20. Jahrhundert:  Geologische «Endlagerung»

Seit der Inbetriebnahme der ersten kommerziellen Kernreaktoren vor 60 Jahren gilt die «Endlagerung» als allgemein und weltweit angestrebte Strategie zur Beseitigung («Entsorgung») der in den Kernkraftwerken produzierten radioaktiven Abfällen[1]. Mit der «Endlagerung» – in ihren unterschiedlichen Ausführungen, wie etwa der Lagerüberwachung und beschränkten Möglichkeit zur Rückholung[2] – sollen die Abfälle definitiv, während Jahrtausenden, in Kavernen im geologischen Untergrund hinter technischen (Abfallform, Abfallkanister und Bentonit) und geologischen Barrieren (Wirtsgesteinsformation und geologische Umgebung) im tiefen Untergrund von der Biosphäre und dem menschlichen Lebensraum ferngehalten werden.

Währenddem wohl niemand der hoffentlich definitiven Beseitigung der schwach und mittel radioaktiven Abfälle durch deren Endlagerung nachtrauert, wurde früh erkannt, dass in Reaktoren abgebrannte Brennstäbe noch immer einen wirtschaftlich interessanten, zur weiteren Energiegewinnung verwendbaren Gehalt an radioaktivem Material aufweisen. So entwickelte sich die Wiederaufbereitung der Brennstäbe, vornehmlich aus Leichtwasserreaktoren, in Fabriken wie La Hague in Frankreich und Windscale in England, nach dem Abtrennungsverfahren für Uran und Plutonium (PUREX-Verfahren). Dabei bestand allerdings das Risiko der sogenannten Proliferation, also der Abzweigung von Plutonium als Ausgangsstoff für Atomwaffen. Um diesem Risiko zu begegnen und die grossen Bestände an Waffenplutonium abzubauen, wurden Mischoxid-Brennstäbe «MOX» (Mixed Oxide Fuel), einem nuklearen Brennstoff aus der Wiederaufbereitung, mit erhöhtem Gehalt an Plutonium hergestellt und in konventionellen Leichtwasserreaktoren verbrannt. Gesetzlich wurde zudem die Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen in vielen Ländern untersagt, im Jahr 2003 auch in der Schweiz, durch das neue Kernenergiegesetz KEG.

Die Wiederaufbereitung nach dem PUREX-Verfahren trägt nur in bescheidenem Mass zur Reduktion hoch radioaktiver Abfälle aus Kernkraftwerken bei. Deshalb wurde auch in Ländern welche Wiederaufbereitung pflegen (oder pflegten), weiterhin an Projekten für die Lagerung hoch radioaktiver Abfälle im geologischen Untergrund gearbeitet. Allerdings mit mässigem Erfolg, mit zahlreichen Pannen[3] und unter dem ständigen Druck einer Öffentlichkeit (und mehr und mehr Fachleuten), welche am dauernden Schutz der Biosphäre durch Tiefenlagerung zweifeln.

21. Jahrhundert: Transmutation der hoch radioaktiven Abfälle (HAA)

Die Idee, hoch radioaktive Abfälle durch die Bombardierung mit Neutronen umzuwandeln in radioaktive Stoffe mit geringerer Aktivität und Halbwertszeit, wird seit Jahrzehnten diskutiert[4]. Ein entsprechendes Experiment führte das Paul-Scherrer Institut (PSI) im Frühjahr 2004 durch[5]. Dieses «Megapie-Projekt» verlief – als Labor-Projekt –  erfolgreich. An eine Umsetzung im industriellen Massstab war aber u.a. wegen hohem Energiebedarf und hohen Kosten zu dieser Zeit nicht zu denken. Aber die Technik hat Fortschritte gemacht, auch bei der Trennung und Transmutation von Radioisotopen aus den hochaktiven Abfällen (Partitioning & Transmutation P&T) in sogenannten Beschleuniger getriebenen unterkritischen Systemen (Accelerator Driven Systems» ADS), wie selbst ein Bericht einer deutschen Forschergemeinschaft unter Beteiligung des öko-Instituts im Auftrag des Bundesamts für die Sicherheit der nuklearen Entsorgung BASE 2024 feststellte: «ADS könnten durch die unterkritische Anordnung deutliche Sicherheitsvorteile haben. ADS werden auch zur Transmutation von radioaktiven Abfällen diskutiert. Sie haben Vorteile für die Transmutation aufgrund des schnellen Neutronenspektrums und der im Vergleich zu kritischen Reaktoren größeren Flexibilität bezüglich der Brennstoffzusammensetzung. Da viele Details von ADS-Konzepten und den dazugehörigen Brennstoffkreisläufen im derzeitigen Stadium des Entwicklungsprozesses noch nicht festgelegt sind, verbleiben viele offene Fragen bezüglich der Analyse der letztlich zu entsorgenden Abfallinventare. Für den Bau des Beschleunigers und der Spallationsneutronenquelle und deren Betrieb fallen Kosten an, ebenfalls wird ein Teil des erzeugten Stroms für den Betrieb der Anlage verwendet. Ein ADS ist daher teurer als ein vergleichbarer LFR.» [6]

