Man nehme Silizium, gebe etwas Sauerstoff dazu und vermische es mit dem Exotenelement Zirkonium. So lautet das Kochrezept für Zirkon. Ein bemerkenswerter Stoff: Er gilt als das älteste Mineral der Erde. Manche Zirkonkristalle sind mit 4,4 Milliarden Jahren fast so alt wie unser Planet und haben manches geologisches Desaster überstanden: Zum Beispiel Vulkanausbrüche und Erdbeben, sagt Ian Farnan, Mineraloge an der Universität Cambridge. Und das bedeutet:
"Diese Materialien sind sehr gut dazu geeignet, radioaktiven Müll einzuschließen – selbst unter extremen geologischen Bedingungen. Also genau die Art von Materialien, die man sich wünscht, um Stoffe wie Plutonium und Americium sicher zu lagern."
Der Müll – zum Beispiel Waffenplutonium – soll allerdings nicht in Zirkonbehältern eingeschlossen werden. Stattdessen wollen die Fachleute künstliche Zirkonkristalle herstellen und dabei das Plutonium direkt in den Kristall einbauen, indem sie jedes zehnte Zirkoniumatom durch ein Plutoniumatom ersetzen. Damit wäre das Plutonium bombenfest in einen Kristall eingeschlossen, der weder rostet noch sich auflöst.
Bleibt ein Problem: Plutonium ist radioaktiv, die Kerne zerplatzen und setzen Alphastrahlung frei – rasend schnelle Heliumkerne. Und diese Geschosse schlagen im Kristall eine Schneise der Verwüstung: Sie kicken die Kristallatome derart wuchtig aus ihrer Lage, dass diese Atome ihre Nachbarn wegrempeln – ein Schneeballeffekt, der das regelmäßige Kristallgefüge zerstört und in ein unregelmäßiges Durcheinander verwandelt. Der Fachmann spricht von einer amorphen, einer glasartigen Struktur. Fraglich war bislang, wie stark der Kristall im Laufe der Zeit durch den Plutoniumzerfall in Mitleidenschaft gezogen wird. Farnan:
"”Früher dachte man, jeder Zerfall kickt im Durchschnitt 1000 Atome aus ihrem Gitterplätzen. Aber wir haben jetzt festgestellt, dass bei jedem Zerfall durchschnittlich 5000 Atome aus ihren Positionen geschossen werden.""
Farnan und seine Kollegen haben Zirkonkristalle, die zu zehn Gewichtsprozent mit Plutonium gespickt warten, mit der kernmagnetischen Resonanz untersucht, kurz NMR – ein Verfahren, mit dem sich die innere Struktur eines Kristall präzise vermessen lässt. Auf die Haltbarkeit von Zirkon hat das Resultat drastische Auswirkungen. Farnan:
"”Der Umstand, dass 5000 Atome verschoben werden und nicht 1000, bedeutet, dass der Zirkonkristall bereits nach 1400 Jahren amorph wird. Und das ist sehr kurz verglichen mit den Zeiträumen, die man für eine Endlagerung braucht – nämlich das Zehnfache der Halbwertszeit. Bei Plutonium wären das 241.000 Jahre.""
Ein ernüchterndes Ergebnis. Doch in den Augen von Ian Farnan muss es noch nicht das Aus bedeuten für die keramischen Endlager-Pläne:
"”Es gibt Hinweise, dass selbst diese amorph gewordenen Keramiken noch stabil genug sind, um den Atommüll sicher einschließen. Dennoch meinen wir, man sollte lieber nach anderen Stoffen suchen, die länger kristallin bleiben als das Zirkon.""
Deshalb wollen die Forscher nun weitere Keramiksorten untersuchen und abklopfen, ob sie sich als Sarg für Atommüll eignen. Farnan:
"”Bestimmte Materialien wie zum Beispiel die Pyrochlore zeigen die Tendenz, nach einem Strahlenschaden wieder zu rekristallisieren. Obwohl ihre Struktur stark geschädigt ist, finden viele Atome den Weg zu ihren Ursprungspositionen zurück. Wenn man so will reparieren sich diese Stoffe von selbst.""
