Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Transmutation radioaktiven Abfalls - Grundlagen, Methoden, Perspektiven A. R. Junghans.

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1 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Transmutation radioaktiven Abfalls - Grundlagen, Methoden, Perspektiven A. R. Junghans Forschungszentrum Dresden-Rossendorf Hochradioaktiver Abfall Schnelle Neutronen zur Transmutation Messung transmutationsrelevanter Kernreaktionen am FZD

2 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Restlaufzeiten der deutschen Kernkraftwerke Produktivste Kernkraftwerke weltweit

3 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Abgebrannter Kernbrennstoff aus Kernkraftwerken weltweit Quelle: IAEA-TECDOC-1613, April 2009 basierend auf dem Median der IAEA-RDS-1 Kernenergie-Zukunftsabschätzung

4 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Abgebrannter Kernbrennstoff aus Kernkraftwerken weltweit Quelle: IAEA-TECDOC-1613, April 2009 basierend auf dem Median der IAEA-RDS-1 Kernenergie-Zukunftsabschätzung Weltweite Stromproduktion durch Kernkraft (2007): 2608.2 TWh e (14.2% der Gesamtstromerzeugung) Die Kernkraft verhindert 1.41- 2.16 Milliarden Tonnen CO 2 Emissionen pro Jahr. Anteil Deutschland: 90 – 138 Millionen Tonnen CO 2 Emiss.

5 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Anfall und Entsorgung von abgebranntem Kernbrennstoff Anfall in Europa: Kernreaktoren: 145 Leistung: 125 GWe Abgebr. Brennstoff2500 t/a Entsorgung: Wiederaufarbeitung: Abtrennung (Partitionierung) von Uran und Plutonium Herstellung von verglastem hochradioaktivem Abfall (Spaltprodukte, minore Aktiniden, ohne Pu, U) Endlagerung: Direkte Endlagerung der abgebrannten Brennelemente Endlagerung des verglasten hochradioaktiven Abfalls. Endlager sind weltweit bislang noch nicht in Betrieb -- nur in Vorbereitung. http://www.world-nuclear.org/info/inf04.html

6 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 β-β- β-β- +n Z N 245 Cm 241 Am 242 Am 242 Pu 243 Am 238 U 239 U 239 Np 239 Pu 240 Pu 241 Pu Bildung von minoren Aktiniden im U-Pu Zyklus (thermische Neutronen) (2 d) 246 Cm 247 Cm 248 Cm 249 Cm 249 Bk 249 Cf 250 Cf 251 Cf 252 Cf 242 Cm 243 Cm 244 Cm 244 Am 243 Pu 250 Bk +n A X α – Emitter, viele mit langen Halbwertszeiten T ½ ~10 4 a Salvatores, NEA report No. 6090, 2006

7 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Abgebrannter Kernbrennstoff (SNF) 33 GWd/t 10 a Abklingen Häufigster Bestandteil: 238 U Spaltprodukte und Minore Aktiniden ≈ 1 kg / t

8 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Hochradioaktiver Abfall aus deutschen Kernkraftwerken 01.07.2005 Verbot der Aufarbeitung bestrahlter Kernbrennstoffe (Atomgesetz) 01.01.2022 Voraussichtliches Ende der Kernenergieproduktion in Deutschland Quelle: M. Salvatores, et al., NFCSim Scenario Studies of German and European Reactor Fleets, 2004 SF = Verbrauchter Kernbrennstoff (spent nuclear fuel) HLW = Hochradioaktiver Abfall (Spaltprodukte,…) (high level waste)

9 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Radiotoxizität abgebrannten Kernbrennstoffs http://www.kernenergie.de/r2/documentpool/de/ Gut_zu_wissen/Materialen/Downloads/ 018basiswissen2007.pdf Salvatores, NEA report No. 6090, 2006 Bezugspunkt: Radiotoxizität des natürlichen Urans, das zur Herstellung von 1 t angereicherten U-Kernbrennstoffs benötigt wird ( 4.2% 235 U) (7.83 t nat. U) Im Gleichgewicht mit seinen Zerfallsprodukten 1.47 * 10 5 Sv 10 7 10 6 10 5 10 4 10 3 10 2 Radiotoxizität (Sv / t natüliches Uran) Jahre nach Reaktorentladung 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6

