USA entwickeln Technologie zur Wiederverwertung von Atommüll in Wasserstoffbrennstoff

Derzeit gibt es weltweit kein Kernkraftwerk, das nach dem Prinzip der Kernfusion (Kernfusionsreaktion) arbeitet. Alle Kernkraftwerke arbeiten nach dem Prinzip der Uranspaltung zur Erzeugung von Wärmeenergie.

Bei der Kernfusion werden zwei Atome miteinander verbunden und dabei Wärme freigesetzt, die einen Generator antreibt. Die Generatoren sorgen für eine große Strommenge nahezu emissionsfrei. Daher gilt sie theoretisch als eine der saubersten Energieformen.

Heutzutage betriebene Kernkraftwerke nutzen zur Energieerzeugung Kernspaltungsreaktionen, es entsteht jedoch auch eine Menge Atommüll, der viele Jahre lang radioaktiv bleibt.

Die Handhabung des Atommülls aus Kernkraftwerken ist schwierig und seine Lagerung äußerst teuer.

Im Gegensatz dazu würde der Kernfusionsprozess, der die Sterne im Universum antreibt, in seiner Endphase nur sehr wenig radioaktiven Abfall produzieren. Dieser Prozess erfordert die Fusion von Deuterium und Tritium.

Die Menschheit hat bei der Nutzung der Fusionsenergie große Fortschritte gemacht, wie zum Beispiel das Kernkraftwerk von OpenAI im US-Bundesstaat Ohio. Noch schwieriger gestaltet sich jedoch die Beschaffung des für Fusionsreaktionen benötigten Tritiumbrennstoffs.

Obwohl Deuterium leicht verfügbar ist, herrscht in den USA derzeit ein gravierender Mangel an Tritium. „Derzeit liegt der Wert von kommerziellem Tritium bei etwa 15 Millionen Dollar pro Pfund [33 Millionen Dollar pro Kilogramm], und die USA verfügen nicht über die inländischen Produktionskapazitäten“, sagte Terence Tarnowsky, Physiker am Los Alamos National Laboratory (LANL) und Hauptautor der Studie.

Tritium für Kernfusionsreaktoren Tritium kommt natürlicherweise in der oberen Atmosphäre vor und Reaktoren in Kanada sind die wichtigsten kommerziellen Produzenten.

In einer Pressemitteilung sagte Tarnowsky, der derzeitige Gesamtbestand an Tritium auf dem Planeten betrage etwa 55 plus/minus 31 Pfund [25 plus/minus 14 Kilogramm].

Nach Tarnowskys Schätzung reichen 25 Kilogramm aus, um mehr als 500.000 Haushalte sechs Monate lang mit Strom zu versorgen. „Das sind mehr als die Zahl der Haushalte in Washington, D.C.“

In den USA lagern inzwischen Tausende Tonnen Atommüll aus kommerziellen Kernkraftwerken. Dieser enthält hochradioaktive Stoffe, deren sichere Lagerung teuer ist.

Wissenschaftler sahen daher eine Möglichkeit, die Machbarkeit der Nutzung noch radioaktiver Atomabfälle zur Gewinnung wertvollen Tritiums zu prüfen. Simulationen deuteten darauf hin, dass Atommüll eine gute Quelle sein könnte, und Tarnowsky führte zahlreiche Computersimulationen potenzieller Tritiumreaktoren durch, um die Produktion und Energieeffizienz des Entwurfs zu bewerten.

Als sich die Atome während der Simulation spalteten, setzten sie Neutronen frei und erzeugten nach einer Reihe weiterer Kernübergänge schließlich Tritium, heißt es in der Pressemitteilung.

Die Boost-Funktion würde es den Betreibern ermöglichen, diese Reaktionen ein- oder auszuschalten und gilt als sicherer als die Kettenreaktionen, die in einem herkömmlichen Kernkraftwerk stattfinden.

Der Beschleuniger beschießt radioaktive Bestandteile im Atommüll und setzt Neutronen frei, die Tritium erzeugen. Abbildung: GenAI

Er schätzt, dass dieses theoretische System mit einer Leistung von einem Gigawatt etwa zwei Kilogramm Tritium pro Jahr produzieren könnte. Er prognostiziert, dass dieses Design bei gleicher thermischer Leistung mehr als zehnmal mehr Tritium produzieren würde als ein Fusionsreaktor.

Als nächstes will der Wissenschaftler die Kosten für die Tritiumproduktion berechnen, sobald ihm detailliertere Berechnungen der Reaktorleistung vorliegen. Die Simulationen werden zudem verfeinert, um die Effizienz und Sicherheit des Reaktordesigns präzise bewerten zu können.

Tarnowsky plant außerdem, einen neuen Code für ein Modell zu entwickeln, das Atommüll mit geschmolzenem Lithiumsalz umgibt. Dabei handelt es sich um ein etabliertes Design für einen mit Uran betriebenen Reaktor, der nur für wissenschaftliche Experimente verwendet wird.

„Die Energiewende ist teuer, und wann immer wir sie erleichtern können, sollten wir es versuchen“, sagte Tarnowsky, der derzeit den Bau des ersten kommerziellen Fusionskraftwerks in den USA und weltweit vorantreibt.

Bei einer Perfektionierung könnte das Design künftige Fusionsreaktoren mit Strom versorgen und eine weniger emissionsintensive Energiewende gewährleisten.

Die Forschung wurde vom Los Alamos National Laboratory und der US-amerikanischen National Nuclear Security Administration finanziert. Der Wissenschaftler wird seine Ergebnisse auf der Herbsttagung der Chemical Society vom 17. bis 21. August vorstellen.