1 transmutation alexander winnemöller, 28.07.2004

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  • Folie 1
  • 1 Transmutation Alexander Winnemller, 28.07.2004
  • Folie 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 berwindung des Coulomb-Walls (einige MeV) ntig Thermische Kernreaktion bei ca. 10 8 K ( 10 keV) Proton/Deuteron durchtunnelt Wall Fusion
  • Folie 3
  • 3 Exkurs Kernspaltung Spaltung ab A 100 energetisch eigentlich vorteilhaft
  • Folie 4
  • 4 Exkurs Kernspaltung riesige Energiebarriere zu berwinden Abnahme der Coulomb-Energie kompensiert Zunahme der Oberflchen-Energie erst ca. bei Uran Zufhrung von Energie durch Neutronen Anlagerungsenergie des Neutrons regt Kern zum Schwingen an
  • Folie 5
  • 5 Exkurs Kernspaltung Neutronenberschuss nach (asymmetrischer) Spaltung Abbau durch - -Zerfall und Neutronenemission Reaktor: Emittierte Neutronen spalten weitere Kerne Kettenreaktion Neutronen zu schnell, Moderator ntig
  • Folie 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... 239 Pu, 237 Np, 241 Am... 235 U im Gegensatz zu 238 U durch thermische Neutronen spaltbar 235 U-Gehalt im Natururan zu gering Anreicherung
  • Folie 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
  • Folie 8
  • 8 Einfhrung 30% des deutschen Strombedarfs durch KKWs (170 TWh/a) jhrliche Produktion an Atommll: 4500 kg Plutonium (HWZ: 24100 a) 253 kg Neptunium (HWZ: 2.1410 6 a) 103 kg Americum (HWZ: 7370 a) 19 t Spaltprodukte ( 99 Tc (2,110 5 a), 129 J (1,5710 7 a)...) Bis 2030 akkumulierte Massen: 200 t Plutonium je 10 t Neptunium und Americum weltweit Mengen um Faktor 20 grer + Atommll aus ausgemusterten Atomwaffen (einige 10000) Frage: wohin damit?
  • Folie 9
  • 9 Einfhrung
  • Folie 10
  • 10 Endlagerung Abfall muss 100000 Jahre aus Biosphre entfernt werden nur wenige Orte geologisch stabil genug Lagerung z.B. in unerschlossenen Salzstcken Risiko gering, jedoch nicht null Verringerung der Mengen durch Wiederaufbereitung mglich
  • Folie 11
  • 11 Wiederaufbereitung Wiederaufbereitung: Trennung von Uran und Plutonium von den Spaltprodukten Uran und Plutonium knnen wieder als Brennstoff eingesetzt werden Geringerer Bedarf an Natururan, Ressourcen reichen nur noch einige Jahrzehnte Spaltprodukte bleiben jedoch zurck Bessere Idee: Transmutation
  • Folie 12
  • 12 Was ist Transmutation? lat.: Umwandlung Mittelalter: Herstellung von Gold aus unedlen Metallen heute: Verwandlung von langlebigen radioaktiven Stoffen in solche mit krzerer Halbwertszeit derzeit technisch und wirtschaftlich noch nicht mglich, Physik jedoch im wesentlichen verstanden
  • Folie 13
  • 13 Vorgehensweise Beschuss von Isotopen mit Neutronen Ziel der Transmutation: Einfang eines Neutrons Energieerhhung im Kern, Kern wird instabiler schnellerer Zerfall in stabile Elemente Transmutationsgleichungen fr 99 Tc und 129 Jod: 99 Tc (2,110 5 a) + n 100 Tc (15,8 s) 100 Ru (stabil) 129 J (1,5710 7 a) + n 130 J (12,36 h) 130 Xe (stabil) Lagerzeit der Reststoffe nur noch ca. 500 Jahre
  • Folie 14
  • 14 Vorgehensweise 2 Prozesse: Kernspaltung bei Transuranen ( 239 Pu, 237 Np, 241 Am...) Neutroneneinfang bei Spaltprodukten ( 99 Tc, 129 I, 137 Cs...)