10 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Radiotoxizität abgebrannten Kernbrennstoffs http://www.kernenergie.de/r2/documentpool/de/ Gut_zu_wissen/Materialen/Downloads/ 018basiswissen2007.pdf Salvatores, NEA report No. 6090, 2006 Bezugspunkt: Radiotoxizität des natürlichen Urans, das zur Herstellung von 1 t angereicherten U-Kernbrennstoffs benötigt wird ( 4.2% 235 U) (7.83 t nat. U) Im GG mit seinen Zerfallsprodukten 1.47 * 10 5 Sv 10 7 10 6 10 5 10 4 10 3 10 2 Radiotoxizität (Sv / t natüliches Uran) Jahre nach Reaktorentladung 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 Die langlebige Radiotoxizität wird durch Plutonium und die minoren Aktiniden dominiert. Die kurzlebige Radiotoxizität durch die Spaltprodukte. Es gibt so gut wie keine Spaltprodukte mit Halbwertszeiten 30 a < t 1/2 < 10 5 a (ausser den unbedeutenden Nukliden 79 Se, 151 Sm, 166m Ho)

11 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Endlagerung und Transmutation Fragestellung: Sichere Endlagerung der hochradioaktiven Abfälle für mehr als 100 000 Jahre Ziel:  Minimierung der langlebigen radioaktiven Abfälle (Plutonium und minore Aktiniden, langlebige Spaltfragmente) z.B. Verwendung von Mischoxid (MOX) Pu+U Brennelemente in Kernreaktoren  Transmutation in kurzlebigere Nuklide Plutonium und minore Aktiniden als Brennstoff in schnellen Reaktoren (Kernreaktoren der IV. Generation) und in beschleunigergestützten unterkritischen Systemen (ADS)

12 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Warum schnelle Neutronen? Spaltbarkeit schwerer Kerne Oberhalb der Spaltbarriere kann Kernspaltung stattfinden. Neutronenbindungsenergie bei Kernen mit gerader Neutronenanzahl N höher als bei ungeradem N  Gerade-Ungerade Effekt 235 U + n (N = 143+1) Spaltbarriere niedriger als Neutronenbindungsenergie  Spaltung durch langsame Neutronen 238 U + n (N = 146+1) Spaltbarriere höher als Neutronenbindungsenergie Spaltung nur durch schnelle Neutronen  Ausreichend schnelle Neutronen können alle schweren Kerne spalten.

13 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Neutroneneinfang – Neutroneninduzierte Spaltung 241 Am(n,f) 241 Am(n,  ) thermisches Spektrum schnelles Spektrum 241 Am(n,  ) JEFF-3.1 Evaluation; Exp.(EXFOR): M. Jandel (2008), G.. Vanpraet (1985), N. Shinohara (1997),… 241 Am(n,f) JEFF-3.1 Evaluation, Exp.(EXFOR): B. Jurado (2007), J.W.T. Dabbs (1983), H.H. Knitter (1979), P.E. Vorotnikov (1986), …. Im thermischen Spektrum ist der Neutroneneinfang gegenüber der Spaltung bevorzugt. Im schnellen Spektrum ist die Spaltung gegenüber dem Neutronen- einfang bevorzugt.

14 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Daten aus Salvatores, NEA report No. 6090, 2006 Im schnellen Neutronenspektrum Spaltung aller Minoren Aktiniden Mit positiver Neutronenbilanz Neutronenbilanz pro Spaltung in Kernreaktoren

15 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Kernreaktoren der IV. Generation (Vortrag Neue Reaktorkonzepte: Wolfgang Dams, AKE 5.1, Di 10:00)

16 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Natrium-gekühlter schneller Reaktor Verschiedene Brennstoffzyklen: U/Pu-Oxid-Brennstoff Zur Transmutation (GenIV): Brennstoffzyklus mit Pu-M.A.-Zr in Metallischer Matrix Homogenes Recycling von Pu und M.A. Pyrometallurgische Wiederaufarbeitung (on site) Frankreich: Festlegung der „preliminary design parameter“ ( bis 2012) Industrieller Prototyp in Betrieb bis 31.12. 2020 Zeitplan gemäss: THE 2006 PROGRAMME ACT ON THE SUSTAINABLE MANAGEMENT OF RADIOACTIVE MATERIALS AND WASTES

