Zur Leistungsbewertung fortschrittlicher nuklearer Abfallformen: Temperaturabhängigkeit der Auflösung von Lanthanoid-Borosilikat-Glas

Warum sicherere Lagerung nuklearer Abfälle wichtig ist

Moderne Kernreaktoren und künftige fortschrittliche Konzepte können Strom ohne CO2-Emissionen erzeugen, hinterlassen jedoch hochradioaktive Abfälle, die über Tausende von Jahren von Menschen und Umwelt getrennt werden müssen. Eine der vielversprechendsten Lösungen besteht darin, diese Abfälle in speziell entwickeltes Glas einzuschließen und das Glas tief unter der Erde zu lagern. Diese Studie stellt eine einfache, aber entscheidende Frage: Wie verhält sich eine fortschrittliche Art von Nuklearabfallglas in heißem Wasser über lange Zeiten, und lässt sich dieses Verhalten so gut quantifizieren, dass man den Modellen für ein zukünftiges Endlager vertrauen kann?

Radioaktivität in Glas einschließen

Hochradioaktive Abfälle werden nicht als loses Pulver oder Flüssigkeit gelagert. Stattdessen werden sie meist in ein robustes Glas eingeschmolzen, das viele verschiedene chemische Elemente in einem vernetzten festen Gefüge zurückhält. Internationale Sicherheitskonzepte beruhen auf mehreren Schutzschichten: Der Abfall wird zunächst in ein dauerhaftes Glas eingebunden, in robuste Behälter versiegelt und schließlich in sorgfältig ausgewählten Gesteinsformationen tief unter der Erde platziert. Um vorherzusagen, wie gut dieses System über Hunderttausende von Jahren funktionieren wird, erstellen Wissenschaftler Leistungsbewertungsmodelle, die simulieren, wie schnell radioaktive Atome aus dem Glas entweichen könnten, falls Wasser es erreicht. Diese Modelle sind nur so gut wie die zugrunde liegenden Daten, insbesondere jene über den Einfluss von Temperatur und Wasserchemie auf die Glaskorrosion.

Ein neuer Blick auf ein fortschrittliches Abfallglas

Die Untersuchung konzentriert sich auf Lanthanoid-Borosilikat-(LaBS-)Glas, eine Materialklasse, die entwickelt wurde, um große Mengen schwieriger Elemente wie Plutonium, Americium und Curium aufzunehmen. LaBS-Gläser sind widerstandsfähiger und hitzebeständiger als die in heutigen Reaktoren häufiger verwendeten Abfallgläser und können höhere Anteile radioaktiver Metalle sicher einbauen, weil ihre Struktur bereits viele Lanthanoide enthält, die Neutronen absorbieren. Die Autoren untersuchen eine gut charakterisierte Probe namens AmCm2-19, ursprünglich entwickelt zur Immobilisierung americium- und curiumreicher Abfälle, und vergleichen ihr Verhalten in Wasser mit einem weit verbreiteten Referenzglas, dem International Simple Glass-1 (ISG-1). Beide Gläser werden einem standardisierten Dauerprüfungstest in reinem Wasser bei Temperaturen von warm (50 °C) bis sehr heiß (250 °C) unterzogen.

Wie Wärme die Glas–Wasser-Reaktion verändert

Wenn Glas im Wasser liegt, wandern einige seiner Bausteinatome langsam in die Flüssigkeit. Indem die Forschenden messen, wie schnell Schlüssel-Elemente wie Bor und Silizium das Glas verlassen, verfolgen sie dessen Auflösungsrate. Für das AmCm2-19-Glas steigen diese Freisetzungsraten mit zunehmender Wassertemperatur, flachen jedoch bei etwa 150 °C ab. Dieses Abflachen deutet darauf hin, dass das Wasser gesättigt ist: Es kann nicht mehr von diesen Elementen lösen, und ein feiner, schützender Zustand wird erreicht, möglicherweise durch eine dünne Alterationsschicht oder neu gebildete mikroskopische Mineralphasen. Auffällig ist, dass dieses fortschrittliche LaBS-Glas das Wasser mit deutlich geringeren gelösten Elementkonzentrationen sättigt als das Referenzglas, was auf unterschiedliche Sekundärverbindungen hinweist, die in den jeweiligen Systemen entstehen können.

