Unverzichtbare Großversuche: Strahlenschäden durch HAW

Der Versuch mit hochradioaktiven Strahlenquellen in der Asse war laut Atomaufsicht des Landes Niedersachsen für die Genehmigung von Gorleben unverzichtbar.[11] Diese Anforderung an ein Genehmigungsverfahren wurden auch von der RSK und SSK der Bundesregierung erhoben, um die Wirkung von radioaktiver Strahlung auf Salz beurteilen zu können. Der Versuch wurde von der GSF und dem BMBF vorbereitet. Er wurde von Organisationen aus Frankreich, Holland, Spanien, den USA und von der EU finanziell unterstützt.[12] In Hanford, der Atomwaffenschmiede der USA, wurden Glaskokillen mit hochradioaktivem Müll (High Active Waste: HAW) für die Durchführung des Versuchs bestellt.

Im Jahr 1989 berichtete der Spiegel, dass der Gorleben-relevante HAW-Versuch in der Asse 60 Mio. DM kosten solle. Ziel sei u.a. die Wirkung der Radiolyse und der Strahlenschäden im Steinsalz zu prüfen, die zur Auflösung der Salzkristallgitter von Natrium und Chlorid führen könnten und zu Rückreaktionen mit Temperaturen bis 5000 Grad Celsius.[13] Laut einem Bericht des Bundesrechnungshofes sollte die radiolytische Wirkung der Gammastrahlung und die thermische und radiolytische Freisetzung von Wasser und Gas im Steinsalz untersucht werden.

USA mit dem Salz am Ende
Aus niederländischen Laboren kam Ende der achtziger Jahre ebenfalls die Nachricht, dass sich Salz bei Strahlenbelastung in Chlorgas und Natrium zerlegen kann – ein Metall, das sehr heftig mit Wasser und Luft reagieren kann. Aus dem Waste Isolation Pilot Plant (WIPP) in New Mexico berichtet die Zeit [14], dass mitten im trockenen Salzstock unerwartet große Mengen an Wasser auftraten. Das hielt Prof. Kühn, der Mitglied einer International Peer Review Group für das WIPP war, für völlig unerheblich und vertrat die Auffassung, dass diese Salzlagerstätte in den USA nicht mit dem Salz in der Asse oder in Gorleben vergleichbar sei.

Der Spiegel zitierte 1989 den Geologieprofessor Roger Andersen von der Universität New Mexico, der nach den Erfahrungen im WIPP feststellte, dass die Endlagerung im Salz „out“ sei. Dort passiere „alles, was man eigentlich vermeiden will“. Prof. Klaus Kühn hielt dagegen und erklärte: „Die grundsätzliche Eignung des Lagermediums Salz ist erwiesen“.[15]

Die Transportgenehmigung für die Kokillen aus den USA verzögerte sich mittlerweile, weil die Kokillen auch Kernbrennstoffe enthielten. Anfang des Jahres 1992 wurde die Forschungspolitik des BMFT von dem Vorstandsvorsitzenden der Preußen Elektra und Aufsichtsratsvorsitzenden der Deutschen Gesellschaft für die Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen (DWK), Hermann Krämer, kritisiert. Ein zentrales Argument waren dabei die Kosten. Im selben Jahr hatte der Bundesrechnungshof die alleinige Kostenträgerschaft des Bundes für die drei Großversuche in der Asse gerügt. In der Folge schlug BMFT dem BMU am 23.10.1992 vor, die drei Versuche weiterzuführen und eine Finanzierung über die Endlager-Vorausleistungsverordnung vorzusehen. Nach der Verordnung zu § 21b AtG wären die EVU damit kostenpflichtig heranzuziehen.

Dazu kam es jedoch nicht. Stattdessen wurden die Großversuche, darunter der HAW-Versuch, im Dezember 1992 abgebrochen. Der eigentliche Grund für den Abbruch bleibt jedoch unklar. Die Finanzierung war höchstwahrscheinlich nur ein Aspekt für diese Entscheidung. Referatsleiter Besenecker, vom niedersächsischen Umweltministerium (NMU) schreibt in einem Vermerk [16], dass er am 3.12.1992 von Prof. Kühn telefonisch die Mitteilung erhalten habe, dass der HAW-Versuch eingestellt wird. Der Sprechzettel für den Staatssekretär vom 10.11.1992 stellt noch fest:

„Im Rahmen eines im Mai 1992 eingerichteten Diskussionskreises BMFT/BMU – VDEW/EVU [17] brachte der BMU eindeutig zum Ausdruck, dass die drei Großversuche für notwendig erachtet werden.“

Weiter heißt es, dass die RSK diese Versuche „am 17.6.1992 ebenfalls für notwendig bewertet hat.“
Allein für den HAW-Versuch fielen trotz Abbruch des Versuchs mehr als 200 Mio. DM Kosten an. Weitere ca. 150 Mio. DM für die beiden anderen Versuche. Offizielle Begründung lautet, dass sich die zuständigen Ministerien nicht über die Restfinanzierung für die „Großversuche“ einigen konnten.

