Elektrochemische Isotopenanreicherung für das Radionuklidrecycling

Die Entsorgung flüssiger 14C-haltiger organischer Abfälle stellt nach wie vor ein teilweise ungelöstes Problem dar. Eine Endlagerung ist nicht möglich. Andererseits gibt es für das Isotop 14C nach wie vor einen erheblichen Bedarf in Forschung und Industrie, was aufgrund von Knappheiten auf dem Weltmarkt einen starken Preisanstieg zur Folge hatte.

Technikumsanlage

Forschende des Fraunhofer IKTS haben basierend auf ihren Erfahrungen zur elektrochemischen Behandlung solcher Abfälle nun eine Technikumsanlage (Abb. 1) entwickelt, mit der das Isotop ¹⁴C aus mit ¹⁴C angereicherten Gasfraktionen gewonnen werden kann – bei gleichzeitiger Dekontamination des flüssigen Abfalls. In dem Verfahren werden die organischen Stoffe elektrochemisch zu CO₂ umgesetzt. Dabei wird ¹⁴C-CO₂ freigesetzt, das anschließend in endlagerfähige anorganische Salze überführt wird. Auf diese Weise können die Entsorgungskosten, die typischerweise bei 250–450 T€/m³ liegen, drastisch reduziert werden.

Verfahrenskombination zur ¹⁴C-Anreichung

Um der anspruchsvollen Zielstellung näher zu kommen, wurden zunächst umfangreiche Untersuchungen zur Kinetik der Gasund Radioaktivitätsfreisetzung an diversen organischen Verbindungen durchgeführt. Dabei zeigten sich deutliche Maxima der ¹⁴C-Freisetzung im Reaktionsverlauf. Während dieser Phasen ist ¹⁴C in besonders hoher Aktivität im Anodengas enthalten (Abb. 2). Diesen Effekt kann man nutzen, um mit ¹⁴C angereicherte Gasfraktionen getrennt aufzufangen (Abb. 3) und von solchen zu trennen, die nur wenig ¹⁴C enthalten und dennoch in den radioaktiven Abfall gelangen. Dies bietet die Möglichkeit, Abfälle mit hinreichend hoher ¹⁴C-Aktivität über einen Elektrolyseschritt (elektrochemische Totaloxidation) einer nachfolgenden weiteren Anreicherung mittels Clusius-Dickel-Verfahren (Thermodiffusion) zugänglich zu machen. Über eine automatische Ventilsteuerung kann die Anlage ¹⁴C-reiche von -ärmeren Gasfraktionen trennen. Weitere Steuerungsmöglichkeiten liegen in der Prozessführung.

Radionuklidrecycling und Kostenpotenziale

Das entwickelte Verfahren zielt auf die Behandlung solcher radioaktiver Abfälle in Landessammelstellen und bei Unternehmen aus den Bereichen Pharma- und Pflanzenschutzmittelforschung sowie nukleare Entsorgung ab. Neben der Anreicherung von ¹⁴C bei gleichzeitiger Dekontamination des flüssigen Abfalls besteht auch die Möglichkeit des ¹⁴C-Recyclings. Ein Kilogramm ¹⁴C kostet derzeit mehr als 10 Mio. €, die Entsorgung eines Kubikmeters solcher Abfälle ca. 400 000 €. Die Gewinnung anderer Isotope wie Tritium steht bereits im Fokus weiterer Untersuchungen.