Transmutation von Transuranen in einem gasgekühlten beschleunigergetriebenen System
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Beschreibung
Die friedliche Nutzung der Kernenergie mittels Leicht- und Siedewasserreaktoren ist mit einem
Aufbau von langlebigem hochradioaktivem Abfall verbunden. Im Vergleich zur direkten Endlagerung
bietet Partitioning und Transmutation (P&T) die Möglichkeit, diese Abfälle vorher in ihrer
Menge durch Umwandlung in kurzlebige Radionuklide zu reduzieren, um das von ihnen ausgehende
Gefährdungspotential bei der Endlagerung zu senken.
Unterkritische Anlagen, die durch Spallationsprozesse mit Neutronen zur Aufrechterhaltung der
nuklearen Kettenreaktion versorgt werden, erlauben eine zielgerichtete Transmutation. Als unterkritische
Anlage wurde in dieser Dissertation ein gasgekühltes beschleunigergetriebenes Systems
(ADS) zur Transmutation von Transuranen modelliert, um die Minderung des Gefährdungspotentials
durch einen P&T-Prozess zu bewerten. Die Simulation neutronenphysikalischer Prozesse in
diesem Modell basiert auf dem Monte-Carlo Computerprogramm MCNPX.
Die Darstellung eines Gleichgewichtskerns in dem Modell erlaubt es, das Transmutations- und
Betriebsverhalten für verschiedene Brennstoffvarianten in einer Magnesiumoxidmatrix zu untersuchen
und eine vereinfachte Abbrandmethode zu entwickeln. Americium als Teil des Brennstoffs
wirkt beim Betrieb aufgrund der Umwandlung in Plutonium stabilisierend auf den Neutronenmultiplikationsfaktor.
Als Alternative zu Magnesiumoxid wurde Thoriumoxid als Matrix für den
Brennstoff untersucht, um die stabilisierende Wirkung des Americiums durch die Umwandlung
von Thorium in 233U nachzubilden und darüber hinaus einen gleichbleibenden Betriebszyklus im
späteren P&T-Prozess zu gewährleisten.
Die Berechnung der Nuklidzusammensetzung am Ende des P&T-Prozesses führt zu einer Erweiterung
der mathematischen Beschreibung der Massenreduzierung (Transmutationseffizienz) um das
in dem Reaktor befindliche Inventar der Transurane. Die mit der Anlage erreichte Transmutationseffizienz
beträgt 98.8 %. Die Transmutationsdauer wurde mit verschiedenen Betriebsstrategien in
Abhängigkeit von der Anzahl, der Leistungsgröße und der Fahrweise von Transmutationsanlagen
untersucht, um den Aufwand für den P&T-Prozess in Abhängigkeit der Effizienz zu ermitteln. Es
zeigt sich, dass für eine Transmutationseffizienz von 98.8 % selbst bei geringen Wiederaufarbeitungsverlusten
von 0.1 % eine Betriebsdauer von mehr als 338 Jahren notwendig ist. Dies liegt
unter anderem an einer Wiederaufarbeitungszeit von 10 Jahren.
Der Verlauf der endlagerrelevanten Größen Radiotoxizität, Nachzerfallswärme und Aktivität für
die Transurane über Endlagerzeiträume bis 1 Millionen Jahren wird für die direkte Endlagerung,
nach dem P&T-Prozess und für nicht zu transmutierende Abfälle dargestellt. Bei den Abfällen
handelt es sich um bereits verglaste wärmeentwickelnde Abfälle, Spaltprodukte sowie Uran, die
dem P&T-Prozess nicht zugeführt werden. Anhand der verglasten Abfälle werden für die Nachzerfallswärme
und die Radiotoxizität Effizienzen abgeleitet, die den zusätzlichen Beitrag der transmutierten
Transurane auf dieses Niveau begrenzt. Die Effizienzen unterscheiden sich mit 96 % und
96.6 % nur geringfügig voneinander und führen zu Transmutationsdauern von 232 und 245 Jahren.
Diese Dissertation liefert auf der Grundlage des anfänglichen Gefährdungspotentials, der Simulation
des Betriebs einer Transmutationsanlage, der Berechnung der Endlagermenge nach der P&TPhase,
der Entwicklung der resultierenden endlagerrelevanten Größen und der Betrachtung der
Transmutationsdauer ein fundiertes Bild über den Transmutationsprozess.
Autor*in
Klaus Hendrik Biß