Gerade die letzten Wochen haben der Öffentlichkeit aber einige Neuigkeiten in Sachen Transmutation und neuer Entsorgungskonzepte beschert und relativieren damit die Folgerungen des BASE-Berichts von März 2024 zu den Möglichkeiten von ADS-Systemen stark. Vorträge und Informationen von Verantwortlichen des Westschweizer Unternehmens Transmutex im Februar 2025, sowie die Veröffentlichung eines Expertengutachtens der deutschen Bundesagentur für Sprunginnovationen (Spring-D) zeigen zum ersten Mal konkrete Alternativen zur geologischen «Endlagerung», und damit positive Perspektiven zur massiven Entschärfung des Problems der nuklearen Entsorgung hochradioaktiver Brennstoffe über diesen Weg auf.

Transmutex hat vor, bis 2035 einen ersten Reaktor in Betrieb zu nehmen, um die Auftrennung und Wiederverwendung der im Abfall vorkommenden radioaktiven Stoffe umzusetzen und langlebige Problemisotope im Restabfall zu spalten. Die Antworten auf die effektive Machbarkeit dieses Konzepts werden also im Laufe des nächsten Jahrzehnts erwartet.

Was sich aber bereits jetzt abzeichnet ist, dass Transmutex nur die Spitze technologiebasierter Optionen zur Behandlung hochradioaktiver Stoffe ist. Die nukleare Welt ist wieder in Bewegung und könnte auf absehbare Zeit völlig neue Lösungen im Umgang mit hochradioaktiven Abfällen anbieten. Transmutex spricht von 10 Jahren bis zur Inbetriebnahme und Marktreife einer Anlage, die alle Behandlungsschritte der Abfallumwandlung umfassen würde: Aufschluss und elektrochemische Trennung der hoch radioaktiven Abfallstoffe, Neutronenquelle zur Bestrahlung und Transmutation der langlebigen Isotope des Abfalls, Verglasung des kurzlebigen, stark strahlenden Restmülls und Einlagerung desselben in ein geologisches Abklinglager. Bei der Transmutation des Abfalls würde so viel Energie gewonnen, dass der Prozess sich finanziell selbst finanzieren würde. Der aus dem Prozess hervorgehende Abfall müsste sodann für weniger als 1000 Jahre sicher von der Biosphäre isoliert werden, einem historisch überblickbaren Zeitraum.

Gelänge die Transmutation der problematischen Isotope im hochaktiven Müll mit Hilfe dieser neuen Anlage, könnte das Transmutex-Verfahren zu einem echten «game changer» – einem Spielerneuerer – mit enormen Folgen für die bisherige und künftige Entsorgungsplanung werden. Es würde das sichere Aus für das geologische Tiefenlager (das «Endlager») von hoch radioaktiven Abfällen mit Isolationszeiten von bis zu 1 Million Jahren bedeuten.

