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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. Treibhausgase erwärmen auch die Oberfläche unseres Planeten.

Das Maximum der Strahlungsintensität der Sonne liegt bei etwa 500 nm Wellenlänge, also im sichtbaren grünen Spektralbereich. Durchsichtige Materie absorbiert in diesem Spektralbereich wenig Energie. Das gilt für die Erdatmosphäre wie auch für die Glasscheibe im Gewächshaus. Die Sonnenstrahlung trifft auf Erdoberfläche und Gewächse und erwärmt diese um reichlich zehn Grad gegenüber der mittleren Temperatur. Die Erde hat eine Temperatur von etwa 300 K auf der Oberfläche, was eine um den Faktor 20 geringere Temperatur als auf der Sonnenoberfläche ist. Dementsprechend ist nach dem Wien'schen Verschiebungsgesetz die von der Erdoberfläche abgestrahlte Wellenlänge um den gleichen Faktor größer und liegt bei 10 µm im infraroten Bereich. Für die infrarote Strahlung ist aber das Glas des Gewächshausdachs nicht durchlässig. Treibhausgase tragen deshalb diesen Namen, weil sie diese Rückstrahlung ebenfalls absorbieren. Die Rückstrahlung erwärmt Glasscheibe bzw. Treibhausgase, und diese erwärmen wiederum 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 Methanmolekül 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.

Der Physikochemiker Svante Arrhenius (1859−1927) hatte bereits 1895 die Bedeutung von Kohlendioxid als Treibhausgas erkannt und die These aufgestellt, dass eine Verdoppelung des Kohlendioxid-Gehalts der Atmosphäre zu einer Temperaturerhöhung um 4−6 ºC führen würde (Zitat). Die Kohlendioxidkonzentration der Atmosphäre kann man durch die Untersuchung von Eisproben aus tieferen Schichten der Antarktis einige tausend Jahre zurückverfolgen. Mehr als tausend Jahre lang bis 1850 waren es 280±10 ppm (parts per million). Andere Analysenverfahren zeigen Kohlendioxidgehalte zwischen 180 und 300 ppm in den vergangenen 800 000 Jahren, in denen die Menschheit entstanden ist.
Zur Zeit der Entstehung der Steinkohlewälder vor etwa 500 Millionen Jahren war die Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre jedoch etwa 6 000 ppm und lag vor 200 Millionen Jahren noch bei 3 000 ppm, siehe Wikipedia. Seit 1850 haben wir 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 wird dem Einsatz fossiler Brennstoffe für die Energiegewinnung zugeordnet. Schwierig ist eine genaue Zuordnung deshalb, weil sich nur 0,8 Teratonnen des Kohlendioxids in der Atmosphäre befinden. 38 Teratonnen befinden sich auf unserem Planeten im Wasser gelöst, und 60 000 Teratonnen befinden sich in Gesteinen wie Calcit und Dolomit. Der Austausch des Gases zwischen Atmosphäre und Wasser ist zwar sehr langsam, muss aber berücksichtigt werden, siehe Wikipedia.

Aktuelle Messungen der Kohlenstoffdioxid-Konzentration in der Erdatmosphäre werden im Mauna Loa-Observatorium (MLO) auf Hawaii durchgeführt. Ein von jahreszeitlichen Schwankungen unabhängiger Mittelwert lag Anfang 1995 bei 360 ppm und hat Ende 2015 den Wert von 402 ppm überschritten. Es wird ein stetiger Kohlenstoffdioxid-Anstieg von jährlich etwa 2 ppm beobachtet. Eine globale Erwärmung unseres Planeten um etwa 1 °C hat im vergangenen Jahrhundert bis etwa 1990 stattgefunden. Nach 1990 hat sich Erderwärmung verlangsamt, setzt sich aber fort, siehe NASA-Bericht. Eine Erhöhung des Treibhauseffektes wirkt mit Sicherheit in Richtung einer Temperaturerhöhung. Aber Sonnenaktivitäten und Staub in der Erdatmosphäre haben auch einen wesentlichen Einfluss. Eine Vorhersage der Erderwärmung erfordert bessere Erkenntnisse über alle Einflussbereiche.

