Atommüll zur Sonne zu schicken ist natürlich physikalisch möglich, aber es gibt ein großes Hindernis: Energie und damit Geld.

Betrachten wir den Start eines Fasses Atommüll in die Sonne. Sie wollen nicht, dass der Abfall beginnt, die Sonne zu umkreisen – und schließlich auf die Erde zurückfällt – also müssen Sie ihn direkt zur Sonne schicken. Die Erde bewegt sich jedoch um die Sonne herum$30$km/s, man müsste dem Lauf also eine Anfangsgeschwindigkeit von mindestens etwa 30 km/s geben, damit er im heliozentrischen Bezugssystem stillsteht - die Auswirkungen der Erdrotation sind vernachlässigbar. Das ist die doppelte Höchstgeschwindigkeit einer Ariane-5-Rakete.

Angenommen, Sie möchten eine Tonne Abfall in die Sonne schicken. Damit eine vierstufige Rakete diese Geschwindigkeit erreichen kann, muss sie mit dieser Nutzlast und dem bekanntesten Treibstoff – also flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff – einiges wiegen$44\times 10^3$Tonnen: Das ist mehr als das 10-fache der Masse von Saturn V. Nehmen wir nun an, dass die Masse Ihrer Rakete realistischer ist, sagen wir$3,000$Tonnen. Dann würde die Nutzlast, die schließlich die Sonne erreicht, etwa 100 kg wiegen und etwa 4 M $ pro Kilogramm kosten. Im Vergleich dazu scheint es, basierend auf dem Endlager für Atommüll in Yucca Mountain, dass die unterirdische Lagerung von Atommüll etwa 1000 $ / kg kostet.

Schließlich könnte die Rakete, wie Sie sagten, durch Sonnenwinde stark beschädigt werden, sodass Sie den Atommüll in einem Stahlkanister schützen müssten. Dann wäre nur die Hälfte der Nutzlast Atommüll.

Tl;dr: Es gibt ungefähr eine Million Tonnen abgebrannten Kernbrennstoffs auf der Erde (in einer Form, die gehandhabt werden kann). All dies in den Weltraum zu schießen, ist ein gigantisches, beispielloses Unterfangen, das mit unerschwinglichen technischen, logistischen und sicherheitstechnischen Herausforderungen konfrontiert ist. Es wird Jahrzehnte dauern. Seine Kosten sind vergleichbar mit dem Bruttoinlandsprodukt der USA. Auf jeden Fall muss, solange es Atomkraftwerke gibt, ein rotierender Haufen von vielen tausend Tonnen frischem Atommüll auf der Erde verbleiben, während der Müll abkühlt.

Während andere die unerschwinglichen Kosten (in der Größenordnung des US-BIP) und das Risiko ¹ betont haben , werden Zeit und Handhabung ebenfalls ein Problem darstellen . Beides hängt zusammen: Der einzige gemeinsame Schlüsselfaktor für den sicheren Umgang mit hochaktiven Abfällen ist, wenig überraschend, eine effektive Abschirmung, die zwangsläufig viel Abschirmmasse erfordert. Ich werde zuerst zeigen, dass selbst für fast ungeschirmten Treibstoff eine unrealistische Anzahl von Starts erforderlich ist. Ich werde dann kurz auf die Schwierigkeiten eingehen, die damit verbunden sind, während des Starts damit umzugehen.

Masse

Lassen Sie uns die Masse untersuchen, die wir zum Starten benötigen. Das ist etwas knifflig: Messen wir die Nettomenge an Atommüll? Abgebrannte Brennstäbe? Verglaster Abfall? Abfall im Beton? Was würde sich ändern, wenn wir sicher wären, dass wir es in den Weltraum schießen würden? Muss es trotzdem so gut abgedichtet werden? Schließlich müssen die hochradioaktiven und hochgiftigen abgebrannten Brennelemente auch während des Starts sorgfältig von der Biosphäre getrennt werden. (Ich gehe eigentlich davon aus, dass es Ihre Vorstellung von der endgültigen Trennung ist, es in die Sonne zu schießen.)