Dass diese Entwicklungen nicht in der fernen Zukunft angesagt sind, sondern sich in einem überblickbaren mittelfristigen Zeitrahmen abspielen könnten, mischt die Strategie- und Verfahrenskarten neu auf. Dies betrifft in der Schweiz als erstes das Rahmenbewilligungsverfahren für das geologische Tiefenlager, das von der Nagra im November 2024 eingereicht wurde und gegenwärtig von den Sicherheitsbehörden geprüft wird. Die offensichtlichsten Frage: Wie wird das etablierte Entsorgungsverfahren durch die raschen Entwicklungen im Bereich der Abfallumwandlung tangiert? Wie reagieren die Behörden auf diese Herausforderungen, welche den Entsorgungspfad der Schweiz in den Grundfesten verändern könnten; sowohl was das Tiefenlager für hochaktive Abfälle, den Standort für die schwach- und mittelaktiven Abfälle, die Zwischenlagerstrategie und das mögliche Hüten von kürzer lebigen hochaktiven Abfällen betrifft? Was sicher ist: So wie im «Sachplan geologische Tiefenlagerung»[7] angesagt, wird die geplante Entwicklung bei der Ent-Sorgung hochradioaktiver Abfälle bestimmt nicht verlaufen.

Im folgenden Kapitel werden grundlegende Fragestellungen aufgeworfen und kurz ausgeleuchtet.

Entwicklungen und Auswirkungen der Transmutation auf das schweizerische Sachplan- und Rahmenbewilligungsverfahren

Das Projekt «Transmutex» ist in der Schweiz und dem benachbarten Frankreich beheimatet, ist aber weder speziell auf das eine noch auf das andere Land zugeschnitten. Und doch werden beide Länder betroffen sein, sobald etwa im fernen Indien, in Kanada oder in Deutschland eine erste Anlage funktionieren wird.

Gemäss Kernenergiegesetz (KEG 2003, Art. 31) sind in der Schweiz die Produzenten für die Entsorgung der radioaktiven Abfälle in geologischen Tiefenlagern verantwortlich. Dem Bund obliegen die Aufsicht und die Bewilligungsverfahren. Er nimmt auch die Rolle der Entsorgungspflichtigen wahr, falls diese ihrer Pflicht nicht nachkommen. Dies bedeutet, dass sowohl die Bewilligungsbehörde selbst, d.h. das Bundesamt für Energie (BFE), als auch die Aufsichtsbehörde ENSI die nationalen und internationalen Entwicklungen im Bereich der nuklearen Entsorgung zu verfolgen haben. In welchem Ausmass sie dies heute über die geologische Tiefenlagerung hinaus tun, und etwa die Frage der Abfallbehandlung, des Aufschlusses der abgebrannten Brennstoffkerne, der Separation der Aktiniden und der Transmutation durch Neutronenbeschuss verfolgen, ist aus den publizierten Dokumenten nicht ersichtlich. Jedenfalls gelangten bis anhin keine dementsprechenden Information an die Öffentlichkeit. Der Anstoss zum Übergang von der Strategie der geologischen Tiefenlagerung zur Transmutation der hoch radioaktiven Abfälle dürfte somit kaum von den Bundesbehörden ausgehen. Spätestens nach der Veröffentlichung der Studie der Bundesagentur für Sprunginnovationen (SPRIN_D) im Februar 2025 werden die Bundesbehörden – aber auch die Nagra – nicht mehr darum herumkommen, öffentlich zu dieser technischen Entwicklung Stellung zu beziehen.

Natürlich stellt sich dabei die Frage, wie und wann die erwähnten Entwicklungen im Umgang mit radioaktiven Abfällen in das schweizerische Entsorgungsprogramm integriert werden könnten und sollten. Seit Herbst 2024 läuft im Rahmen des «Sachplans geologische Tiefenlager» das Rahmenbewilligungsverfahren für ein Kombilager für alle Abfallkategorien in der Region «Nördlich Lägern». Der Bund rechnet mit der Erteilung einer Bewilligung um das Jahr 2030. Bis zu diesem Zeitpunkt sind voraussichtlich weder die Entsorgungspflichtigen, noch die Bundesbehörden besonders motiviert, über die Transmutation der hoch radioaktiven Abfälle zu berichten, obschon ihnen die Tragweite dieser neuen Technologie durchaus bewusst sein muss, umso mehr Transmutex in engem Kontakt zur Nagra steht, wie schon der Vortrag von Dr. Franz Strohmer in Stadel am 22. Mai 2024 zeigte.[8] Dass dies die Pläne des geologischen Tiefenlagers in Nördlich Lägern und der Rahmenbewilligung für das geplante Tiefenlager arg durcheinander bringt, ist nachvollziehbar. Auch dass sich die offiziellen Institutionen im Augenblick nicht besonders gerne dazu äussern. Hinter den Kulissen sieht es schon etwas anders aus. Auch bei den Institutionen mit Fachwissen weiss man inzwischen: mit Transmutex kommt ein möglicher «game changer» ins Spiel.