Die Beobachtung der Umwelt ist in den letzten fünfzig Jahren in das Zentrum öffentlichen Interesses gerückt. Aber der Zusammenhang zwischen Kohlendioxidemissionen und Erderwärmung ist nicht wesentlich genauer bekannt als zu den Zeiten von Svante Arrhenius. Deshalb haben die Prognosen der Klimaänderungen eine geringe Genauigkeit. Der Wissenschaftliche Beirat der Bundesregierung "Globale Umweltveränderungen" warnte 2009 in seinem Sondergutachten: "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." Die UN-Klimakonferenz hat im Dezember 2015 in Paris eine Vereinbarung erreicht, die die Begrenzung der globalen Erwärmung auf deutlich unter 2 °C, möglichst 1,5 °C, vorsieht. Prognosen über das Eintreten und die Folgen einer Erderwärmung um zwei Grad waren in den letzten Jahren weniger das Thema wissenschaftlicher Diskussionen als der Gegenstand politischer Auseinandersetzungen. In der Bevölkerung werden sie unterschiedlich wahrgenommen. Außer Zweifel steht aber, dass die daraus abgeleiteten Maßnahmen dazu dienen werden, den Übergang von den sich verknappenden nicht erneuerbaren Energieressourcen auf erneuerbare Energiequellen einzuleiten.

Die CO2-Bilanz von Elektrizitätserzeugern und das Umweltrisiko durch Kernkraftwerke

Ein guter Übergang vom Anstieg der Treibhausgase (durch Verbrennung fossiler Ressourcen) auf Kernkraftwerke ergibt sich, wenn wir kurz auf die Kohlendioxid-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 durch die Nutzung der Sonnenenergie eine Menge Kohlendioxid produziert wird, ist es nicht verwunderlich, dass auch ein Kernkraftwerk wie der Schwerwasserreaktor im Mittel 65 g Kohlendioxid pro kWh verursacht. Die Streuung liegt hier im Bereich zwischen 10 g und 120 g 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 einen zwanzigfachen Aufwand von Elektroenergie. Bei Verwendung moderner Verfahren der Anreicherung kann jedoch die Kernenergie bezüglich der CO2-Bilanz mit den Wasserkraftwerken konkurrieren.

Das wesentliche Umweltrisiko betrifft bei den Kernkraftwerken aber die Gefahr der radioaktiven 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 unbefriedigend 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 (hier nicht wörtlich zitiert), das 2011 in Japan teilweise 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. Dann sammelt sich ein 2500 °C heißes sog. Corium-Gemisch (geschmolzenes UO2, ZrO2, Stahl, Spaltprodukte) in der Bodenkalotte des Reaktordruckbehälters an. Kurz danach würde dann auch dessen Boden durchschmelzen, und das heiße Corium (bis zu 300 t) würde 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.

Ein Jar nach der Katastrophe in Japan hat eine vom Parlament eingesetzte Kommission einen offiziellen Bericht über den Unfall in Fukushima veröffentlicht und ist zu dem Ergebnis gekommen, dass dieser Unfall vermeidbar gewesen wäre. 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 radioaktiven Abfälle und die Transmutation (Beschuss mit Neutronenstrahlen) langlebiger Spaltprodukte. Entsprechende Entwicklungsarbeiten
befinden sich noch im Versuchsstadium.

Thermische Kernkraftwerke verwenden gewöhnlich das Uranisotop 235. Seine Halbwertszeit T1/2 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 (T1/2 = 4,5 × 109 Jahre), Uran-235 (T1/2 = 0,7 × 109 Jahre) und Plutonium-239 (T1/2 =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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letzte Änderung: 20.12.2015