Transmutation Alexander Winnemöller, 28.07.2004

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

Exkurs Kernspaltung Spaltung ab A ≈ 100 energetisch eigentlich vorteilhaft -Ab A ≈ 60 hat Kern weniger Bindungsenergie als 2 Kerne der halben Massenzahl (z.B. Silber, Gold, Quecksilber, Blei) -Riesige Energiebarriere, da Kern zunächst aus Kugelform in verlängerte Form übergeht, wobei Oberfläche und damit Oberflächenenergie stark zunimmt

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

Exkurs Kernspaltung Neutronenüberschuss nach (asymmetrischer) Spaltung Abbau durch β--Zerfall und Neutronenemission Reaktor: Emittierte Neutronen spalten weitere Kerne → Kettenreaktion Neutronen zu schnell, Moderator nötig -Überschuss: 7-8 Neutronen pro Fragment -Emission: 2,3 Neutronen bei U235

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

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

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?

Einführung

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

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

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

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 Tc und J am gefährlichsten wegen Löslichkeit und Mobilität in der Atmosphäre

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

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

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

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

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

"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

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

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

Gesamtkonzept

Effektivität Wie effektiv wird der Atommüll vernichtet?

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 Th: Thorium Brüten von Th benötigt wegen Wirkungsquerschnitt um Faktor 10 schnellere Neutronen als Spaltung von U Pa: Protaktinium

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 Wichtigste Resonanz bei 5,6eV, EQ 3 Größenordnungen höher als für thermische Neutronen

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) Energieverlust der Neutronen ca. 1% pro Stoß

Fazit Vorteile des EA: Nachteile 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

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

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