Umweltrisiken

Durch Gewinnung von Brennstoffen und Rohstoffen schädigen
die Menschen ihre Umwelt. Der Schaden kann gering gehalten werden, wenn die Gewinnung nachhaltig erfolgt. Der Begriff Nachhaltigkeit (engl. sustainability) wurde erstmals 1713 vom kursächsischen Oberberghauptmann Hans Carl von Carlowitz eingeführt. In seiner Abhandlung über die Baumzucht, siehe rechtes Bild, fordert er, "eine sothane (hochdeutsch: dergestalte) Conservation und Anbau des Holtzes anzustellen, daß es eine continuierliche beständige und nachhaltende Nutzung gebe", um die Holznot im Bergbau zu überwinden.

Nachhaltiges Wirtschaften in Land- und Forstwirtschaft ist dadurch zu erreichen, dass die lebenden Ressourcen nur in dem Maße genutzt werden, wie sie nachwachsen. Inzwischen sind die Begriffe ökologische Nachhaltigkeit (Nachhaltigkeit im ursprünglichen Sinne), ökonomische Nachhaltigkeit, soziale Nachhaltigkeit und sogar digitale Nachhaltigkeit definiert worden.

Bodenschätze sind alle mineralischen Rohstoffe im festen oder flüssigen Zustand (außer Wasser) und die Erdgase  auf unserem Planeten. Sie können nie oder zumindest nicht in historischen Zeiträumen nachwachsen. In den nächsten Jahrhunderten  werden die die meisten Ressourcen verbraucht sein. Aber die gegenwärtige Gewinnung und die Nutzung der Bodenschätze birgt viele Umweltrisiken.

Umweltrisiken werden unterschiedlich beurteilt, und eine genaue Voraussage der zu erwarteten Umweltschäden ist nicht möglich. Über die Risiken besteht aber kein Zweifel. Sie können auf wissenschaftlicher Grundlage nachgewiesen werden. In dieser Darstellung werden nur zwei der Risiken erläutert: erstens der Treibhauseffekt und zweitens die Gefährdung durch radioaktive Strahlung als Folge der Energieerzeugung in Kernkraftwerken.

Treibhauseffekt

In einem Gewächshaus (Treibhaus) ist bei Sonnenbestrahlung die Temperatur höher als in der Umgebung. Strahlungsaktive Treibhausgase erwärmen auch die Oberfläche unseres Planeten.

Das Maximum der Strahlungsintensität der Sonne liegt bei etwa 500 nm Wellenlänge, also im grünen Spektralbereich.
In diesem Bereich absorbiert die Erdatmosphäre (wie auch auch die Glasscheibe im Gewächshaus) nur wenig Energie.
Die Sonnenstrahlung trifft auf Erdoberfläche und Gewächse und erwärmt diese um reichlich zehn Grad gegenüber der mittleren Temperatur. Wir kommen auf eine Temperatur auf der Erdoberfläche von etwa 300 K, was eine um den Faktor 20 geringere Temperatur als auf der Sonnenoberfläche ist. Dementsprechend ist nach dem Wien'schen Verschiebungsgesetz die von der Eroberfläche abgestrahlte Wellenlänge um den gleichen Faktor größer und liegt bei 10 µm im infraroten Bereich. Für diese langwellige Rückstrahlung sind aber das Glas des Gewächshausdachs bzw. die Treibhausgase nicht durchsichtig. Sie werden erwärmt und erwärmen damit das Gewächshaus bzw. die Erdatmosphäre.

Die wichtigsten Treibhausgase sind Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan, Stickoxide, Ozon und Fluorkohlenwasserstoffe. Die Moleküle wirken unterschiedlich stark und treten in unterschiedlichen Konzentrationen auf. Zum Beispiel verursacht ein Methanmolekühl den 25-fachen Effekt des Kohlendioxidmoleküls, aber Methan tritt in relativ geringen Konzentrationen auf. Eine Abschätzung des Beitrags einzelner Gase ergibt die Reihenfolge Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan und Ozon, wobei die Nachfolgenden etwa den halben Beitrag wie die Vorhergehenden liefern. Auch die Wolken spielen eine wichtige Rolle und sind nicht etwa in den Wasserdampf einbezogen.

Das ist schon immer so. Der Physikochemiker Svante Arrhenius (1859−1927) hatte die Bedeutung von Kohlendioxid als Treibhausgas erkannt und stellte 1895 die These auf, dass eine Verdoppelung des Kohlendioxid-Gehalts der Atmosphäre zu einer Temperaturerhöhung um 4−6 ºC führen würde (Zitat). Die Kohlendioxidkonzentration der Atmosphäre kann man, zum Beispiel durch die Untersuchung von Eisproben aus tieferen Schichten der Antarktis, lange Zeit zurückverfolgen.
Mehr als tausend Jahre lang bis 1850 waren es 280±10 ppm (parts per million). Inzwischen haben wir schon einen Anstieg um 30 %. Methan ist sogar um 145 % angestiegen, woran auch die Kühe einen großen Anteil haben. Stickoxide sind um
15 % gegenüber dem vor-industriellen Zeitalter angestiegen. Der größte Zuwachs an Treibhausgasen kommt vom Einsatz fossiler Brennstoffe für die Energiegewinnung.