  • Folie 15
  • 15 Energy Amplifier Carlo Rubbia: Energy Amplifier (EA) unterkritischer Kernreaktor bauartbedingt sicher, Risiko eines GAU vernachlssigbar schon vor ber 50 Jahren vorgeschlagen, aber als unrealistisch abgetan erst heute technisch mglich
  • Folie 16
  • 16 Energy Amplifier Beschleunigergetriebener Kernreaktor (ADS) Protonenbeschleuniger schiet Protonen auf Bleitarget Bleikerne zerplatzen und geben Neutronen ab Neutronen treffen auf Kern lsen dort Kernumwandlungsprozesse aus EA erzeugt Energie
  • Folie 17
  • 17 Aufbau 3 Hauptkomponenten: Protonenbeschleuniger 1GeV-Protonen Spallationstarget (flssiges Blei) unterkritisches Blanket
  • Folie 18
  • 18 Das Target Kopplung vom Beschleuniger-System mit Kern Targetmaterial: flssiges Blei hohe Dichte: dient gleichzeitig als Khlmittel doppelt-abgeschlossene Schale: geringe Neutronenabsorption Vier Punkte mssen 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 drfen nicht entweichen
  • Folie 19
  • 19 "Hot Window"-Konfiguration Wolfram-Rhenium-Fenster Dicke: 1.5 - 3 mm, maximaler Energieverlust des Strahls 3% Problem: hohe Korrosivitt von geschmolzenem Blei trotz intensiver Forschung noch nicht zufriedenstellend gelst weiteres Problem: Wrmeabfuhr durch Konvektion zu gering
  • Folie 20
  • 20 Wrmeabfuhr abzufhrender Wrmestrom am Fenster 650 W/cm ntige Hhe fr Konvektion 30 m "Air-Lift-Prinzip" Verstrkung der Konvektion durch Einperlen von Schutzgas Hhe jetzt 10 m
  • Folie 21
  • 21 Der Kern Kern aus Thorium oder zu vernichtenden Isotopen Brennstoffe umgeben Spallationstarget Einfangquerschnitt bestimmt Position im Kern flssiges Blei sorgt fr Wrmeabtransport
  • Folie 22
  • 22
  • Folie 23
  • 23 Gesamtkonzept
  • Folie 24
  • 24 Effektivitt Wie effektiv wird der Atommll vernichtet?
  • Folie 25
  • 25 Energy Amplifier als Brter alternatives Reaktorkonzept 232 Th als Brennstoff nicht radioaktiv! 5 mal hufiger als Uran, Uran reicht nur noch fr 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
  • Folie 26
  • 26 Adiabatic Resonance Crossing Beispiel 99 Tc: Umwandlung in stabiles 100 Ru nach Neutroneneinfang im normalen Reaktor extrem geringer Einfangquerschnitt Lsungen: 99 Tc lnger im Reaktor lassen hherer Neutronenfluss Adiabatic Resonance Crossing: bei leicht hheren Energien Reihe von Resonanzen im Einfangquerschnitt
  • Folie 27
  • 27 Adiabatic Resonance Crossing Blei absorbiert keine Neutronen elastische Ste Neutronen verlieren sehr langsam kinetische Energie Energieverluste kleiner als Breite der Resonanzen Neutronen treffen Resonanzen auf jeden Fall hchste Effizienz bei der Zerstrung am CERN getestet (TARC)
  • Folie 28
  • 28 Fazit Vorteile des EA: Vernichtung von Atommll / 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 ntig, jedoch fr krzere Zeit Akzeptanzproblem in der Bevlkerung
  • Folie 29
  • 29 Zusammenfassung Lagerzeiten fr normalen Atommll ca. 100000 Jahre Nach Transmutation nur noch ca. 500 Jahre Transmutation: Einfang von Neutronen Transmutation physikalisch mglich, technisch jedoch groe Herausforderung technische Realisierung der Transmutation mit EA kaum Risiko eines GAU
  • Folie 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? 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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