„Science" berichtet von

neuem Werkstoff zur Lagerung von Atommüll

Washington DC — Wissenschaftler aus den USA, aus Großbritannien und aus Japan haben eine Gruppe von Werkstoffen entdeckt, die sich für die Langzeitlagerung von Atommüll zu eignen scheinen. Das Resultat der Untersuchungen erscheint im Journal „Science" vom 4. August.

Nach den Worten von Kurt Sickafus, Mitarbeiter der Los Alamos National Laboratories in New Mexico und federführend bei der „Science"-Studie, wird hochgradig radioaktiver Abfall, wie z. B. verbrauchte Brennelemente aus Kernkraftwerken, gegenwärtig in Behältern gelagert, die eine Lebensdauer von etwa 100 Jahren aufweisen. Für eine realistische Endlagerung müssen solche Abfälle jedoch in Sicherheitsbehältern untergebracht werden, die einer Auslaugung und Beschädigung durch Radioaktivität Tausende von Jahren widerstehen können.

Radioaktive Emissionen führen typischerweise zur Verdrängung von Atomen aus ihrer präzisen Anordnung im Behältermaterial. Dadurch wird dieses im Laufe der Zeit instabil, was zur Bildung von Rissen, zur Verquellung oder gar zu strukturellen Änderungen führt.

Sickafus und Kollegen haben nun eine Klasse keramischer Werkstoffe entdeckt, die den Anforderungen gewachsen sein könnten. Ein wichtiger Faktor scheint zu sein, dass die Atome des Werkstoffs relativ ungeordnet sind und ihre Position sehr einfach ändern und damit die winzigen, durch Radioaktivität verursachten Schäden tolerieren können. Wie ein Objekt wenig auffällt, das sich in einem unordentlichen Zimmer nicht an seinem Platz befindet, so sind auch Defekte in diesen Werkstoffen nicht weiter auffällig.

Schon seit einigen Jahren beschäftigen sich Wissenschaftler bei der Suche nach einem besseren Material zur Ummantelung radioaktiver Abfälle mit einer Klasse von Werkstoffen, die zu einer übergeordneten Gruppe von keramischen Werkstoffen, den so genannten Komplexoxiden, gehören. Die Werkstoffe dieser Klasse weisen eine gemeinsame chemische Grundformel auf: zwei verschiedene Paare metallischer Kationen (positiv geladener Ionen) und sieben Sauerstoffatome.

Je nach ihrer Größe verleihen die Kationen-Paare dem Werkstoff entweder eine hoch organisierte oder eine relativ ungeordnete Struktur.

Wenn die Größe der Kationen-Paare so verschieden ist, dass diese nicht mehr einfach austauschbar sind, resultiert dies in einem Werkstoff, der dem glänzenden, braunen Mineral Pyrochlor ähnelt.

Sind die Paare dagegen von ähnlicher Größe, resultiert dies in einer Struktur, die dem Flussspat ähnelt. In einem solchen Fall ändern die Kationen ihre Position sehr leicht, was zu einem relativ ungeordneten Muster führt.

In der Vergangenheit waren die Wissenschaftler der Meinung, dass es sich bei Werkstoffen mit der braunen Pyrochlor-Struktur um viel versprechende Kandidaten für die Sicherheitsummantelung handele, da sie mit den Abfallbestandteilen chemisch kompatibel seien. Dabei blieb allerdings ungeklärt, ob diese Werkstoffe dem Langzeiteffekt radioaktiver Strahlen widerstehen würden.

Die Gruppe um Sickafus kam nun zu der Erkenntnis, dass die Werkstoffe mit Flussspatstruktur radioaktiver Bestrahlung außerordentlich gut widerstehen. Nach Computersimulationen, wie sie im „Science"-Artikel beschrieben werden, können die Atome in diesen Werkstoffen ihre Position ändern und damit ohne große Anstrengung Defekten Rechnung tragen.

Durch Strahlung verursachte Defekte treten in der strikten Kristallstruktur der Pyrochlor-Gruppe viel eher zu Tage.

„Wenn ein Material einer strengen Ordnung folgen möchte, und die Defekte die Atome dort platzieren, wo sie dieser Ordnung nach nicht sein dürfen, führt das zu einer Energieerhöhung in der Struktur", erläutert Sickafus. „Letztendlich ist im Material so viel Energie vorhanden, dass es zu einer ungewollten Strukturänderung kommt."

Das Forschungsteam führte einige vorläufige Experimente durch, in denen ein Kristall mit Pyrochlor-Struktur und ein anderer mit Flussspatstruktur radioaktiver Strahlung ausgesetzt wurden. Wie erwartet zerfielen die hochorganisierten Atome der Pyrochlor-Struktur in ein amorphes Durcheinander, während die Flussspatstruktur intakt blieb.

Die Komplexoxide von Pyrochlor und Flussspat sind kristallin, d. h. sie bestehen aus Einheiten von regelmäßig angeordneten Atomen. Sickafus und seine Kollegen nehmen an, dass andere kristalline Stoffe mit relativ ungeordneter Struktur ebenfalls gegen die durch radioaktive Strahlung hervorgerufenen Schäden gefeit sind.

„Wir nehmen an, dass es sich hierbei um eine grundsätzliche Eigenschaft handelt, die auch bei Werkstoffen außerhalb der von uns untersuchten Gruppe anzutreffen ist, doch mit Sicherheit können wir das erst nach weiterer Forschungsarbeit sagen", meint Sickafus.

Kristalline Werkstoffe als potenzielles Material zur Herstellung von Behältern für Atommüll werden derzeit in zahlreichen Ländern untersucht, darunter in Japan, Russland und einigen europäischen Ländern. In den Vereinigten Staaten konzentriere man sich laut Sickafus dagegen auf glasartige und zementierte Werkstoffe für die Lagerung von Atommüll.

Nach Sickafus erweisen sich „Keramikstoffe vom Fluorit- oder Flussspattyp als viel versprechende, sichere und strahlungsfeste Möglichkeit und sollten zur Herstellung von Sicherheitsbehältern für Atommüll weiterentwickelt werden."

Das Team besteht weiterhin aus James A. Valdez, Fuxin Li, Kenneth J. McClellan und Thomas Hartman von den Los Alamos National Laboratories, aus Licia Minervini und Robin W. Grimes vom Imperial College in London, und aus Manabu Ishimaru von der Universität Kyushu im japanischen Fukuoka. Die Forschungsarbeit wurde vom US Department of Energy, Office of Basic Energy Sciences, Division of Materials Sciences mitfinanziert.