Angeblich aus dem gleichen Grund wird das Institut für Tieflagerung von Prof. Dr. Klaus Kühn 1995 aufgespalten und deutlich verkleinert.

Die Versuche werden ersatzweise mit Wärme-Simulatoren durchgeführt. Der zunächst für Gorleben unverzichtbare Radiolyseversuch wird in der Asse nicht durchgeführt. Auch an anderen Orten wird der Versuch angeblich nicht durchgeführt. Ein wissenschaftlicher Mitarbeiter der GSF behauptet allerdings, entsprechende Versuche seien zusammen mit Russland erfolgt.[18] Andere leitende GSF-Mitarbeiter dementieren dies. [19] Der ehemalige Projektkoordinator für den HAW-Versuch schliesst es nicht definitiv aus. [20]


Radiolyse: „Explosive Rückreaktionen“
Die Reaktorsicherheitskommission (RSK) der Bundesregierung hat sich in den Jahren 2003 und 2004 dreimal mit Strahlenschäden im Steinsalz und den Grenzwerten für explosionsartige Rückreaktionen befasst. Grundlage war eine Literaturstudie der GRS von Jörg Mönig. In dem RSK-Bericht heißt es:

„Explosionsartige Rückreaktionen stellten sich in Experimenten mit hohen Dosisleistungen von ca. 1 Mio. Gy/h erst ab einem Gehalt an kolloidalem Natrium von 7,5 mol% ein. Ein entsprechender Schwellenwert für geringe Dosisleistung ist bisher nicht ermittelt worden.“[21]

Der Bericht der Reaktorsicherheitskommission (RSK) zeigt, dass es hier noch erhebliche Lücken in der Erforschung dieser Phänomene gibt. Um die Bedingungen in einem Endlager für hochradioaktive Abfälle beurteilen zu können, reichen die bekannten Studien nicht aus. Das bestätigt auch der ehemalige Projektkoordinator für die HAW-Versuche in der Asse. [22] Dennoch kommt der Autor der RSK-Studie, ebenfalls ein ehemaliger Mitarbeiter von Prof. Klaus Kühn am Institut für Tieflagerung der GSF, und die RSK zu dem Schluss, dass die Eignung von Steinsalz als Endlagermedium „nicht in Frage“ stehe.

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4 Responses to Unverzichtbare Großversuche: Strahlenschäden durch HAW

  1. (1) Strahlenschadenbeurteilung der GRS, des Institut für Tieflagerung und der RSK nicht konservativ

    Das holländische Labor ist das Solid State Physics Laboratory (Ionic Materials, Zernike Institute for Advanced Materials, University of Groningen):

    [„The prestigious journal Times Higher Education published a ranking of the world’s top institutions in materials science. This ranking is based on citation scores (rather than on subjective assessment as used in their ranking of universities). The Zernike Institute for Advanced Materials takes the ninth place in this ranking, closely following MIT and ahead of such institutions as Princeton, Stanford, Cambridge and UCLA. On average, a paper published in the last ten years by Zernike researchers is cited over 20 times.“, Quelle: Zernike Institute, 2011]

    J.C. Groote, H.W. den Hartog, J. Seinen, A.V. Sugonyako, J.R.W. Weerkamp und Mitarbeiter aus diesem Institut haben u.a. im Physical Review B und im Journal of Physics: Condensed Matter (1995 – 2004) über Strahlenschäden in Steinsalz berichtet.