Die Beobachtung der Umwelt ist in den letzten fünfzig Jahren in das Zentrum öffentlichen Interesses gerückt. Der Zusammenhang zwischen Kohlendioxidemissionen und Erderwärmung ist aber noch nicht wesentlich genauer bekannt
als zu Zeiten von Svante Arrhenius. Deshalb haben die Prognosen der Klimaänderungen eine geringe Genauigkeit.
Es gibt für die Menschheit günstige und weniger günstige Voraussagen. Ende 2009 musste aber im Bericht des
"United Nations Environment Programme" festgestellt werden, das die in den letzten paar Jahren beobachteten Verschlechterungen des Klimas den ungünstigsten Prognosen entsprechen. Der Wissenschaftliche Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen stellt in seinem Sondergutachten fest: "Die Wissenschaft ist sich heute weitgehend einig, dass eine Erderwärmung um mehr als 2 °C gefährliche, irreversible und kaum beherrschbare Folgen für Natur und Gesellschaft hätte." Nicht alle sind von dieser wissenschaftlichen Prognose überzeugt. Außer Zweifel steht aber, dass die daraus abgeleiteten Maßnahmen dazu dienen, die Gesellschaft auf die sich verknappenden nicht erneuerbaren Energieressourcen einzustellen.

Das Umweltrisiko durch Kernkraftwerke

Ein guter Übergang vom Anstieg der Treibhausgase (durch Verbrennung fossiler Ressourcen) auf Kernkraftwerke ergibt sich, wenn wir kurz auf die CO₂-Bilanz von Elektrizitätserzeugern eingehen. Die Universität Sydney hat in einem Bericht dargestellt, wie viel Gramm Kohlendioxid bei der Erzeugung einer Kilowattstunde Elektroenergie freigesetzt werden.
Es verwundert nicht, die mittleren Werte 1175, 863 und 751 für Braunkohle, Steinkohle und Erdgas zu finden. Erklärungsbedürftig sind die Werte 106, 21 und 15 für die Photovoltaik, die Windturbinen und die Wasserkraftwerke.
Diese Werte zeigen auch eine relativ starke Streuung , z. B. 53-217 für die Photovoltaik. Das liegt daran, dass zur Erzeugung einer Photovoltaik-Anlage eine bestimmte Menge Energie notwendig ist, die durch Verbrennung fossiler Ressourcen gewonnen wird, die Sonne aber am jeweiligen Ort der Aufstellung unterschiedlich intensiv und lange scheint. Daraus ergibt sich, dass bei gleicher Investition eine unterschiedliche Menge Elektroenergie erzeugt wird.

Wenn schon die Sonnenenergie eine Menge Kohlendioxid produziert, ist es nicht verwunderlich, dass auch ein Kernkraftwerk wie der Schwerwasserreaktor im Mittel 65 g CO₂ pro kWh erzeugt. Die Streuung liegt hier im Bereich 10−120 und hängt vor allem davon ab, wie die Anreicherung des Urans für die Brennstäbe durchgeführt wird. Die alte aber noch heute praktizierte Diffusionsanreicherung erfordert im Vergleich zur modernen Laseranreicherung einem zwanzigfachen Aufwand von Elektroenergie. Bei Verwendung moderner Anreicherungsverfahren kann jedoch die Kernenergie bezüglich der CO₂-Bilanz mit den Wasserkraftwerken konkurrieren.

Das wesentliche Umweltrisiko betrifft bei den Kernkraftwerken aber die Gefahr der radiaktiven Verseuchung der Umwelt. Die Belastung durch Strahlung im normalen Betrieb wird unterschiedlich eingeschätzt. Keine Zweifel gibt es jedoch über die Gefahr von Katastrophen bei Unfällen oder terroristischen Anschlägen und über die bisher nicht befriedigend geregelte Endlagerung radioaktiver Abfälle. Einige Aspekte dieser Gefährdung sind auf der Seite Kernenergie genannt.