Außer den erwähnten Pyrochloren gibt es noch weitere Kandidaten, zum Beispiel die so genannten Zirkonolithe, die die Forscher nun unter die Lupe nehmen wollen. Und eben diese Keramiken, hofft Farnam, könnten sich dann doch für die sichere Lagerung von Atommüll eignen.
"Diese Materialien sind sehr gut dazu geeignet, radioaktiven Müll einzuschließen – selbst unter extremen geologischen Bedingungen. Also genau die Art von Materialien, die man sich wünscht, um Stoffe wie Plutonium und Americium sicher zu lagern."
Der Müll – zum Beispiel Waffenplutonium – soll allerdings nicht in Zirkonbehältern eingeschlossen werden. Stattdessen wollen die Fachleute künstliche Zirkonkristalle herstellen und dabei das Plutonium direkt in den Kristall einbauen, indem sie jedes zehnte Zirkoniumatom durch ein Plutoniumatom ersetzen. Damit wäre das Plutonium bombenfest in einen Kristall eingeschlossen, der weder rostet noch sich auflöst.
Bleibt ein Problem: Plutonium ist radioaktiv, die Kerne zerplatzen und setzen Alphastrahlung frei – rasend schnelle Heliumkerne. Und diese Geschosse schlagen im Kristall eine Schneise der Verwüstung: Sie kicken die Kristallatome derart wuchtig aus ihrer Lage, dass diese Atome ihre Nachbarn wegrempeln – ein Schneeballeffekt, der das regelmäßige Kristallgefüge zerstört und in ein unregelmäßiges Durcheinander verwandelt. Der Fachmann spricht von einer amorphen, einer glasartigen Struktur. Fraglich war bislang, wie stark der Kristall im Laufe der Zeit durch den Plutoniumzerfall in Mitleidenschaft gezogen wird. Farnan:
"”Früher dachte man, jeder Zerfall kickt im Durchschnitt 1000 Atome aus ihrem Gitterplätzen. Aber wir haben jetzt festgestellt, dass bei jedem Zerfall durchschnittlich 5000 Atome aus ihren Positionen geschossen werden.""
Farnan und seine Kollegen haben Zirkonkristalle, die zu zehn Gewichtsprozent mit Plutonium gespickt warten, mit der kernmagnetischen Resonanz untersucht, kurz NMR – ein Verfahren, mit dem sich die innere Struktur eines Kristall präzise vermessen lässt. Auf die Haltbarkeit von Zirkon hat das Resultat drastische Auswirkungen. Farnan:
"”Der Umstand, dass 5000 Atome verschoben werden und nicht 1000, bedeutet, dass der Zirkonkristall bereits nach 1400 Jahren amorph wird. Und das ist sehr kurz verglichen mit den Zeiträumen, die man für eine Endlagerung braucht – nämlich das Zehnfache der Halbwertszeit. Bei Plutonium wären das 241.000 Jahre.""
Ein ernüchterndes Ergebnis. Doch in den Augen von Ian Farnan muss es noch nicht das Aus bedeuten für die keramischen Endlager-Pläne:
"”Es gibt Hinweise, dass selbst diese amorph gewordenen Keramiken noch stabil genug sind, um den Atommüll sicher einschließen. Dennoch meinen wir, man sollte lieber nach anderen Stoffen suchen, die länger kristallin bleiben als das Zirkon.""
Deshalb wollen die Forscher nun weitere Keramiksorten untersuchen und abklopfen, ob sie sich als Sarg für Atommüll eignen. Farnan:
"”Bestimmte Materialien wie zum Beispiel die Pyrochlore zeigen die Tendenz, nach einem Strahlenschaden wieder zu rekristallisieren. Obwohl ihre Struktur stark geschädigt ist, finden viele Atome den Weg zu ihren Ursprungspositionen zurück. Wenn man so will reparieren sich diese Stoffe von selbst.""
Außer den erwähnten Pyrochloren gibt es noch weitere Kandidaten, zum Beispiel die so genannten Zirkonolithe, die die Forscher nun unter die Lupe nehmen wollen. Und eben diese Keramiken, hofft Farnam, könnten sich dann doch für die sichere Lagerung von Atommüll eignen.