In der durch das Lagerprojekt betroffenen Region, wo sich die Bevölkerung – und eventuell auch Gemeinde- und Kantonsbehörden – fragen werden, weshalb und ob überhaupt eine Rahmenbewilligung für ein HAA-Lager erteilt werden soll, wird diese Entwicklung eine neue Diskusssion auslösen, insbesondere über den Sinn eines Endlagers für hochradioaktive Abfälle. Diese Argumentation dürfte bei einer Referendumsabstimmung von Gewicht sein und könnte damit trotz der Trägheit der Institutionen Auswirkungen auf die vom Bundesrat zu erwartende formulierte Rahmenbewilligung haben.

Ein zentraler und schwieriger Fragenkomplex beim Umstieg von geologischer Tiefenlagerung zur Transmutation der HAA betrifft die rechtlichen Aspekte. Die Bedeutung neuer technischer Verfahren zur Behandlung radioaktiver Abfälle ist also auch rechtlich äusserst relevant. Nach heutigem Kernenergiegesetz (KEG 2003) ist die Transmutation der schweizerischen HAA weder im Inland noch im Ausland möglich. Um die Transmutation durch eine Anlage in der Schweiz zu legalisieren, müsste das Gesetz so angepasst werden, dass eine entsprechende Anlage gebaut und betrieben werden könnte. Dies betrifft in erster Linie eine Anlage zum Aufschluss und der elektrochemischen Trennung der Nuklide und einen Reaktor zur Neutronenbestrahlung und Transmutation der Abfallstoffe. Für eine Transmutation müsste die Ausfuhr radioaktiver Stoffe zur Transmutation und die eventuelle Wiedereinfuhr der daraus entstehenden Abfälle legalisiert werden. Aber die rasch ablaufende technische Entwicklung erfordert auch vom Gesetzgeber eine rasche Anpassung. Da Gesetzesprozesse bekanntlich ihre Zeit brauchen, wäre es darum wünschbar, mögliche Neuregelung zu den oben aufgeführten Themen und Bereichen im heutigen KEG bald in Angriff zu nehmen.[9]

Bei der Umsetzung von Technologien wie Transmutex werden auch andere Auswirkungen auf das Entsorgungssystem zu betrachten sein. Wenn kein geologisches Tiefenlager für HAA nach EKRA mehr benötigt werden soll, ist zu fragen, in welche Richtung sich das gesamte Entsorgungssystem bewegen wird. Zum einen betrifft dies die Zwischenlager der HAA-Abfälle, insbesondere das ZWILAG und ein mögliches weiteres unterirdisches Zwischenlager der abgebrannten Brennelemente bis zu ihrem Einsatz in einem Transmutex-Reaktor oder in anderen Applikationen. Zum anderen auch, wie dann mit den neuen Abfallströmen umgegangen werden soll: denn ein Endlager wird es dann für die kurzlebigeren hochaktiven Abfälle (KHAA) immer noch brauchen. Aber dafür reicht auch grundsätzlich ein unterirdisches Langzeitzwischenlager bzw. eine definitive Einlagerung in ein geologisches Tiefenlager. Man sollte deshalb alle möglichen Optionen und Alternativen durchdenken und deren Konsequenzen aufzeigen. Mit der von Transmutex geplanten Abtrennung besonders problematischer langlebiger radioaktiver Isotope wie Technetium TC-99, Iod I-129 und Selen Se-79 sollte auch auf der Seite der Anionen mit einer massiven Entschärfung der Langfristigkeit einer nachgelagerten Lagerung zu rechnen sein. Sicher bleibt dann auch der Stellenwert eines Lagers für schwach- und mittelaktive Abfälle zu überprüfen. Gestattet sollte auch die Frage sein, ob ein dichtes Wirtgestein wie der Opalinuston das zweckmässige Lagergestein für gasende radioaktive Abfälle sein könnte oder ob nicht auch andere Alternativen zur Diskussion stünden. Und dann gehören natürlich auch Studien über die radiologischen Konsequenzen der diversen Szenarien zu einer umfassenden Analyse der neuen Alternativen und Optionen.