Professor Kurt Kugler hat 2001 in den Physikalischen Blättern ein mögliches Unfallszenarium beschrieben (nicht wörtlich zitiert), das 2011 in Japan in wesentlichen Teilen so abgelaufen ist: Nach Abschalten oder Havarie plus Ausfall der Nachwärmeabfuhr kommt es bei Leichtwasserreaktoren zum Verdampfen des Restwassers im Kernbereich sowie zum Aufheizen des Brennstoffs und der Kernstrukturen bis zum Schmelzen. Gleichzeitig bilden sich durch Reaktion des Zirkons der Brennstabhüllen mit Wasserdampf große Wasserstoffmengen unter Freisetzung von zusätzlicher exothermer Reaktionswärme. Nach etwa einer Stunde kann unter ungünstigen Bedingungen der Kern zerstört sein und sich ein 2500 °C heißes sog. Corium-Gemisch (geschmolzenes UO₂, ZrO₂, Stahl, Spaltprodukte) in der Bodenkalotte des Reaktordruckbehälters ansammeln. Kurz danach würde dann auch dessen Boden durchschmelzen und das heiße Corium - bis zu 300 t - ins Reaktorgebäude abstürzen. Danach kann eine Beschädigung des Reaktor-Containments eintreten. Hier baut sich ein hoher Störfalldruck auf, der nach etwa vier Tagen zum Überdruckversagen führt. Für diesen Fall ist die Öffnung eines Entlastungsventils mit Abgabe über ein Filtersystem und den Kamin vorgesehen. Feste Spaltprodukte und Aerosole würden hier weitestgehend zurückgehalten, nur die gasförmigen Spaltprodukte würden entweichen. Der entstandene Wasserstoff könnte nach Zündung und evtl. Detonation ebenfalls zur Beschädigung des Containments führen.

Ständig werden die Sicherheitsvorrichtungen für Kernkraftwerke verbessert oder neue Verfahren mit reduziertem Risiko eingeführt. Ein Unfall mit radioaktiver Umweltverseuchung kann aber nicht vollständig ausgeschlossen werden.

Ein weiteres Umweltrisiko besteht in der Endlagerung verbrauchter Brennelemente. Eine Wiederaufarbeitung ist derzeit mit zusätzlichen Umweltrisiken verbunden. Außerdem ist es im Vergleich zur Herstellung der Elemente aus frischem Uran unwirtschaftlich und in Ländern ohne Atomwaffen problematisch, weil bei einer Wiederaufbereitung waffentaugliches Plutonium gewonnen werden kann. Entsprechende Verfahren sollten aber schon deshalb weiterentwickelt werden, weil mit einer Wiederaufbereitung das Volumen des radioaktiven Materials, das für sehr lange Zeit "endgelagert" werden muss, drastisch reduziert wird. Erstrebenswert ist eine vollständige Wiederaufarbeitung der radiaktiven Abfälle und die Transmutation (Beschuss mit Neutronenstrahlen) langlebiger Spaltprodukte. Entsprechende Entwicklungsarbeiten sind aber noch nicht weit fortgeschritten.

Thermische Kernkraftwerke verwenden gewöhnlich das Uranisotop 235. Seine Halbwertszeit T_1/2 des radioaktiven Zerfalls von 700 Millionen Jahren gibt die Zeit an, in der sich die Hälfte der Kerne durch Kernreaktion umgewandelt hat. Eine Supernova-Explosion vor knapp 6 Milliarden Jahren hat die Isotope

    Uran-238 (T_1/2 = 4,5 × 10⁹ Jahre), Uran-235 (T_1/2 = 0,7 × 10⁹ Jahre) und Plutonium-239 (T_1/2 =2 4 × 10³Jahre)

zu etwa gleichen Anteilen erzeugt. Pu-239 war bald zerfallen, vom U-235 sind heute 0,3 % und vom U-238 sind 40 % übrig geblieben. Uran-Brennelemente erfordern eine U-235-Anreicherung auf mindestens 3 %. Bei der Uranspaltung wird U-235 durch Beschuss mit langsamen Neutronen in U-236 überführt wird. Das zerfällt sofort  unter Bildung von Ba-139 und Kr-94 und drei Neutronen, wobei der Massendefekt in Energie umgesetzt wird, siehe Kernenergie. Zusätzlich fallen verschiedene radioaktive Abfälle an. Zum Beispiel entstehen beim Betrieb eines 1-GW-Kernkraftwerks durch Neutronenbeschuss des Uranisotops 238 pro Jahr  300 kg des α-Strahlers Plutonium-239:

Pu-239 steht oberhalb der natürlichen Uran-Actinium-Zerfallsreihe und strahlt zuerst relativ stark mit einer Halbwertszeit von mehr als 24 Jahrtausenden, bevor es dann als U-235 noch mit einer Halbwertszeit von reichlich 7 Millionen Jahren weiter strahlt und erst danach in das stabile Bleiisotop übergeht:

Damit wird verständlich, dass die Endlagerung der Abfälle thermischer Kernkraftwerke ein Umweltrisiko darstellt.

 

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