Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

1 Transmutation Alexander Winnemöller, 28.07.2004.

Ähnliche Präsentationen


Präsentation zum Thema: "1 Transmutation Alexander Winnemöller, 28.07.2004."—  Präsentation transkript:

1 1 Transmutation Alexander Winnemöller,

2 2 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 Thermische Kernreaktion bei ca K ( 10 keV) Proton/Deuteron durchtunnelt Wall Fusion

3 3 Exkurs Kernspaltung Spaltung ab A 100 energetisch eigentlich vorteilhaft

4 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 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 6 Exkurs Kernspaltung wegen asymmetrischer Spaltung zwei bevorzugte Bereiche Im Reaktor bei Spaltung von 235 U entstehende Isotope z.B. 99 Tc, 93 Zr, 90 Sr, 129 I, 137 Cs Pu, 237 Np, 241 Am U im Gegensatz zu 238 U durch thermische Neutronen spaltbar 235 U-Gehalt im Natururan zu gering Anreicherung

7 7 Exkurs Kernspaltung Gehalt an 235 U im Natururan: 0,7% verschiedene Trennverfahren, nutzen Massenunterschied Brennstab vor Reaktoreinsatz: 96,7% 238 U 3,3% 235 U Brennstab nach Reaktoreinsatz: 94,5% 238 U 0,9% Pu 0,1% Np, Am, Cm 3,3% Spaltprodukte 0,4% 236 U 0,9% 235 U

8 8 Einführung 30% des deutschen Strombedarfs durch KKWs (170 TWh/a) jährliche Produktion an Atommüll: 4500 kg Plutonium (HWZ: a) 253 kg Neptunium (HWZ: 2.14·10 6 a) 103 kg Americum (HWZ: 7370 a) 19 t Spaltprodukte ( 99 Tc (2,1·10 5 a), 129 J (1,57·10 7 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 9 Einführung

10 10 Endlagerung Abfall muss 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 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 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 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 99 Tc und 129 Jod: 99 Tc (2,1·10 5 a) + n 100 Tc (15,8 s) 100 Ru (stabil) 129 J (1,57·10 7 a) + n 130 J (12,36 h) 130 Xe (stabil) Lagerzeit der Reststoffe nur noch ca. 500 Jahre

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

15 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 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 17 Aufbau 3 Hauptkomponenten: Protonenbeschleuniger 1GeV-Protonen Spallationstarget (flüssiges Blei) unterkritisches Blanket

18 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 19 "Hot Window"-Konfiguration Wolfram-Rhenium-Fenster Dicke: 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 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 21 Der Kern Kern aus Thorium oder zu vernichtenden Isotopen Brennstoffe umgeben Spallationstarget Einfangquerschnitt bestimmt Position im Kern flüssiges Blei sorgt für Wärmeabtransport

22 22

23 23 Gesamtkonzept

24 24 Effektivität Wie effektiv wird der Atommüll vernichtet?

25 25 Energy Amplifier als Brüter alternatives Reaktorkonzept 232 Th 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 233 U 232 Th + n 233 Th (22,3 min) 233 Pa (27 d) 233 U (1,6 ·10 5 a) kaum Entstehung von Transuranen

26 26 Adiabatic Resonance Crossing Beispiel 99 Tc: Umwandlung in stabiles 100 Ru nach Neutroneneinfang im normalen Reaktor extrem geringer Einfangquerschnitt Lösungen: 99 Tc länger im Reaktor lassen höherer Neutronenfluss Adiabatic Resonance Crossing: bei leicht höheren Energien Reihe von Resonanzen im Einfangquerschnitt

27 27 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)

28 28 Fazit Vorteile des EA: Vernichtung von Atommüll / Lagerzeitverringerung auf 500 Jahre Thorium als Brennstoff keine Produktion von Transuranen keine CO 2 -Emission Nachteile des EA: bisher nur Theorie, noch kein Prototyp vorhanden weiterhin Endlager nötig, jedoch für kürzere Zeit Akzeptanzproblem in der Bevölkerung

29 29 Zusammenfassung Lagerzeiten für normalen Atommüll ca 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

30 30 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? Lake Barrett - A Roadmap for Developing Accelerator Transmutation of Waste (ATW) Technology: A Report to Congress W. Koelzer – Lexikon zur Kernenergie


Herunterladen ppt "1 Transmutation Alexander Winnemöller, 28.07.2004."

Ähnliche Präsentationen


Google-Anzeigen