17 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Beschleunigergestützte unterkritische Systeme (ADS) Accelerator driven intense thermal neutron source, C.D. Bowman 1992, Energy Amplifier, C. Rubbia, 1995 Unterkritischer Reaktorkern k ≈ 0.97 Thermische Leistung: 400 MWt Höchstleistungs- Protonenbeschleuniger 800 MeV ca. 10 mA Strahlstrom 8 MW- Strahlleistung Kühlung durch Pb, Pb/Bi oder Na Kritikalität durch Spallationsneutronen ca. 15-30 n / Proton steuerbar Herausforderungen: Zuverlässigkeit des Beschleunigers (Linac, Cyclotron) Entwicklung des Spallationstargets (Fenster ?) EUROTRANS Projekt KIT (J. Knebel)  XT-ADS Myrrha Projekt, SCK.CEN, Mol Belgien Abb. Hiroyuki OIGAWA Euratom PARTRA Cluster Meeting Karlsruhe Feb. 2008 Steam generator Primary pump Reactor vessel Beam duct Subcritical core Beam window Core support Fuel exchanger Bending magnet Movable support Proton beam Spallation target

18 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Beschleunigergestützte unterkritische Systeme (ADS) Accelerator driven intense thermal neutron source, C.D. Bowman 1992, Energy Amplifier, C. Rubbia, 1995 Unterkritischer Reaktorkern k ≈ 0.97 Thermische Leistung: 400 MWt Höchstleistungs- Protonenbeschleuniger 800 MeV ca. 10 mA Strahlstrom 8 MW- Strahlleistung Kühlung durch Pb, Pb/Bi oder Na Kritikalität durch Spallationsneutronen ca. 15-30 n / Proton steuerbar Herausforderungen: Zuverlässigkeit des Beschleunigers (Linac, Cyclotron) Entwicklung des Spallationstargets (Fenster ?) EUROTRANS Projekt KIT (J. Knebel)  XT-ADS Myrrha Projekt, SCK.CEN, Mol Belgien Abb. Hiroyuki OIGAWA Euratom PARTRA Cluster Meeting Karlsruhe Feb. 2008 Steam generator Primary pump Reactor vessel Beam duct Subcritical core Beam window Core support Fuel exchanger Bending magnet Movable support Proton beam Spallation target Beschleunigerentwicklung: H. Podlech, HK8.2, Mo 17:05

19 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Nachhaltige Kernenergienutzung: Partitionierung & Transmutation Quelle: M. Salvatores, Physics and Safety of Transmutation Systems, NEA nuclear science report 6090, 2006  Endlagerung von Spaltprodukten (F.P.)  Keine Endlagerung von Pu + Minoren Aktiniden (M.A.)  homogenes Recycling von Pu + M.A. (Proliferationresistenz) Kernkraftwerke II Gen. (PWR) Schnelle Reaktoren IV. Generation Endlager Pu + M.A. Brennstoffzyklus Pu + M.A. F.P., Verluste Wiederaufarbeitung (Abtrennung Pu + M.A.) Brennelementproduktion

20 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 ADS Studie zur Transmutation in Deutschland Bild: M. Salvatores et al., NEA report 6194, 2009 Beginn: 2030 Phase I: 40 Jahre 8 ADS Transmuter (840 MW th ) Phase II: 40 Jahre 3 ADS Transmuter Transmutation von 100 t Pu und Minoren Aktiniden In 100 Jahren 1970 1990 2010 2030 2050 2070 2090 2110 2130 Jahr Inventar langlebiger Aktiniden (t)

21 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Transmutation von verbrauchtem Kernbrennstoff natürliches Uran Direkte Endlagerung Salvatores, NEA report No. 6090, 2006 + Schnelle Reaktoren Pu+M.A. Recycling o Double Strata * LWR Pu+M.A. recyc. (Partionierung !)  Reduktion der Radiotoxizität um Faktor ≈100. Endlagerung nur für ca. 1000 Jahre nötig

22 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 4 von 6 Konzepten verwenden schnelle Neutronen  Zur Entwicklung von Transmutationsanlagen werden neutroninduzierte Kerndaten benötigt  Neutroneninduzierte Spaltung  Inelastische Neutronenstreuquerschnitte Kernreaktoren der IV. Generation

23 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Bedarf transmutationsrelevanter Kernreaktionsdaten Zur Entwicklung von Generation IV Reaktorsystemen und beschleunigerunterstützen unterkritischen Systemen. Kernreaktionsdaten mit schnellen Neutronen (MeV Bereich) : 1.neutroninduzierte Spaltung 2.Neutroneneinfang 3.Inelastische Streuung http://www.nea.fr/html/science/wpec/volume26/volume26.pdfhttp://www.nea.fr/html/science/wpec/volume26/volume26.pdf und NEA high priority request list