Auch die Kosten der Entsorgung für die verschiedenen Szenarien müssten neu geprüft werden. Dies dürfte – neben den Sicherheitskriterien – sicher ein Kernkriterium bei künftigen Entscheiden zur Wahl einer künftigen Endlagerstrategie werden. Und schliesslich wird auch zu fragen sein, ob ein Transmutex-Reaktor auch in der Schweiz stehen könnte, an welchem Standort ein solcher möglich wäre, ob die Abschaltung der beiden altgedienten Reaktoren in Beznau 1 und 2 auch damit in Zusammenhang stehen könnten usw. Es sind also zentrale Fragen, die neu aufgegriffen werden sollten, und die am besten durch eine neue, von Interessen unabhängigen Fachspezialisten besetzte Kommission bearbeitet werden könnten. Eine Art Entsorgungskommission radioaktive Abfälle EKRA II, welche neben technischen Fragestellungen auch die Rolle der diversen Akteure (Nagra, Sicherheitsbehörden, KNS etc.) neu reflektieren könnte.

Es bewegt sich also im Augenblick äusserst viel im Bereich der nuklearen Entsorgung. Steht darum auch möglicherweise eine Zeitenwende bei der Energieproduktion und dem Umgang mit Abfällen an? Und war eine solche Entwicklung bereits früher zu erkennen? Welche Argumente sprechen für eine solche These? Mit diesen und ähnlichen Fragen werden wir uns im nächsten Beitrag zur «Zeitenwende» beschäftigen.

[1] Zur Vorgeschichte und Geschichte der Entsorgung der radioaktiven Abfälle siehe beispielsweise die einleitenden Kapitel des Berichtes der EKRA 2000 (EKRA 2000 : Entsorgungskonzepte für radioaktive Abfälle in der Schweiz ; Schlussbericht. BFE, Bern.)

[2] KEG 2003 : 732.1 Kernenergiegesetz.

[3] https://www.nuclearwaste.info/marode-endlagerbergwerke-was-bedeuten-sie-fuer-das-prinzip-der-rueckholbarkeit/ ; https://www.nuclearwaste.info/marode-endlagerbergwerke-was-bedeuten-sie-fuer-das-prinzip-der-rueckholbarkeit-2/

[4] Emery, Guy, T. 2003: From Nuclear Transmutation to Nuclear Fission 1932-1939. Physics Today 56 (8), August 2003. P. 54-56; IAEA, 1997. Accelerator Driven Systems: Energy Generation and Transmutation of Nuclear Waste. International Atomic Energy Agency. IAEA-TECDOC-985. History and concerns: see pages 10-11.

C. D. Bowman et al. 1992: Nuclear energy generation and waste transmutation using an accelerator-driven intense thermal neutron source. Nuclear Instruments and Methods A Bd. 320.

[5] https://www.nuklearforum.ch/fr/nouvelles/transmutation-dactinides-au-psi-experience-internationale-megapie/

[6] Öko-Institut, TU Berlin, Physikerbüro Bremen, 2024. Analyse und Bewertung des Entwicklungsstands, der Sicherheit und des regulatorischen Rahmens für sogenannte neuartige Reaktorkonzepte, Vorhaben 4721F50501. Bundesamt für die Sicherheit der nuklearen Entsorgung. März 2024. S. 11, 16-19.

[7] BFE (2008) und neue Versionen : Sachplan geologische Tiefenlagerung.

[8] Vortragsmanuskript auf https://loti2010.ch/oeffentlicher-vortrag-und-diskussion-transmutation-als-chance-fuer-die-entsorgung-radioaktiver-abfaelle/

[9] Die heute vom Bundesrat vorgesehenen Änderungen im Kernenergiegesetz KEG sind den Vernehmlassungsunterlagen zum indirekten Gegenvorschlag zur Volksinitiative «Jederzeit Strom für alle [Black-out stoppen]» vom 20.12.2024, siehe https://www.admin.ch/gov/de/start/dokumentation/medienmitteilungen.msg-id-103654.html