    • Weerkamp, J.R.W. , Groote, J.C., Seinen, J., and den Hartog, H.W.
      Radiation Damage in NaCl. I. Optical-absorption experiments on heavily irradiated samples, Physical Review B 50, 9781-9786 (1994)
    • Seinen, J., Groote, J.C., Weerkamp, J.R.W. and den Hartog, H.W.
      Radiation Damage in NaCl II. The early stage of F-center aggregation
      Physical Review B 50 (1994), 9787 – 9792 (1994)
    • Seinen, J., Weerkamp, J.R.W., Groote, J.C., and den Hartog, H.W.
      Radiation Damage in NaCl III. Melting phenomena of sodium colloid
      Physical Review B 50, 9793 – 9797 (1994)
    • Groote, J.C., Weerkamp, J.R.W., Seinen, J., and den Hartog, H.W.
      Radiation Damage in NaCl IV. Raman scattering
      Physical Review B 50, 9798 – 9802 (1994)

    Anton V. Sugonyako, Mitglied dieser Arbeitsgruppe, hat im Volltext und frei zugänglich im Internet seine Dissertation publiziert:

    Titelseite von Sugonyakos Dissertation Anton V. Sugonyako „Nano-sized precipitated formations in irradiated NaCl, PhD thesis, Ionic Materials, Zernike Institute for Advanced Materials, University of Groningen, 2007 (alternatives Link)
    • Title and contents
    • Chapter I: Introduction
    • „… Energy is stored in crystalline rock salt by introducing radiolytic products, among which colloidal sodium [Na] and molecular chlorine [Cl], as a result of the interaction between the ionizing radiation emitted by HLW [High Level Waste] and the rock salt crystal.“

      Strahlendosen aufgetragen gegen Strahlendosisraten: Experimente und nukleares Endlager
      zum Vergrößern auf Bild klicken
      ( J. Gruber: Die Gammastrahlungs-Dosisrate nahe einem abgebrannten Brennelement (Abbrand = 30 GWth d/tHM) 50 Jahre nach Entnahme aus dem Reaktor ist 1.4 Rad/s [Javier Quiñones et al., „An Experimental Study on the Influence of Gamma Radiation on Spent Fuel Dissolution in the Presence of a H2 Atmosphere„]. Daher wird das Endlagersalz im Verlauf von 500 Jahren typischerweise mit Gammastrahlen-Dosen von 25 GRad = 250 MGy = 0.25 GGy belastet.)

      „The accumulation of stored energy under irradiation was the subject of numerous investigations.“

      in NaCl gespeicherte Energie aufgetragen gegen die Gammastrahlungsdosis -ORNL-5058 Fig.2
      zum Vergrößern auf Bild klicken

      in NaCl gespeicherte Energie aufgetragen gegen die Gammastrahlungsdosis -ORNL-5058 Fig.3
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      in NaCl gespeicherte Energie aufgetragen gegen die Gammastrahlungsdosis -ORNL-5058 Fig.4
      zum Vergrößern auf Bild klicken

      „In some of these investigations it was concluded that a saturation of the production of radiation damage with increasing irradiation dose occurs, and it was assumed that the maximum amount of stored energy would be moderate and sufficiently small to warrant a sufficient degree of repository safety. “

      (Anmerkung: Links führe ich 3 Beispiele dafür an. Sie sind die Abbildungen 2, 3 und 4 in einem Report des Oak Ridge National Laboratory: G.H. Jenks, C.D. Bopp „Storage and Release of Radiation Energy in Salt in Radioactive Waste Repositories„, ORNL-5058 (1977).

      Die Strahlendosen sind niedrig im Vergleich zu denen im Zernike-Institut benutzten. Sie liegen im grau hervorgehobenen Kasten mit der Bezeichnung ORNL-5058, den ich in Sugonyakos Abb. 2.6 eingefügt habe (Abbildung in Ch. IV, unten).

      „On the other hand, more recent experiments on many heavily irradiated NaCl samples have led us to conclusions which are completely opposite to this.“

      1. „In natural rock salt and synthetic pure and many doped NaCl samples the concentrations of precipitated sodium and chlorine have been found to increase with increasing dose without any sign of saturation.“
      2. „The amounts of radiolytic products may reach very high values. In NaCl samples irradiated to an extremely high dose of 2×103 GRad the concentration of colloidal sodium in the NaCl sample was found to be as high as 20 at%, while it was still increasing without any/sign of saturation as a function of the dose.“
      3. „Moreover, the possibility of explosive decomposition of salt as a result of spontaneous exothermic recombination of radiolytic Na and Cl has been demonstrated.“
      4. „In addition, the formation of large voids which initiate explosive fracture of the samples has been observed in NaCl at high irradiation doses.“

      (Anmerkung:
      GRad = 109 Rad wird gewöhnlich als Grad geschrieben, analog Rad als rad.