Eine Zahl, die im Umlauf ist, sind über 70.000 Tonnen abgebrannter Brennelemente in den USA oder etwa 200.000 bis 300.000 Tonnen weltweit. Dies entspricht der Zahl von vielleicht 25 Tonnen abgebrannter Brennelemente pro Jahr und Reaktor, wenn man davon ausgeht, dass die rund 400 Reaktoren weltweit 30 Jahre gelaufen sind: 12.000 Reaktorjahre mit 25 Tonnen/Reaktor/Jahr. Aber das ist ein Nettogewicht. Um den Brennstoff zu transportieren und zu handhaben, wird er normalerweise mit Glas geschmolzen oder in Beton eingeschlossen, wodurch die Masse verdreifacht oder vervierfacht wird. Um den abgebrannten Brennstoff sicher zu transportieren, wird er dann in einem Stahlbehälter versiegelt, der 100 Tonnen pro 10 Tonnen abgebrannten Brennstoffs wiegt. ²

Aber nehmen wir an, dass wir nicht versuchen, gewöhnliche Stahlfässer für abgebrannten Brennstoff auf den Markt zu bringen. Sie würden einen Fehlstart sowieso nicht überleben ³ . Stattdessen starten wir einfach ungeschirmte Glaspellets oder ähnliches und hoffen, dass unsere Rakete die beträchtliche Strahlung für die wenigen Stunden zwischen dem Laden und dem Start bewältigen kann. Dies impliziert immer noch die Notwendigkeit, eine Gesamtbruttomasse von etwa einer Million Tonnen zu starten , um 200.000 oder 300.000 Tonnen Netto-Atommüll zu entsorgen.

Eine Ariane-5-Rakete kann 10 Tonnen pro Start in eine geostationäre Umlaufbahn transportieren; es wird wahrscheinlich weniger sein, wenn wir die Hill Sphere der Erde verlassen wollen, was ich für gut genug für unseren Zweck halten würde, wenn man einen kleinen zusätzlichen Schub erhält.

Dies führt zu ungefähr 100.000 Starts (Kosten vielleicht 2*10^13 Dollar ⁴ , bei Kosten von 200 Millionen Dollar pro Start ). SpaceX wird billiger starten, aber auf der anderen Seite können höhere Sicherheitsanforderungen Starts wieder teurer machen.

Aber mein Hauptargument ist, dass selbst wenn Sie jeden verdammten Tag 2 oder 3 Raketen starten, Sie 30.000 Tage oder mehr als 75 Jahre brauchen. Das heißt, wenn Sie jetzt aufhören, Atomkraft zu nutzen . Die über 400 Kernkraftwerke produzieren jedes Jahr rund 10.000 Tonnen Netto-/30.000 Tonnen Bruttoabfall und benötigen 3.000 Starts, was das Senden des Abfalls in den Weltraum schlimmer macht als das Streichen des Eiffelturms: Während Sie starten , wächst die Menge an Atommüll tatsächlich. Sie müssen jeden Tag 10 Arianes starten, um nur zu verhindern, dass die Menge an Kernbrennstoff wächst.

Aktivität

Abgebrannter Kernbrennstoff ist extrem radioaktiv. Daneben zu stehen ist innerhalb von Minuten tödlich, ohne etwas zu sich zu nehmen. (Erinnern Sie sich, dass die Reinigungsmannschaften von Tschernobyl für eine kurze Reinigungsaktion abwechselnd in den Reaktor rein und raus gerannt sind?) Ich konnte keine Informationen über die kurzfristigen Auswirkungen starker Gamma- und Neutronenstrahlung auf die Elektronik finden, abgesehen von allgemeinen Aussagen, dass sie davon betroffen sind .

Selbst wenn die Trägerrakete mit der Strahlung umgehen kann, können die Menschen das ganz sicher nicht. Schon aus rein technischen Gründen ist mir nicht sofort klar, wie, wo und wann der Nutzlastcontainer aufgebaut wird. Dies wird auf dem allgemeinen Startplatz notwendig sein, möglicherweise neben dem Pad, da Menschen nach dem Auspacken des Treibstoffs aus den Transportbehältern in der Regel nicht in die Nähe kommen können.

