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Transmutation

Alexander Winnemöller, 28.07.2004. Transmutation. Exkurs Kernfusion. Energie durch Verschmelzung leichter Kerne (bis A ≈ 20) Beste Ausbeute bei Entstehung von 4 He → z.B. 2 H + 3 H → 4 He + n + 17,6 MeV Überwindung des Coulomb-Walls (einige MeV) nötig

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Presentation Transcript

  1. Alexander Winnemöller, 28.07.2004 Transmutation

  2. 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

  3. Exkurs Kernspaltung • Spaltung ab A ≈ 100 energetisch eigentlich vorteilhaft

  4. 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

  5. Exkurs Kernspaltung • Neutronenüberschuss nach (asymmetrischer) Spaltung • Abbau durch β--Zerfall und Neutronenemission • Reaktor: Emittierte Neutronen spalten weitere Kerne → Kettenreaktion • Neutronen zu schnell, Moderator nötig

  6. 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 im Gegensatz zu 238U durch thermische Neutronen spaltbar • 235U-Gehalt im Natururan zu gering → Anreicherung

  7. 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

  8. 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?

  9. Einführung

  10. 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

  11. 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

  12. 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

  13. 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: →99Tc (2,1·105 a) + n →100Tc (15,8 s) →100Ru (stabil) →129J (1,57·107 a) + n →130J (12,36 h) →130Xe (stabil) • Lagerzeit der Reststoffe nur noch ca. 500 Jahre

  14. Vorgehensweise • 2 Prozesse: → Kernspaltung bei Transuranen (239Pu, 237Np, 241Am...) → Neutroneneinfang bei Spaltprodukten (99Tc, 129I, 137Cs...)

  15. 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

  16. 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

  17. Aufbau • 3 Hauptkomponenten: → Protonenbeschleuniger 1GeV-Protonen → Spallationstarget (flüssiges Blei) → unterkritisches Blanket

  18. 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

  19. "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

  20. 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

  21. Der Kern • Kern aus Thorium oder zu vernichtenden Isotopen • Brennstoffe umgeben Spallationstarget • Einfangquerschnitt bestimmt Position im Kern • flüssiges Blei sorgt für Wärmeabtransport

  22. Gesamtkonzept

  23. Effektivität • Wie effektiv wird der Atommüll vernichtet?

  24. 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

  25. 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

  26. 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)

  27. 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

  28. 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

  29. 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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