24 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 nELBE – Photoneutronenquelle an ELBE Elektronen Linearbeschleuniger für Strahlen hoher Brillanz und niedriger Emittanz nELBE ELBE Elektronenstrahl Energie: 40 MeV, 1 mA nELBE ist die einzige Photoneutronenquelle an einem supraleitenden cw-Linearbeschleuniger Gammastärkefunktion in schweren Kernen: (n,  )  ( ,n) Photonenstreuung bis zur Teilchenschwelle: E. Grosse HK 46.2, Do 14:30 R. Massarzyk, R. Schwengner HK 56.7, 56.8 Do 18:30 Neutronenaktivierung: A. Domula, HK 55.4, Do 17:45

25 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 nELBE – Photoneutronenquelle an ELBE Leistungsdichte im Neutronenradiator bis zu 25 kW/cm 3  Flüssigbleikreislauf zum Wärmetransport Forschungsprogramm an nELBE: 1.Experimente zur Inelastische Neutronenstreuung (n,n‘  ) und totaleNeutronenquerschnitte  tot 2.Untersuchung von minoren Aktiniden (radioaktive Targets) 235 U, 238 U, 239 Pu, 242 Pu J. Klug et al., NIM A 577 (2007) 641 E. Altstadt, et al.,Ann. Nucl. Energy 34 (2007) 36 R. Beyer et al.,NIM A 575 (2007) 449

26 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 nELBE an ELBE : eine besondere Kombination Supraleitender Elektronenbeschleuniger cw Betrieb mit variabler Mikropulswiederholrate –Mikropulsladung 80 pC (thermionischer Injector) –Mikropulslänge  t < 10 ps  genaue Definition der Neutronenflugzeit Für Neutronenflugzeitmessungen ist die Mikropulsrate einstellbar 13 MHz / 2 n, n = 0,…,10 Sehr hohe Wiederholrate, niedriger instantaner Neutronen-Fluß  reduzierter Untergrund durch Bremsstrahlungs-Impuls Seit Januar 2010 : SRF Laser-Injektor (Mikropulsladung 0.4 - 2 nC)  500 kHz / 1 mA  mittlere Strahlleistung bis zu 40 kW für Flugzeitmessungen ! Flugstrecke 4.0 - 8.0 m Neutronenfluß am Experimentort 1.5·10 7 cm -2 s -1 Neutronenenergiebereich 100 keV < E n < 10 MeV (Energiebereich von Neutronen wie in einem schnellen Reaktor) Energieauflösung  E/E < 1 % bei 6.0 m Flugstrecke

27 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 nELBE Neutronenspektrum Messung mit 235 U Spaltkammer  t(FWHM) = 4 ns n t = 5 mg/cm 2 28.10.2009: Neutronenquellstärke: 1.4*10 11 n/s Neutronen auf Target: 4.5*10 4 n/(cm 2 s) = 19  A Max. thermion. Injektor bei 200 kHz Rate Spaltkammer als Primärstrahlmonitor (Leihgabe PTB) Spektrum ähnlich dem schnellen Neutronenspektrum aus 235 U(n,f) (ENDF-VII) Oktober 2009 November 2007

28 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 56 Fe(n,n‘  ) Doppelte Flugzeitmessung Doppelte Flugzeitmessung:  E n & E n‘ bestimmt Messung der Winkelverteilung der gestreuten Neutronen Vortrag: R. Beyer HK 24.3, Di 17:15 L=1 m L=6 m Inelastische Streuung zu hochangeregten Kernniveaus „Moderation“ des Neutronenspektrums

29 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Transmutationsrelevante kernphysikalische Untersuchungen mit Einsatz moderner technologischer und numerischer Methoden Verbundprojekt zum Kompetenzerhalt in der nuklearen Sicherheits- und Strahlenforschung: Produktion und Nutzung schneller Neutronen zur Untersuchung inelastischer Neutronenstreuung und Spaltung minorer Aktinide MeV Gamma-Spektroskopie und Entwicklung hochauflösender Detektoren (Compton-Kamera) Herstellung und Nutzung dünner Aktiniden Targets Veranstaltung von Graduierten-Seminaren: PTB Braunschweig September 2010 – “Experimentelle Systeme und Methoden der Transmutationsforschung” Transmutationsrelevante kernphysikalische Untersuchungen langlebiger Aktinide

30 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Ergebnisse und Ausblick Schnelle Neutronen sind der entscheidende Faktor für die Transmutation langlebiger minorer Aktinide in kurzlebigere Spaltprodukte. Die Endlagerproblematik wird durch Partitionierung und Transmutation auf historische Zeiträume reduziert (< 1000 Jahre). Zur Entwicklung von Transmutationsanlagen (schnelle Reaktoren, ADS) werden genaue Daten für Reaktionen mit schnellen Neutronen benötigt. z.B. (n,n‘  ) (n,tot) und (n,f) mit radioaktiven Targets.