Die gesamte Handhabung nach dem Auspacken muss ferngesteuert oder robotergesteuert erfolgen. Die Handhabung der Rohpellets erfolgt normalerweise in speziellen Nuklearanlagen, um eine nukleare Kontamination der Umwelt zu vermeiden. Sie sind stark reguliert und geprüft, weit über jedes zivile Raumfahrtunternehmen hinaus. Der Umgang mit abgebrannten Kernbrennstoffen verändert den Charakter des Standorts vollständig.

Die nicht-technischen Aspekte sind mindestens genauso herausfordernd. Der Umgang mit abgebrannten Kernbrennstoffen ist ein Sicherheitsrisiko. Verarbeitungsstätten sind Hochsicherheitsbetriebe aus Angst vor direkten Terroranschlägen sowie Diebstahl von nuklearem Inventar, entweder für eine schmutzige Bombe oder für das darin enthaltene Plutonium. Es wird wahrscheinlich eine Anforderung geben, flugzeugabsturzsichere Gebäude und/oder Flugabwehranlagen zu haben, zumindest Nebelwandinstallationen, da das Startsystem offensichtlich exponiert und anfällig ist. Regelmäßig werden großvolumige Atommülltransporte aus aller Welt zum Standort transportiert, die ebenfalls geschützt werden müssen und eventuelle lokale politische Widerstände entlang der Bahntrassen oder Autobahnen überwinden müssen. Um 100 t verglasten Abfall auf den Markt zu bringen, müssen Sie vielleicht 10 Särge mit jeweils 100 t Bruttogewicht transportieren, was in etwa einem einzigen Transportzug pro Tag entspricht. Zum Vergleich: Solche Transporte sind passiertin Deutschland seit 20 Jahren etwa alle zwei Jahre. Der letzte derartige Transport im Jahr 2011 benötigte 5 Tage, um Mitteleuropa zu durchqueren, und wurde von einem Polizeiaufgebot von 30.000 (!) bewacht. Das hättest du jeden Tag.

Hitze

Ein Teil der Radioaktivität erzeugt Wärme in der Größenordnung von 100 kW/t Schwermetall für frischen Abfall, die nach 10 Jahren exponentiell auf 1 kW/t abnimmt. Nach 5 Jahren kann die Aktivität etwa 5 kW/t betragen, was die Nutzlast von 10 t zu einer Wärmequelle von vielleicht 25 kW (etwa 12 Haushaltsraumheizgeräte) macht, wenn man von 5 t tatsächlich abgebranntem Brennstoff ausgeht. An diesem Punkt schmilzt der Treibstoff auch ohne aktive Kühlung nicht, aber eine so buchstäblich heiße Nutzlast ist für ein Startsystem sicherlich ungewöhnlich. Es kann die Elektronik und Kraftstofftanks beeinträchtigen. Ich nehme an, dass allein die Hitze es notwendig macht, die Zeit zwischen dem Laden und dem Start zu minimieren.

Fazit

Zunächst einmal führt die Notwendigkeit, abgebrannte Brennelemente abkühlen zu lassen, bevor irgendetwas damit gemacht werden kann, zu einer unvermeidlichen mehrjährigen Lagerhaltung auf der Erde, auch wenn die Aussicht, sie ins All zu schießen, zunächst verführerisch klingt.

Der Transport und Umgang mit abgebrannten Brennelementen ist eine gefährliche Angelegenheit, die aufwändige technische Ausrüstung und technische sowie militärische Sicherheitsmaßnahmen erfordert. Die physikalischen Eigenschaften der Nutzlast sind ungewöhnlich genug, um neue technische Herausforderungen zu stellen. ⁵

Die Menge des vorhandenen Bestands an abgebrannten Brennelementen sowie die Produktionsrate würden es erforderlich machen, Dutzende von Nutzlasten pro Tag zu starten, um die Menge an abgebrannten Brennelementen auf der Erde überhaupt erheblich zu reduzieren. Es würde viele Jahrzehnte dauern, den vorhandenen Kernbrennstoff in den Weltraum zu transportieren, was ihn zu keiner eleganten kurz- oder mittelfristigen Lösung, sondern zu einer großangelegten, langfristigen, übermäßig teuren, übermäßig riskanten militärisch-industriellen Operation macht.

