfallen, nun aber zeigt sich die noch langlebigere Aktivität von 65Zn mit einer Halbwertszeit von 244 Tagen. Es kann deshalb sein, dass man das Werkstück viele Jahre lang sicher verwahren muss, bevor seine Restaktivität vernachlässigbar ist. Aus diesem Grund werden in kerntechnischen Anlagen, wenn möglich, Legierungen mit besonderer Zusammensetzung verwendet, insbesondere cobaltfreie Stähle.

Ähnliches gilt, auf anderen Zeitskalen, für radioaktive Abfälle aus Kernkraftwerken. Dort kommen die folgenden wesentlichen Stoffgruppen vor: Spaltprodukte, also die bei der Kernspaltung entstehenden „Bruchstücke“ in abgebrannten Brennstäben. Sie bilden die Hauptmenge aller radioaktiven Abfälle, sind zum größten Teil sehr kurzlebig (z. B. Iod-131 etc.), jedoch sind auch einige längerlebig (z. B. Cäsium-137, Strontium-90 etc.) oder langlebig (z. B. Iod-129 etc.). Aktivierungsprodukte. Dies sind ursprünglich nichtradioaktive Materialien aus dem Reaktor oder dessen Umgebung, die durch Neutroneneinfang von Spalt-Neutronen in radioaktive Nuklide umgewandelt wurden (prominentestes Nuklid ist hier Cobalt-60). Erbrüteter Kernbrennstoff, z. B. Plutonium-239, das durch Neutroneneinfang und zwei anschließende Betazerfälle aus Uran-238 gebildet wird, sowie das aus Plutonium-239 durch zwei Neutroneneinfänge erbrütete Plutonium-241. Erbrütete weitere Transurane, wie z. B. Neptunium-237, die entstehen, wenn Uran-235 durch Neutroneneinfang nicht gespalten wird, sondern stattdessen das entstehende Uran-236 sich durch einen weiteren Neutroneneinfang in Uran-237 umwandelt, das sich anschließend durch Betazerfall in das Neptuniumisotop umwandelt. Ein weiteres Beispiel ist Americium-241, das durch mehrfachen Neutroneneinfang aus Plutonium-239 über Plutonium-240 und -241 mit nachfolgendem Betazerfall entsteht. Unverbrauchter ursprünglicher Brennstoff (Uran-235, Plutonium-239 und -241). Unverändertes Uran-238 des ursprünglichen Brennstoffs.

Wegen der hohen Anfangsaktivität sind frisch abgebrannte Brennstäbe nicht transportfähig; sie werden in einem Abklingbecken aufbewahrt. Danach ist eine jahrzehntelange Zwischenlagerung erforderlich.

Wiederaufbereitungsanlagen sollen unverbrauchten und erbrüteten Brennstoff zur Wiederverwendung vom radioaktiven Abfall abtrennen. Dadurch wird das Volumen an hochradioaktivem Abfall stark verringert, das Volumen an mittel- und schwachradioaktiven Abfällen steigt.

Der Gehalt an Radionukliden und deren Mischungsverhältnis ist von vielen Faktoren abhängig, insbesondere von der Art, Herkunft und Vorgeschichte des Abfalls.

Anfallende und angefallene Mengen Nach Angaben der World Nuclear Association entstehen Jahr für Jahr 12.000 Tonnen hochradioaktive Abfälle. Bis Ende 2010 sind weltweit etwa 300.000 Tonnen hochradioaktiven Abfalls angefallen, davon etwa 70.000 in den USA. In den deutschen Atomkraftwerken wurden vor der Abschaltung der letzten Werke im Jahr 2023 jährlich rund 450 Tonnen hochradioaktive abgebrannte Brennelemente erzeugt.

In Russland lagerten 2008 mehr als 700.000 Tonnen radioaktiven Mülls unterschiedlicher Strahlung, davon 140.000 Tonnen aus europäischen Kernkraftwerken. An der Hanford Site in den USA müssen etwa 200.000 Kubikmeter radioaktiven Materials entsorgt werden., tagesschau.de Das weltweit erste Endlager für hochradioaktive Abfälle Onkalo in Finnland hat eine Kapazität von 6500 Tonnen und ist für die Aufnahme der verbrauchten Brennelemente der fünf Kernkraftwerke in Olkiluoto und Loviisa ausgelegt.

Für das im Rückbau befindliche AKW Biblis erwartet der Betreiber Stand 2022 eine Gesamtmenge von 63.000 Tonnen radioaktiver Reststoffe aus den Kontrollbereichen beider Blöcke. 55.000 Tonnen davon sollen zur Freigabe gelangen und letztlich auf einer herkömmlichen Deponie gelagert werden. Ca. 5800 Tonnen können voraussichtlich nicht freigegeben werden und müssen als radioaktiver Abfall entsorgt werden.

Entsorgung mini|hochkant|Betriebliche Abfälle aus Überwachungs­bereichen in kern­technischen Anlagen werden bis zum Nachweis des Gegenteils als radioaktiv angesehen. In Tonnen wie der hier gezeigten werden zum Beispiel Putzlumpen, Verpackungen, Papiermüll und Ähnliches gesammelt. Für brennbaren und unbrennbaren Abfall gibt es unter­schiedliche Entsorgungswege.

Konditionierung Durch die Konditionierung werden die radioaktiven Abfälle in einen chemisch stabilen, in Wasser nicht oder nur schwer löslichen Zustand überführt und den Anforderungen von Transporten und Endlagerung entsprechend verpackt. Je nach Material werden dazu unterschiedliche Verfahren verwendet.

Hochradioaktive Spaltproduktlösungen, die bei der Wiederaufarbeitung abgebrannter Brennelemente anfallen, werden in Glas eingeschmolzen. Die dabei entstehenden Glaskokillen sind korrosionsfest und unlöslich in Wasser. Zusätzlich werden sie wasserdicht in Edelstahlbehälter verpackt.

Forscher entdeckten jedoch, dass die Actinoide (Uran, Neptunium, Plutonium) mit dem Borglas, aus dem die Kokillen bestehen, unter Wassereinfluss reagieren können, wenn die Edelstahlumhüllung durch Korrosion undicht wird. Die dabei entstehenden Kristalle könnten theoretisch das Glas zerstören. Andere Forscher halten jedoch die Zerstörung des Glases trotz der Reaktionen für unmöglich, weil in der Glasmatrix die Konzentration der Actinoide dafür zu gering wäre.

Alternativ hierzu wird an der Einbindung in Keramik gearbeitet; hier ist ebenfalls eine chemisch stabile Lagerung gewährleistet.

Andere radioaktive Abfälle werden – je nach Art – durch unterschiedliche Verfahren (zum Beispiel Verbrennen, Verpressen) in eine möglichst raumsparende, chemisch stabile Form gebracht und anschließend in der Regel in einer chemisch stabilen, wasserunlöslichen Matrix (Zement, Bitumen) fixiert. Hierbei können teilweise radioaktive Stoffe verwertet werden, unter anderem finden radioaktive Lösungen zum Anmischen von Zement bei der Fixierung anderer Abfälle Verwendung und aus schwach radioaktivem Stahlschrott werden beispielsweise Abschirmplatten für Behälter gefertigt.

Endlagerung