      2×103 GRad liegt um 2 Größenordnungen über Endlagerdosen. Chapter II erklärt, daß die Strahlenschäden trotzdem realistisch sein können.)

    • Chapter II: Modeling of the growth of extended defects in NaCl under electron irradiation
    • Since model development was a cooperation of V.I. Dubinko, A.A. Turkin, D.I. Vainshtein and H.W. den Hartog, I will henceforth refer to the model as the DTVH model.

      „Some of the available models predict rather strong dose rate effects, which lead to increasing efficiency of radiolysis with decreasing dose rate.“

      My summary of Chapter II:

      According to the commonly used Jain-Lidiard (J-L) model radiation can damage the NaCl crystal only up to a certain „saturation“ level. The DTVH model is the J-L model augmented by mechanisms that allow the radiation to damage the crystal without limits. The J-L restrictions on radiation damage are removed because the efficiency of radiolytic decomposition of NaCl increases with decreasing dose rate. So, as a first step towards repository safety, one has to get a complete picture of how NaCl crystals can react under irradiation. This then is the reason for choosing irradiation doses that are 2 orders of magnitude above repository doses.

    • Chapter III: Preparation of irradiated samples
    • Chapter IV: Melting properties of sodium precipitates
      The experimentally observable latent heat of melting is used to calculate the atom fraction of colloidal Na in NaCl.

      in NaCl gespeicherte Energie aufgetragen gegen die Gammastrahlungsdosis -Sugonyako Fig.2.6

      Fig. 2.6 Comparison of the model calculations of the dose dependence of the colloid volume fraction at K=1Grad/h, 100 C, for a range of traps and dislocations concentrations with experimental data, obtained
      for doped NaCl samples. Source: A.V. Sugonyako, Nano-sized precipitated formations in irradiated NaCl.

      Sugonyako shows in Figs. 4.2 and 4.3 that Na colloid fraction (at%) and Na volume fraction (vol%) are approximately equal. Therefore the y-axis in this Fig. 2.6 specifies the Na colloid fraction in at% as well as in vol%.

      click on thumbnail to enlarge

      The modified model reproduces the experiments and is thus a realistic and conservative model to describe radiation damage in NaCl (see Fig. 2.6).

    • Chapter V: Melting and freezing of clorine bubbles
    • Chapter VI: Investigation of sodium precipitates in irradiated NaCl with Atomic Force Microscopy (AFM)
    • Chapter VII: under embargo
    • Chapter VIII: under embargo
    • Chapter IX: Modification of the defect structure of irradiated NaCl
    • Summary

      „The formation of highly organized structures of radiolytic particles in heavily irradiated rock salt crystals may explain the high capacity of NaCl crystals to accumulate very large amounts of precipitated sodium. Indeed, self-organization of radiolytic precipitates might be the reason why sodium and chlorine precipitates are separated highly effectively.“

    • List of publications
    • Acknowledgements

    Bewertung der Modelle

    Strahlenschäden im Steinsalz können mit verschiedenen Modellen beschrieben werden:

    • J-L-Modell,
    • DTVH-Modell,
    • Soppe-Modell (s.u.).

    Soppe-Modell: Die Gesellschaft für Anlagenbau- und Reaktorsicherheit (GRS), das Institut für Tieflagerung (IfT) und die Reaktorsicherheitskommission (RSK) verwenden ein modifiziertes J-L-Modell mit Namen Soppe-Modell. Dieses geht -wie das J-L-Modell- von einer Sättigung der Strahlenschädigung aus. (Anwendung des Soppe-Modells für eine Realistische Abschätzung der Strahlenschädigung von Steinsalz bei Einlagerung von HAW in Bohrlöchern)

    Alle Modelle sind top-down Modelle, d.h. sie formulieren kristallphysikalische Vorgänge global in Gleichungen. Materialeigenschaften gehen dabei als prinzipiell frei wählbare Parameter ein. Man reproduziert experimentelle Ergebnisse, indem man diese Parameter anpaßt. Deshalb sind die Modelle grundsätzlich nur eine Form der Kompression der experimentellen Ergebnisse, und als solche gelten sie nur für bereits untersuchte Versuchsbedingungen. Sie sind also damit nie allgemeingültig.

