56 Millionen Gallonen. Das ist die Menge radioaktiver Tankabfälle, die am Standort Hanford infolge der geheimen Regierungsmission zur Bereitstellung des Plutoniums für die ersten Atomwaffen der Welt und des darauf folgenden Kalten Krieges zurückgeblieben sind. Heute gilt der Standort Hanford als eine der technisch komplexesten Umweltherausforderungen der Welt.
„Die Menge an Altabfällen, die verarbeitet werden müssen, und die Kosten dafür sind astronomisch. Es ist eine riesige Geldsumme, und bis dieses Problem gelöst ist, müssen wir die Tanks weiter überwachen“, sagte Reid Peterson, Chemieingenieur am Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).
Peterson hat fast drei Jahrzehnte lang an Tankabfallproblemen für Standorte des Office of Environment Management des Energieministeriums (DOE) gearbeitet. Er war Teil einer landesweiten Reaktion, um zu verhindern, dass die Benzolgas-Rülpse in einem Abfalltank am Standort Savannah River die Explosionsgrenzen erreichen. Er half bei der Entwicklung verschiedener chemischer Trenntechniken. Doch unter seinen zahlreichen Beiträgen zur Beseitigung der chemisch komplexen radioaktiven Abfälle sticht eine hervor: die Einfangung von Cäsium-137.
Cäsium-137 wird größtenteils vom Menschen hergestellt. Es kommt in großen Mengen im Atommüll vor, da es ein Nebenprodukt bei der Herstellung von Plutonium ist, einem notwendigen Schritt bei der Herstellung von Atomwaffen. Wissenschaftler haben herausgefunden, wie man diesen radioaktiven Abfall sicher in Glas lagern kann. Doch bevor das passieren kann, muss ein Teil des flüssigen Tankabfalls behandelt werden, um den größten Teil des Cäsium-137 zu entfernen.
Das liegt daran, dass die Art der von ihm emittierten Gammastrahlung – eine Energie, die höher ist als die von Röntgenstrahlen – den menschlichen Körper und sogar Stahl durchdringen kann, was es für Arbeiter zu gefährlich macht, die Verarbeitungstechnologie zur Herstellung von Altglas mit geringer Aktivität zu bedienen und zu warten. Das ist seit über einem Jahrzehnt Petersons Herausforderung. Bis heute haben die Mitarbeiter von Hanford mit unterstützender Forschung von PNNL Cäsium aus mehr als 697.000 Gallonen Tankabfällen entfernt – ein bedeutender Meilenstein im Reinigungsfortschritt in Hanford.
Die Entwicklung der Technologie zur Entfernung von Cäsium
Im Jahr 2008 demonstrierten Peterson und andere Forscher am PNNL in einem Pilotprojekt erfolgreich, dass sie Cäsium mithilfe eines Systems entfernen konnten, das neben einem Atommülltank aufgestellt war. Es hat sich gezeigt, dass es sich um einen kostengünstigen Ansatz handelt, ein Entfernungssystem direkt an einen einzelnen Tank anzuschließen.
Die Demonstration erwies sich als wichtig, als drei kurze Jahre später ein Erdbeben und der daraus resultierende Tsunami im japanischen Kernkraftwerk Fukushima Daiichi zu einer Kernschmelze führten. Als Reaktion auf den Unfall musste die Technologie zur Entfernung von Cäsium beschleunigt und schnell eingesetzt werden.
„Nur wenige Tage nach der Veranstaltung reiste ich nach DC, um zu prüfen, welche Technologie eingesetzt werden sollte“, sagte Peterson. „Ich bin mehrmals nach Fukushima gefahren, um mir die Technologien zur Entfernung von Cäsium anzusehen. Wir fuhren an den Reaktoren vorbei, die explodiert waren, und mein Dosimeter piepte im Vorbeifahren, weil es so viel Strahlung gab.“
Für diese Reaktion erhielt das Team 2011 einen DOE Secretary’s Award.
Die Aufräumarbeiten in Fukushima dienten als Katalysator für den Einsatz ähnlicher Systeme am Standort Savannah River und schließlich in Hanford. In Echtzeit konnte die Welt die Wirksamkeit der Technologie sehen.
Cäsium entfernen, fünf Gallonen pro Minute
Peterson ist der Projektmanager, der die Cäsiumentfernungstechnologie vom Labormaßstab zur Demonstration in voller Höhe gebracht hat und dem Tanklagerbetreiber die Sicherheit gegeben hat, mit dem Betrieb im Originalmaßstab fortzufahren. Am Standort Hanford heißt es Tankseitige Cäsiumentfernung (TSCR) System.