_{² Erwähnenswert ist, dass diese Behälter abgebrannte Brennelemente erst handhaben können, nachdem sie sich einige Jahre in einem Becken für abgebrannte Brennelemente befunden haben, wenn sie einen Teil ihrer anfänglichen Radioaktivität verloren haben. Mit anderen Worten, Sie können frischen abgebrannten Brennstoff nicht sehr gut transportieren, und abgebrannte Brennstoffe im Wert von mehreren Jahren werden auf der Erde sein, egal was aus rein transporttechnischen Gründen ist.}

_{³ Aber sie überleben einen Zugunglück.}

_{⁴ Das BIP der USA beträgt etwa 1,9*10^13 Dollar.}

_{⁵ Dies ist eigentlich der Fall , egal was Sie mit dem Kraftstoff machen. Selbst das einfache Vergraben stellt ungewöhnliche technische Herausforderungen dar, da die Hitze und die Strahlung die Korrosion und die allgemeine Verschlechterung der Sicherheitsbehälter beschleunigen.}

Es ist möglich, aber es wird mindestens doppelte Ressourcenverschwendung sein.

1. Der Start wird, wie James antwortete , sehr teuer.
2. Wer sagt, dass Atommüll für immer Müll bleibt ? Es gibt Bemühungen , Atommüll zu recyceln. Bei Erfolg wird der Abfall zu einer Ressource .

Ich habe eine ähnliche Frage an anderer Stelle im SE-Netzwerk beantwortet. Dies ist ein kleines Update dazu$2\, \frac 3 4$Jahre alte Antwort.

Wird es ein Hindernis geben, das dies verhindert?

Als absolutes Minimum gibt es mindestens fünf Hindernisse:

• Wenn Sie dies tun wollten, ist es sinnvoller, es aus dem Sonnensystem zu schicken.
• Das können wir gar nicht. Wir können es nicht einmal dazu bringen, auf den Mond zu krachen.
• Selbst wenn wir das technisch könnten, würde es zu viel kosten.
• Selbst wenn man die technischen und finanziellen Hürden ignoriert, wäre es zu riskant.
• Schließlich wollen wir das einfach nicht tun.

Es macht mehr Sinn, es aus dem Sonnensystem zu schicken.
Etwas in die Sonne zu schicken ist extrem teuer; die Delta-V-Kosten sind extrem unerschwinglich. Es würde wesentlich weniger kosten, etwas aus dem Sonnensystem zu schicken, als etwas mit der gleichen Masse in die Sonne zu schicken. Es würde sogar noch weniger kosten, dieses Etwas auf die Oberfläche des Mondes krachen zu lassen. Ich werde das als Maß verwenden, anstatt unseren Abfall in die Sonne zu schicken.

Wir können es nicht einmal dazu bringen, auf die Oberfläche des Mondes zu krachen.
Die Nuklearindustrie erzeugt 2000 bis 2300 Tonnen Abfall in Form von abgebrannten Brennelementen pro Jahr ( Quelle: Nuclear Energy Institute ).

Ich nehme den Falcon Heavy als Basis. Es wird in der Lage sein, 13.200 Pfund Nutzlast in eine translunare Injektionsbahn zu bringen. Das bedeutet mindestens 384 Starts von Falcon Heavy pro Jahr. Beachten Sie sehr gut: Dieses absolute Minimum bedeutet, dass der Abfall ungeschützt auf die Falcon Heavy-Trägerrakete gestapelt wird. Das ist aus mehreren Gründen unrealistisch. Völlig unrealistisch und unter der Annahme, dass es nur ein Pfund Einkapselungsmaterial pro Pfund Abfall gibt, bedeutet das mehr als zwei Starts pro Tag, jeden Tag des Jahres, nur um mit der aktuellen Produktionsrate von Atommüll Schritt zu halten.