31 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Mitarbeiter am Projekt Nukleare Transmutation Roland Beyer, Evert Birgersson, Anna Ferrari, Daniel Gehre*, Roland Hannaske, Mathias Kempe, Toni Kögler, Michele Marta, Ralf Massarczyk, Andrija Matic, Georg Schramm Arnd Junghans, Daniel Bemmerer, Eckart Grosse*, Klaus-Dieter Schilling, Ronald Schwengner, Andreas Wagner Entwicklung der nELBE Photoneutronenquelle gemeinsam mit Institut für Sicherheitsforschung, Frank-Peter Weiss und DFG Projekt mit dem IKTP Hartwig Freiesleben, Klaus Seidel * ( auch IKTP Dresden)

32 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Ende

33 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Deutsche Klimaschutzziele und Emissionen GHG-Kyoto = CO 2, CH 4, N 2 0, HFC, PFC, SF 6 Nationale Klimaschutzziele 2005 (*) sind für 2008-2012 erreichbar. Abschaltung der deutschen Kernkraftwerke bis 2020 ist kontraproduktiv ! Emissionsanstieg um ca. 80-140 Mt CO 2 eq./Jahr, wenn die Stromproduktion nicht aus CO 2 freien Quellen ersetzt werden kann kalte Winter Finanzkrise Graphik mit unterdrücktem Nullpunkt

34 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 http://www.acatech.de/

35 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Forschungspotentiale Quelle: acatech Konzept für ein integriertes Energieforschungsprogramm für Deutschland

36 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Sustainable Nuclear Energy Technology Platform More and better quality data Availability of accurate nuclear data (cross sections, decay constants, branching ratios, etc.) is the basis for precise reactor calculations both for current (applications to higher burn-up, plant life extension) and new generation reactors. Additional experimental measurements and their detailed analysis and interpretation are required in a broad range of neutron energies and materials. This is particularly true for fuels containing minor actinides for their transmutation in fast spectra

37 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Bekanntmachung gemäß § 7 Abs.1c Satz 4 AtG, Bundesamt für Strahlenschutz

38 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 nELBE Photoneutronentarget Elektronenstrahlleistung bis zu 40 kW Leistungsdichte im Neutronenradiator bis zu 25 kW/cm 3 Flüssigbleikreislauf zum Wärmetransport

39 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 n-ToF-device CERN n-ToF JPARC MLF ORNL SNS LANL LANSCE IREN + 239 Pu* ORNL ORELA IRMM GELINA FZD n-ELBE ELBE + photo-gun beam power / kW 101001000 + 1000801087540 rep. rate / s -1 0.4256020150500800 8  10 5 5  10 5 flight path L / m 18320 +  25 8420 60500 402055 n-pulse length / ns > 7100500125400> 4> 1< 1 E min / eV 0.1  0.1 0.1110 5  10 4 4  10 4 E max / eV 3  10 8  10 6  10 8  10 6 5  10 6 4  10 6 7  10 6 ∆E/E @ 1MeV 0.5%5%< 2 %> 10 %  17 % 9%1%< 4 %< 2 % n-flux Φ L at 1MeV (s  cm 2  MeV) -1 exp. site 2  10 4 2  10 6 10 6 5  10 7 10 7  3  10 5 10 5 10 3 10 4 4  10 4 10 5 4  10 6 Q = Φ L / ∆E/E 4  10 6 4  10 7 5  10 8 2  10 10 < 10 8 4  10 7 10 6 10 5 2  10 5 2  10 6 5  10 6 2  10 8 p, linac + ring e, linac * delayed neutrons from fission ! Facilities for materials research, nuclear research also possible ToF – facilities producing fast neutrons + Projekt

40 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Internationaler Vergleich CERN n_TOF Phase 2 Senkrechte 20 m Flugstrecke Faktor 100 höherer Neutronenfluss geringerer „Photon flash“ Untergrund J-PARC, Tokai Mura Material and Life Science Facility BL-04 für Transmutationforschung Neutroneneinfang bis 100 keV Curium, Langlebige Spaltprodukte Transmutation Physics Experimental Facility (TEF-P) Kritisches Target U,Pu, MA mit 10 W Protonen ADS Target Test Facility (TEF-T) Flüssigmetall-Spallationstarget Pb-Bi, 600 MeV 200 kW Protonen