TSCR behandelt Abfälle in einem System vor, das in einen Schiffscontainer eingebaut ist, in den mit einem Gabelstapler Stahlsäulen eingesetzt werden. Tankabfälle werden durch einen Filter geleitet und fließen in eine Säule. Im Inneren der Säule befindet sich ein Ionenaustauschmedium, das aus einer Mischung aus Siliziumdioxid und Titan als Hauptbestandteilen besteht. Das Ionenaustauschmedium ähnelt kleinen weißen Kügelchen, und obwohl sie klein sind, haben sie eine große Kraft – sie fangen Cäsium ein.
„Dieses Zeug liebt Cäsium“, sagte Peterson über die Ionenaustauschmedien. „Wenn die Flüssigkeit durch den Filter und in die Säule fließt, saugt das Medium den größten Teil davon auf.“
Es ist ein kompliziertes Gleichgewicht, die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsflusses genau richtig einzustellen, damit das Medium genügend Zeit hat, das Cäsium aufzusaugen.
Peterson und sein Team am PNNL ahmen TSCR in kleinerem Maßstab in einem speziellen Laboraufbau am Standort Hanford nach, der sogenannten Radioactive Waste Test Platform.
„Mit der Testplattform für radioaktive Abfälle können wir sicher sein, dass TSCR so funktioniert, wie es soll, weil wir über all diese Labordaten verfügen, die perfekt mit der Systemleistung übereinstimmen“, sagte er.
Sobald die Säule voll ist, wird das System angehalten und die Säule durch eine andere ersetzt. Das Hanford TSCR-System ist seit Januar 2022 in Betrieb. Es kann rund um die Uhr mit einer Durchflussrate von 5 Gallonen vorbehandeltem Abfall pro Minute laufen. Doch was passiert mit dem Abfall nach der Vorbehandlung?
Die Testplattform für radioaktive Abfälle am Pacific Northwest National Laboratory ist eine Schlüsselfunktion zur Unterstützung der Behandlung von Verglasungsabfällen am Hanford-Standort des Energieministeriums. Diese Technologie trägt dazu bei, die Kosten und Terminrisiken der Aufräumarbeiten zu reduzieren, indem sie die Basisbehandlung und mögliche Alternativen aufzeigt. Dies ermöglicht es Wissenschaftlern, Ingenieuren und Beamten, den technologischen Reifegrad und alternative Strategien zu bewerten und Aufräumarbeiten zu optimieren. Bildnachweis: Pacific Northwest National Laboratory
Von der radioaktiven Flüssigkeit zum stabilen Glas
TSCR ist der erste Schritt auf dem Weg zum größeren Ziel, flüssige Abfälle mithilfe eines Prozesses namens Vitrifizierung zu Glas zu stabilisieren – im wahrsten Sinne des Wortes zu einem Teil der Glasstruktur zu machen. Die Mitarbeiter von Hanford werden mithilfe der Vitrifikationstechnologie vorbehandelten Abfall mit glasbildenden Materialien mischen, ihn in einem Hochtemperaturschmelzofen auf über 1.150 °C erhitzen und das geschmolzene Glas in große Stahlgefäße gießen, wo es abkühlt und sich zur langfristigen Entsorgung verfestigt .
„Bevor die ‚Vit-Anlage‘ in Hanford in Betrieb genommen wird, müssen 800.000 Gallonen Tankabfälle vorbehandelt und einsatzbereit sein“, sagte Peterson.
Die Vorbehandlung ist aus zwei Hauptgründen ein wichtiger Schritt: Sicherheit und Kosten.
„Wir möchten in der Lage sein, die Wartung der Geräte direkt vor Ort durchzuführen, anstatt alles aus der Ferne erledigen zu müssen“, sagte Peterson. „Ohne zuerst das Cäsium zu entfernen, müsste man eine 6 Fuß dicke Wand aus Betonschutz haben und das gesamte Designkonzept müsste sich ändern, was auch zu höheren Kosten führen würde.“
Die Hanford Vit-Anlage, offiziell Abfallbehandlungs- und Immobilisierungsanlage genannt, soll derzeit im Jahr 2025 ihren Betrieb aufnehmen. Obwohl mehr als 697.000 Gallonen ein wichtiger Meilenstein sind, handelt es sich nur um eine kleine Delle im Abfall, der noch auf die Vorbehandlung wartet. Ein Folgeprojekt könnte möglicherweise den Vorbehandlungsprozess beschleunigen, indem TSRC in einen viel größeren Maßstab gebracht wird.
„Ich habe diese Karriere vor 29 Jahren begonnen und bin dabei geblieben, weil es ein großes Problem ist, das es zu lösen gilt“, sagte Peterson, der kürzlich von der AIChE Nuclear Engineering Division für sein Engagement für die Chemietechnik mit dem Robert E. Wilson Award geehrt wurde.
„Ich bekomme jeden Tag eine Notiz darüber, wie viele Gallonen TSCR verarbeitet hat“, sagte er. „In der Lage zu sein, etwas zu unterstützen, das läuft und effektiv läuft, fühlt sich an, als würden wir wirklich wichtige Fortschritte machen.“