Ins Glas blicken und seine Widerstandskraft quantifizieren

Um Zahlen zu liefern, die Modellierer verwenden können, passen die Autoren ihre temperaturabhängigen Daten an eine Arrhenius-Beziehung an, die die Reaktionsrate mit der Temperatur verknüpft. Unter Verwendung nur der Bedingungen vor dem Erreichen der Sättigung (50 und 100 °C) leiten sie Aktivierungsenergien her, die beschreiben, wie empfindlich die Auflösungsrate gegenüber Temperaturänderungen ist. Für AmCm2-19 liegen diese Werte im moderaten Bereich von etwa 15–25 Kilojoule pro Mol und sind ähnlich zu einigen zuvor untersuchten LaBS-Zusammensetzungen. Im Gegensatz dazu zeigen konventionellere nukleare Abfallgläser oft deutlich höhere Aktivierungsenergien, was bedeutet, dass sich ihre Reaktionsraten stärker mit der Temperatur ändern. Das Team untersucht auch, wie verschiedene Lanthanoid-Elemente aus dem Glas ausgewaschen werden, und stellt fest, dass leichtere Lanthanoide tendenziell leichter herausgelöst werden als schwerere, was widerspiegelt, wie fest sie im Glasnetzwerk gebunden sind.

Nach verborgenen Schäden suchen

Da die Tests bei hohen Temperaturen auf Wassersättigung hindeuten, führen die Forscher ein separates, extremeres Experiment durch, das sichtbare Alterationsprodukte begünstigen soll. Sie setzen ein feines Pulver des AmCm2-19-Glases über mehr als zwei Wochen in 200 °C heißes Wasser und untersuchen anschließend das Material mittels Pulverröntgendiffraktometrie und Elektronenmikroskopie. Diese Methoden können neue Kristalle oder Schichten offenbaren, die sich an der Glasoberfläche bilden könnten. Die Messungen zeigen nur geringfügige Veränderungen: Eine kleine, vorbestehende kristalline Phase scheint abzunehmen, und es werden keine offensichtlichen neuen Kristalle oder dicken Oberflächenüberzüge festgestellt. Elementkarten der Glasoberflächen vor und nach dem Auslaugen zeigen ebenfalls nahezu identische Zusammensetzungen, was darauf hindeutet, dass eine etwaige schützende Alterationsschicht extrem dünn ist.

Was das für künftige Endlager bedeutet

Aus laienhafter Sicht lautet die Kernbotschaft, dass dieses fortschrittliche Nuklearabfallglas auch in sehr heißem Wasser recht stabil bleibt und seine Zersetzung langsamer wird, sobald die umgebende Flüssigkeit mit gelösten Komponenten gesättigt ist. Die Studie liefert einige der ersten detaillierten temperaturabhängigen Kennzahlen zur Auflösung eines LaBS-Glases und gibt Sicherheitsanalysten bessere Werkzeuge, um sein Langzeitverhalten unterirdisch vorherzusagen. Obwohl noch viele Zusammensetzungen und Randbedingungen untersucht werden müssen, bringt diese Arbeit das Feld näher an Abfallformen und Modelle heran, denen man zutrauen kann, Radioaktivität über Zeiträume weit jenseits jeder menschlichen Planungszeit sicher in der Erde zu halten.

Zitation: McLachlan, J.R., Stanley, D.A., Garcia, J.A. et al. Toward the performance assessment of advanced nuclear waste forms: temperature dependence of lanthanide borosilicate glass dissolution. npj Mater Degrad 10, 44 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00756-1

Schlüsselwörter: nuklearer Abfallglas, lanthanoid-borosilikat, geologische Endlagerung, Glaskorrosion, hochradioaktiver Abfall