Erschwerend kommt hinzu, dass 2000-2300 Tonnen pro Jahr die Spitze des Eisbergs sind. Aus derselben Quelle haben wir fast 70.000 Tonnen gebrauchten Kraftstoffs angesammelt. Es gibt auch kontaminiertes Wasser, kontaminierte Stalleinrichtungen, kontaminierte Steuerstäbe; usw. Es gibt eine Menge gelagerten Atommüll. Es gibt keine Möglichkeit, es im Weltraum loszuwerden.

Selbst wenn es technisch möglich wäre, würde es zu viel kosten.
Unter Verwendung meines lächerlich optimistischen Faktors von einem Pfund Einkapselungsmaterial pro Pfund Abfall würde die Beseitigung dieser 70.000 Tonnen verbrauchten Brennstoffs Kosten von fast 2 Billionen Dollar bedeuten. Diese Zahl ist lächerlich optimistisch. Setzen Sie eine realistische Zahl ein und die daraus resultierenden Kosten lassen den Krieg gegen den Terror wie sehr kleine finanzielle Kartoffeln aussehen.

Selbst wenn man die technischen und finanziellen Herausforderungen außer Acht lässt, wäre es zu riskant.
Mein Faktorfaktor von einem Pfund Einkapselungsmaterial pro Pfund Abfall ist lächerlich optimistisch. Schauen Sie, was die NASA für den thermoelektrischen Radioisotopengenerator tun muss, den sie für Weltraumsonden verwendet. Diese RTGs sind bis ins letzte Detail wie Panzer ^gebaut . Anstelle meines Eins-zu-eins-Faktors wäre ein realistischerer Faktor zehn zu eins oder mehr. Das würde die Kriege gegen Terror, gegen Armut, gegen Krebs, gegen was auch immer aussehen lassen wie mikroskopisch kleine Finanzkartoffeln.

Wir wollen es einfach nicht.
Die Fähigkeit, mehrere Starts pro Tag über die Erdumlaufbahn hinaus durchzuführen, ist der Traum eines jeden Weltraumfanatikers. Diese fantastische Fähigkeit verschwenden, um Atommüll in den Weltraum zu schleudern? Das ist der Albtraum jedes Weltraumfanatikers.

Ja, so ist es. Aber bedenken Sie die schiere Menge an radioaktivem Abfall, zB Radioactive Waste Amount

Kurze Antwort: Der gelagerte Abfall in den USA beträgt ungefähr 60.000 Tonnen (hochradioaktiver Abfall). Nehmen Sie das und multiplizieren Sie es mit vier, da die USA 104 der über 400 Kernkraftwerke der Welt haben und wir 240.000 Tonnen bekommen. Ich bin nicht einverstanden, dass Sie Sachen direkt zur Sonne schicken müssten. Sobald es die Erdumlaufbahn verlassen hat, ist es sowieso weg. Nehmen wir also grundlegende Startkosten an (obwohl sie nur für den Orbit gelten, müssen Sie den Orbit verlassen, also wird es teurer). zB Start kostet $27.000 pro Pfund

Das ist für eine Müllentsorgung einfach VIEL zu teuer. Ich würde lieber in Betracht ziehen, ein SEHR tiefes Loch zu bohren, sagen wir 10 km, wenn Sie den Abfall einfach für immer vergessen wollen, wäre es mit Sicherheit viel billiger.

Wird es ein Hindernis geben, das dies verhindert? Zum Beispiel Sonnenwinde?

Der Sonnenwind ist für die meisten Raumfahrzeuge effektiv harmlos, es sei denn, sie sind sehr lange Zeit ausgesetzt. In diesem Fall sind die leitfähigen Gläser über den Solarzellen normalerweise die Teile, die am meisten Schaden erleiden (dh das Glas wird langsam "schwarz", was sich verringert). der Wirkungsgrad der Solaranlage). Das größere Problem wäre die Ablation von hochenergetischen Photonen in der Nähe der Sonne. Wenn es nicht richtig gemacht wird, würde der Körper des Raumfahrzeugs vollständig verdampfen, während es sich noch deutlich über der photosphärischen Oberfläche (dh der Sonnenoberfläche) befindet. Das heißt, wenn Ihre Absicht darin bestand, den radioaktiven Abfall im solaren Gravitationsschacht einzufangen.

