Transmutation

Transmutation
Alexander Winnemöller, 28.07.2004
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Exkurs Kernfusion
• Energie durch Verschmelzung leichter Kerne (bis A ≈ 20)
• Beste Ausbeute bei Entstehung von 4He
→ z.B. 2H + 3H → 4He + n + 17,6 MeV
• Überwindung des Coulomb-Walls (einige MeV) nötig
• Thermische Kernreaktion bei ca. 108 K (≈ 10 keV)
• Proton/Deuteron durchtunnelt Wall → Fusion
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Exkurs Kernspaltung
• Spaltung ab A ≈ 100 energetisch eigentlich vorteilhaft
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Exkurs Kernspaltung
• riesige Energiebarriere zu überwinden
• Abnahme der Coulomb-Energie kompensiert
Zunahme der Oberflächen-Energie erst ca. bei Uran
• Zuführung von Energie durch Neutronen
• Anlagerungsenergie des Neutrons regt Kern zum
Schwingen an
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Exkurs Kernspaltung
• Neutronenüberschuss nach
(asymmetrischer) Spaltung
• Abbau durch β--Zerfall und
Neutronenemission
• Reaktor: Emittierte Neutronen
spalten weitere Kerne →
Kettenreaktion
• Neutronen zu schnell,
Moderator nötig
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Exkurs Kernspaltung
• wegen asymmetrischer Spaltung
zwei bevorzugte Bereiche
• Im Reaktor bei Spaltung von 235U
entstehende Isotope z.B.
99Tc, 93Zr, 90Sr, 129I, 137Cs...
239Pu, 237Np, 241Am...
•
235U
•
235U-Gehalt
im Gegensatz zu 238U durch
thermische Neutronen spaltbar
im Natururan zu gering
→ Anreicherung
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Exkurs Kernspaltung
• Gehalt an 235U im Natururan: 0,7%
• verschiedene Trennverfahren, nutzen Massenunterschied
• Brennstab vor Reaktoreinsatz:
→ 96,7% 238U
→ 3,3% 235U
• Brennstab nach Reaktoreinsatz:
→ 94,5% 238U
→ 0,9% Pu
→ 0,1% Np, Am, Cm
→ 3,3% Spaltprodukte
→ 0,4% 236U
→ 0,9% 235U
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Einführung
• 30% des deutschen Strombedarfs durch KKWs (170 TWh/a)
• jährliche Produktion an Atommüll:
→ 4500 kg Plutonium (HWZ: 24100 a)
→ 253 kg Neptunium (HWZ: 2.14·106 a)
→ 103 kg Americum (HWZ: 7370 a)
→ 19 t Spaltprodukte (99Tc (2,1·105 a), 129J (1,57·107 a) ...)
• Bis 2030 akkumulierte Massen:
→ 200 t Plutonium
→ je 10 t Neptunium und Americum
• weltweit Mengen um Faktor 20 größer
→ + Atommüll aus ausgemusterten Atomwaffen (einige 10000)
• Frage: wohin damit?
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Einführung
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Endlagerung
• Abfall muss 100000 Jahre aus Biosphäre entfernt
werden
• nur wenige Orte geologisch stabil genug
• Lagerung z.B. in unerschlossenen Salzstöcken
• Risiko gering, jedoch nicht null
• Verringerung der Mengen durch Wiederaufbereitung
möglich
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Wiederaufbereitung
• Wiederaufbereitung: Trennung von Uran und
Plutonium von den Spaltprodukten
• Uran und Plutonium können wieder als Brennstoff
eingesetzt werden
• Geringerer Bedarf an Natururan, Ressourcen reichen
nur noch einige Jahrzehnte
• Spaltprodukte bleiben jedoch zurück
• Bessere Idee: Transmutation
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Was ist Transmutation?
• lat.: Umwandlung
• Mittelalter: Herstellung von Gold aus unedlen Metallen
• heute: Verwandlung von langlebigen radioaktiven
Stoffen in solche mit kürzerer Halbwertszeit
• derzeit technisch und wirtschaftlich noch nicht möglich,
Physik jedoch im wesentlichen verstanden
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Vorgehensweise
• Beschuss von Isotopen mit Neutronen
• Ziel der Transmutation: Einfang eines Neutrons
→ Energieerhöhung im Kern, Kern wird instabiler
→ schnellerer Zerfall in stabile Elemente
• Transmutationsgleichungen für 99Tc und 129Jod:
→
→
(2,1·105 a) + n → 100Tc (15,8 s) → 100Ru (stabil)
129J (1,57·107 a) + n → 130J (12,36 h) → 130Xe (stabil)
99Tc
• Lagerzeit der Reststoffe nur noch ca. 500 Jahre
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Vorgehensweise
• 2 Prozesse:
→ Kernspaltung bei Transuranen (239Pu, 237Np, 241Am...)
→ Neutroneneinfang bei Spaltprodukten (99Tc, 129I, 137Cs...)