    Da wir im Fall der Strahlenschädigung des Endlagersalzes die zukünftigen Umweltbedingungen prinzipiell nie kennen werden, müssen wir das konservativste unter den Modellen verwenden, solange es keine Erkenntnisse gibt, die dieses mit „angemessener Sicherheit“ ausschließen.

    Die deutsche Diskussion über die Sicherheit von Salz als Endlagergestein ist also letztlich eine Diskussion darüber, was „angemessene Sicherheit“ bedeutet.

    Angesichts

    1. des gigantischen Gefahrenpotentials, das einem Endlager für hochradioaktiven Abfall innewohnt und
    2. der geringen Sicherheitsmarge, welche das Soppe-Modell aufzeigt (Na-Kolloidkonzentration liegt nach diesem Modell bei maximal 0.5 mol-%, während explosive Rückreaktionen zwischen radiolytisch gebildetem elementarem Chlor und Natrium bei 7 mol-% einsetzen)

    ist man meiner Meinung nach zur Zeit nicht in der Lage, das konservativere DTVH-Modell abzulehnen. Radioaktive Strahlen können das Steinsalz so schwerwiegend schädigen, daß man das Problem nicht ignorieren kann, sondern die Forschung auf diesem Gebiet als nicht abgeschlossen bezeichnen muß.

    Die Forschung muß unter IT-gestützter Beteiligung der Öffentlichkeit geschehen, damit das durch unser Förderungssystem und politische Abhängigkeit voreingenommene Wissenschaftsestablishment kontrolliert werden kann. Formen und Chancen dieser Kontrolle werden hier diskutiert:

  2. Peter Hoppe sagt:

    Jochen,
    I love your last sentence!
    Peter

  3. Intransparenz des Abbruchs des HAW-Versuchs
    Die Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) mbH schreibt am 19.12.2000 unter der Überschrift „Forschung für sichere Endlager in Europa

    Zunächst stand in Deutschland Salzgestein im Mittelpunkt des wissenschaftlichen Interesses. Diese Arbeiten fanden ihren Höhepunkt in mehreren großen Projekten in der Schachtanlage Asse, von denen das letzte zur direkten Endlagerung abgebrannter Brennelemente zur Zeit abgeschlossen wird.

    In T. Brasser, J. Droste, I. Müller-Lyda, J. Neles, M. Sailer, G. Schmidt, M. Steinhoff, „Endlagerung wärmeentwickelnder radioaktiver Abfälle in Deutschland“ gibt Anhang
    T. Brasser, J. Droste, „Endlagerung wärmeentwickelnder radioaktiver Abfälle in Deutschland – Anhang: Untertagelabore„, GRS-Bericht GRS-247/20, 2008, Einzelheiten zum Großversuch und dessen Abbruch:

    • Kapitel 3.3 „Versuche zur Endlagerung hochradioaktiver Abfälle“
    • „Im Laufe des Jahres 1992 wurde vom damaligen Bundesministerium für Forschung und Technologie (BMFT) in Einvernehmen mit dem Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit entschieden, das HAW-Projekt – ebenso wie andere Großversuche – aus politischen Gründen einzustellen. Die GSF als Betreiber der Schachtanlage Asse wurde aufgefordert, den beim Niedersächsischen Umweltministerium nach § 9 AtG gestellten Antrag zur zeitlich begrenzten Einlagerung der Versuchsquellen zurückzunehmen. Die GSF folgte dieser Aufforderung am 9. Dezember 1992. Damit war das HAW-Projekt vorzeitig beendet.“

    • Weitere Einzelheiten im
      Kapitel 3.4 „Arbeiten zur Direkten Endlagerung von bestrahlten Brennelementen“

    Nach meiner Erfahrung an deutschen Universitäten und Großforschungseinrichtungen haben ähnlich wichtige und teure Projekte wie dieser Großversuch mit hochradioaktiven Strahlenquellen in der Asse immer Jahresberichte und einen Abschlußbericht vorgelegt. Ich konnte solche Dokumentation des Asse-Großversuchs nicht finden, weder mit Google noch ausgehend von der Website des Office of Scientific and Technical Information (OSTI), U.S. Department of Energy. Nach meiner Einschätzung muß daher ein Interesse an Intransparenz vorgelegen haben.

    Joachim Gruber, Physiker, 1977-1978 wissenschaftlicher Koordinator, PSE (Projekt Sicherheitsstudien Entsorgung, eine von der Bundesregierung veranlaßte Sicherheitsanalyse von Gorleben),

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