41 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 e-e- A Pb n A-1 Pb  nELBE – neutron facility at ELBE

42 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Generation of high-brightness beams for CW electron linacs LASER PHOTO CATHODE RF FIELD SC NIOBIUM 3½-CELL CAVITY e-e- Superconducting RF Photo Injector 1. direct production of short pulses: laser & photo cathode 2. high acceleration field at cathode: radio frequency field 3. CW operation for high average current: superconducting cavity ELBE SRF PHOTO INJECTOR Jochen Teichert

43 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 New Injector for the ELBE SC Linac Test Bench for SRF Gun R&D Superconducting RF Photo Injector First accelerated SRF gun beam at ELBE on Febr. 5, 2010 New improved Nb cavities Produced with JLab Jochen Teichert

44 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 „Double Strata“ Konzept zur Transmutation Kernkraftwerke Gen. II (PWR) UOX Transmuter ADS System Endlager Pu + M.A. Brennstoffzyklus M.A. F.P., Verluste F.P., Verluste Wiederaufarbeitung (Abtrennung Pu oder M.A.) Brennelementproduktion Kernkraftwerke Gen. II (PWR) MOX Pu Brennstoffzyklus M.A. M.A.+Pu F.P., Verluste

45 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Transmutation von schweren Atomkernen neutroneninduzierte SpaltungNeutroneneinfang Neutronenbeschuss  Spaltung schwerer Atomkerne  Spaltprodukte meist kurzlebig Neutronenbeschuss  Einfang von Neutronen  Bildung einen langlebigen Endkerns.

46 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Kernreaktorentwicklung Zur Zeit genutzte Kernreaktoren gehören zu Generation II (Finnland: Olkiluoto 3 im Bau gehört zu Generation III EPR)

47 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Inelastische Streuung 56 Fe(n,n‘  ) Vorläufige Ergebnisse, Problem: Absolutnormierung bei E n > 1.8 MeV

48 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Kernspaltung durch Neutronenbeschuss Neutronenbeschuss  angeregter Atomkern Atomkern deformiert sich (Schwingungen) Grundzustand  Sattelpunkt (N. Bohr, 1939) Deformation verbraucht Energie bis bis zum Sattelpunkt: Spaltbarriere Weitere Deformation führt zur Kernspaltung  Spaltfragmente plus Neutronen

49 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 nELBE – Photoneutronenquelle in der TUD Neutronenhalle Targetleiter und Strahlverschluss nELBE neutron beam nELBE Neutronenstrahl ELBE elektron beam ELBE electron beam Realisierung: R. Schlenk, S. Schneider, Zentralabteilung Forschungstechnik

50 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 MCNP: Neutron and photon source spectra  Mode e p n calculation with photonuclear physics turned on  Photonuclear cross sections for Pb and Mo adopted  Electrons started uniformly outside Mo channel from circular disc,  =  beam = 8 mm  Neutron and photon source distributions detected in collimator direction  Distributions used as source spectra in later simulations – n &  started uniformly from a cylindric volume (= intersection between e - beam and Mo/Pb radiator)  J. Klug et al. NIM A 577 (2007) 641

51 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Daten aus Salvatores, NEA report No. 6090, 2006

52 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 56 Fe(n,n’  ) Experiment März 2009 Flugzeitmessung des einfallenden und des gestreuten Neutrons (Kein GammaproduktionsWQ) Neutronenstrahl Plastik-Szintillatoren mit niedriger Nachweisschwelle R. Beyer et al., NIM A 575 (2007) 449 Target nat Fe (18.15 g 56 Fe) BaF 2 array

53 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 nELBE Experimentaufbau 5 Plastik-Szintillatoren zur Flugzeitmessung mit zusätzlicher Bleiabschirmung (d=1 cm) Neutronenstrahl 1 2 3 4 5 StrahlprofilmonitorBaF 2 array Bleiabschirmung

54 Institute of Radiation Physics Arnd Junghans www.fzd.de 15.03.2010 Langlebige Spaltfragmente Langlebige Spaltfragmente mit kleinen Neutroneneinfangquerschnitten. 129 I untersucht mit laserinduzierter Transmutation (Ledingham et al. 2003)  = 97  40 mbarn Transmutation nur möglich durch ( ,n) Reaktionen d.h. hoher Fluss E  > S n Y.H. Kim, NEA report 6090, 2006