Transmutation (Physik)

Unter Transmutation versteht man die Umwandlung chemischer Elemente in andere chemische Elemente beispielsweise durch Kernreaktionen. Mögliche Anwendungen sind:

• Behandlung radioaktiven Abfalls
• Herstellung von Gold und anderen Edelmetallen

Ursprünglich wurde der Begriff von Alchemisten verwendet, unter denen sich jahrhundertelang der irrige Glaube hielt, mit chemischen Mitteln andere Elemente in Gold verwandeln zu können.

Kerntechnik

In der Kerntechnik steht der Begriff Transmutation für die von außen induzierte Umwandlung von Atomkernen in andere Isotope. Meist ist damit speziell ein Verfahren gemeint, das zur Umwandlung langlebiger, stark toxischer Radionuklide wie aus dem Betrieb von Kernkraftwerken in kurzlebigere, weniger toxische Stoffe dient.

Transmutation durch Neutronen

Bereits seit den 1940er Jahren wird großtechnisch Plutonium 239 und Uran 233 aus Uran 238 und Thorium 232 gewonnen. Dies war eine der Schlüsseltechnologien beim Aufbau der großen Arsenale von Kernwaffen im Kalten Krieg.

Für die allgemeine Umwandlung von nicht strahlendem Material in radioaktives ist der Begriff Aktivierung üblich. Sie lässt sich in Kernreaktoren nie ganz vermeiden und ist ein Grund für die Entstehung von radioaktivem Abfall beim Betrieb von Kernkraftwerken. Wenn die Transmutation mit Neutronen zu Nukliden führt, die wieder als Kernbrennstoff dienen können, wird sie auch mit dem Begriff Brüten bezeichnet. Reaktoren, die dafür ausgelegt sind, dass dieser Prozess besonders effizient erfolgt, werden daher Brutreaktor genannt.

In Konzepten der 1970er Jahre zum weitgehenden Ersatz von Kohle und Erdöl als Energieträger durch Kernenergie war die Transmutation in Brutreaktoren als Teil eines nuklearen Brennstoffkreislaufs vorgesehen. Auf diese Weise sollten die Uranvorkommen möglichst effizient genutzt werden. Später rückte die Fähigkeit der Brutreaktoren in den Vordergrund, große Teile des in normalen Kernkraftwerken anfallenden Mülls in weniger problematische Stoffe umzuwandeln. Der zur Erprobung des Konzepts geplante Brutreaktor bei Kalkar wurde jedoch nie in Betrieb genommen.

Transmutation durch Beschuss geladener Teilchen

Ende der 1980er Jahre stellte der Nobelpreisträger Carlo Rubbia ein alternatives Konzept, Rubbiatron genannt, zur Transmutation vor. Darin sollte ein unterkritischer Kernreaktor, welcher von einem starken Teilchenbeschleuniger angetrieben wird, die Neutronen zur Transmutation liefern. Der Sicherheitsvorteil dieses Entwurfs ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, dass eine derartige Transmutationsanordnung große Mengen Energie verbraucht.

Zum Einsatz von beschleunigten Protonen zur Transmutation wurden Vorexperimente an bestehenden Beschleunigern für Protonen unternommen. Für eine zu diesem Zweck optimierte Anlage existieren lediglich Konzepte und Machbarkeitsstudien, die auf Carlo Rubbia zurückgehen.^[1]

Beseitigung nuklearen Abfalls

Bis zum heutigen Tage (Stand 2008) wurde weltweit noch keine große Transmutationsanlage zur Beseitigung nuklearer Abfälle verwirklicht. Lediglich im Rahmen von Forschungsprojekten wurden bisher kleine derartige Transmutationsanlagen realisiert. Die wenigen existierenden Brutreaktoren werden ausnahmslos zur Plutoniumproduktion eingesetzt.

Herstellung von Gold und anderen Edelmetallen

In einem Kernreaktor kann durch Bestrahlung von Platin oder Quecksilber Gold hergestellt werden. Da Platin teurer als Gold ist, ist es als Ausgangsmaterial besonders unwirtschaftlich. Vom Quecksilber kann nur das Isotop ¹⁹⁶Hg, welches im natürlichen Quecksilber mit einem Gehalt von 0,15 % enthalten ist, bei Bestrahlung mit langsamen Neutronen durch Neutroneneinfang und anschließenden Elektroneneinfang in das einzige stabile Goldisotop ¹⁹⁷Au umgewandelt werden. Die anderen Quecksilberisotope wandeln sich bei Bestrahlung mit langsamen Neutronen ineinander um oder bilden Quecksilberisotope, die sich durch Beta-Zerfall in Thallium umwandeln. Mit schnellen Neutronen kann das Quecksilberisotop ¹⁹⁸Hg, welches im natürlichen Quecksilber zu 9,97 % enthalten ist, durch Abspaltung eines Neutrons in das Quecksilberisotop ¹⁹⁷Hg umgewandelt werden, welches dann zu Gold zerfällt. Allerdings besitzt diese Reaktion einen geringeren Wirkungsquerschnitt und wäre nur in Schnellen Brütern oder mit Spallations-Neutronenquellen durchführbar. Denkbar ist auch, mit sehr energiereichen Neutronen aus den anderen Quecksilberisotopen mehrere Neutronen herauszuschlagen, um so Quecksilber ¹⁹⁷Hg zu erhalten. Allerdings können so energiereiche Neutronen nur mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern erzeugt werden.

Die Goldsynthese hat wegen ihrer geringen Effizienz keine wirtschaftliche Bedeutung.

Abgebrannte Brennelemente von Kernkraftwerken enthalten einige Prozent stabiles Rhodium und Ruthenium als Nebenprodukt der Kernspaltung. Die parallel entstandenen radioaktiven Isotope der gleichen Elemente mit Halbwertszeiten von 45 Tagen bzw. 373 Tagen erschweren die Abtrennung und Nutzung. Stabiles Palladium entsteht ebenfalls bei der Kernspaltung in Anteilen von einigen Prozent. Allerdings entsteht in vergleichbarer Menge auch das radioaktive Palladiumisotop ¹⁰⁷Pd mit einer Halbwertszeit von 6,5 Millionen Jahren. Für die Nutzung wäre daher zusätzlich zur chemischen Abtrennung eine aufwändige Isotopentrennung notwendig.

Quellen

1. ↑ http://doc.cern.ch/archive/electronic/cern/preprints/lhc/lhc-96-011.pdf

Weblinks

• Transmutation und Inzineration – GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung Darmstadt.
• Arbeitsgruppe Transmutation – Institut für Kern- und Energietechnik, Forschungszentrum Karlsruhe