Die Mission Solar Probe Plus steht vor ähnlichen Problemen, dh wie man sich nähert, ohne abzuschmelzen. Vielleicht finden Sie die Links auf der Missionswebseite nützlich.

Nebenbemerkung: Wenn das Raumschiff ablatiert, bevor es von der Gravitationsquelle eingefangen wird, wären die Auswirkungen auf die Erde nicht einmal messbar.

Wenn Sie einfach eine Tonne reines Uran über 1 AE kugelsymmetrisch adiabatisch expandieren , ändert sich die Dichte als$\rho \propto r^{-2}$. In fester Form hat Uran eine Dichte von ~19,1 g/cm ³ oder ~19100 kg/m ³ , so dass eine Tonne (dh 1000 kg) Uran anfänglich ein Volumen von ~0,0524 m ³ oder ~52,5 Liter einnehmen würde. Wenn wir nun diese Dichte um den verringern$r^{-2}$Faktor (Massenerhaltung vorausgesetzt) ​​über 1 AE, dann wäre auf der Erde die Anzahl der Uranteilchen pro Kubikmeter ~10 ^-24 m ^-3 . Zum Vergleich: Die typische Protonenzahldichte in der erdnahen Umgebung beträgt ~10 cm ^-3 oder ~10 ⁶ m ^-3 .

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass selbst wenn das Fahrzeug in geringer Höhe in der Nähe der Sonne vollständig ablatiert und vom Sonnenwind erfasst würde, es zu dem Zeitpunkt, an dem es die Erde erreicht, keine messbaren Auswirkungen geben würde (dh wir könnten niemals so niedrige Zahlendichten messen).

Wenn wir die Gefahr eines erfolglosen Starts der Rakete und die Kosten vernachlässigen, wäre es dann physikalisch möglich, den gesamten Atommüll der Erde zur Sonne zu schicken?

Ich stimme dem Kommentar von @Luaan darin zu, dass wir bereits Verwendung für die sogenannten "verbrauchten" Kernbrennstäbe finden, z. B. Artikel über Brutreaktoren nachschlagen . Mit der entsprechenden Abschirmung könnten sie auch als lang anhaltende Niedrigwärmequellen verwendet werden, die die Energiekosten usw. senken. Natürlich sind die Bedenken hinsichtlich unangemessener Verwendung (z. B. für schmutzige Bomben) immer vorhanden, aber es gibt Möglichkeiten, die Extraktion äußerst nutzlos zu machen.

Beispielsweise können die derzeitigen Behälter, die zum Lagern abgebrannter Brennstäbe verwendet werden, Kräften standhalten, die durch einen Überschalleinschlag auf festen Beton, eine Einwirkung von brennendem Napalm für mehr als 24 Stunden, die meisten hochexplosiven Verordnungen usw. erzeugt werden, ohne ihre Einschließungskapazitäten zu verlieren. Grundsätzlich würde mich die Menge an Kraft / Energie, die erforderlich ist, um einen dieser Container zu durchbrechen, viel mehr beunruhigen als alles andere in den Containern.

Einst technisch machbar und sicher, was es eines Tages zweifellos sein wird, auch wenn es heute vielleicht nicht mehr der Fall sein wird, warum nicht einfach ein oder zwei Meilen entlang der Ebene eines zerstörerischen Plattenrandes am Boden eines Ozeangrabens bohren und Tausende Tonnen hoch fallen lassen -Schmutz in ein Stahl- oder Titanrohr füllen, bevor es mit einer halben Meile Beton oder ähnlichem abgedichtet wird? Dann lass die Erde es über Zehntausende von Jahren automatisch in den Mantel transportieren.

Zusätzlich zu dem, was andere Leute gesagt haben, scheint es viel billiger zu sein, eine Railgun für diesen Zweck zu verwenden. Railgun ist ein elektromagnetischer Werfer. Wenn es gerade nach oben gerichtet wäre und sich in der Nähe des Äquators befinden würde, könnten Sie jeden Tag während des Sonnenuntergangs Nutzlasten zur Sonne starten.