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Energy Amplifier
• Carlo Rubbia: Energy Amplifier (EA)
• unterkritischer Kernreaktor
• bauartbedingt sicher, Risiko eines GAU vernachlässigbar
• schon vor über 50 Jahren vorgeschlagen, aber als
unrealistisch abgetan
• erst heute technisch möglich
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Energy Amplifier
• Beschleunigergetriebener Kernreaktor (ADS)
• Protonenbeschleuniger schießt Protonen auf Bleitarget
• Bleikerne zerplatzen und geben Neutronen ab
• Neutronen treffen auf Kern lösen dort
Kernumwandlungsprozesse aus
• EA erzeugt Energie
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Aufbau
• 3 Hauptkomponenten:
→ Protonenbeschleuniger
1GeV-Protonen
→ Spallationstarget
(flüssiges Blei)
→ unterkritisches Blanket
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Das Target
• Kopplung vom Beschleuniger-System mit Kern
• Targetmaterial: flüssiges Blei
→ hohe Dichte: dient gleichzeitig als Kühlmittel
→ doppelt-abgeschlossene Schale: geringe Neutronenabsorption
• Vier Punkte müssen sichergestellt sein:
→ Protonenstrahl muss sich im Vakuum bewegen
→ Protonenstrahl muss das Ziel im Zentrum des Kerns treffen
→ erzeugte Energie muss aus der Spaltungszone entfernt werden
→ radioaktive Elemente dürfen nicht entweichen
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"Hot Window"-Konfiguration
• Wolfram-Rhenium-Fenster
• Dicke: 1.5 - 3 mm, maximaler
Energieverlust des Strahls ≈ 3%
• Problem: hohe Korrosivität von
geschmolzenem Blei
• trotz intensiver Forschung noch
nicht zufriedenstellend gelöst
• weiteres Problem: Wärmeabfuhr
durch Konvektion zu gering
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Wärmeabfuhr
• abzuführender Wärmestrom am Fenster ≈ 650 W/cm²
• nötige Höhe für Konvektion ≈ 30 m
• "Air-Lift-Prinzip"
• Verstärkung der Konvektion
durch Einperlen von Schutzgas
• Höhe jetzt ≈ 10 m
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Der Kern
• Kern aus Thorium oder zu vernichtenden Isotopen
• Brennstoffe umgeben Spallationstarget
• Einfangquerschnitt bestimmt Position im Kern
• flüssiges Blei sorgt für Wärmeabtransport
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Gesamtkonzept
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Effektivität
• Wie effektiv wird der Atommüll vernichtet?
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Energy Amplifier als Brüter
• alternatives Reaktorkonzept
•
232Th
als Brennstoff
→ nicht radioaktiv!
→ 5 mal häufiger als Uran, Uran reicht nur noch für einige Jahrzehnte
→ hohe Reinheit, daher keine aufwendigen Anreicherungen
• Th nicht spaltbar, wird durch Neutroneneinfang zu 233U
→ 232Th + n → 233Th (22,3 min) → 233Pa (27 d) → 233U (1,6 ·105 a)
• kaum Entstehung von Transuranen
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Adiabatic Resonance Crossing
• Beispiel 99Tc: Umwandlung in stabiles 100Ru nach
Neutroneneinfang
• im normalen Reaktor extrem geringer Einfangquerschnitt
• Lösungen:
→ 99Tc länger im Reaktor lassen
→ höherer Neutronenfluss
• Adiabatic Resonance Crossing:
• bei leicht höheren Energien Reihe von Resonanzen im
Einfangquerschnitt
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Adiabatic Resonance Crossing
• Blei absorbiert keine Neutronen → elastische Stöße
• Neutronen verlieren sehr langsam kinetische Energie
• Energieverluste kleiner als Breite der Resonanzen
→ Neutronen treffen Resonanzen auf jeden Fall
• höchste Effizienz bei der Zerstörung
• am CERN getestet (TARC)
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Fazit
• Vorteile des EA:
→ Vernichtung von Atommüll / Lagerzeitverringerung auf 500 Jahre
→ Thorium als Brennstoff
→ keine Produktion von Transuranen
→ keine CO2-Emission
• Nachteile des EA:
→ bisher nur Theorie, noch kein Prototyp vorhanden
→ weiterhin Endlager nötig, jedoch für kürzere Zeit
→ Akzeptanzproblem in der Bevölkerung
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Zusammenfassung
• Lagerzeiten für normalen Atommüll ca. 100000 Jahre
• Nach Transmutation nur noch ca. 500 Jahre
• Transmutation: Einfang von Neutronen
• Transmutation physikalisch möglich, technisch
jedoch große Herausforderung
• technische Realisierung der Transmutation mit EA
→ kaum Risiko eines GAU
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Quellen
• Robert Klapisch - Accelerator driven systems: an application of
proton accelerators to nuclear power industry Europhysics News
(2000) Vol.31 No.6
• Nuclear Wastes, Technologies for Separations and
Transmutation National Academy Press, 1996
• J.U. Knebel, G. Heusener – Untersuchungen zur Transmutation
und zu Beschleuniger getriebenen Systemen (ADS) im
Forschungszentrum Karlsruhe
• Andreas Kronenberg – Was bedeutet Transmutation?
www.energie-fakten.de/PDF/entsorgung-transmutation.pdf
• Lake Barrett - A Roadmap for Developing Accelerator
Transmutation of Waste (ATW) Technology: A Report to
Congress
• W. Koelzer – Lexikon zur Kernenergie
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