Transmutation in Beschleunigergetriebenen Systemen

Transmutation in Beschleunigergetriebenen Systemen (Promotionsprojekt)

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Friederike Frieß
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Projektbeschreibung

Die Idee eines Atomreaktors, der aus einer externen Neutronenquelle und einem unterkritischen Kern besteht wurde vor ungefähr 20 Jahren mit dem sogenannten Rubbiatron populär. Bei dieser Art Reaktoren werden Neutronen durch hochenergetische Protonen eines Beschleunigers, die auf ein Spallationstarget treffen, produziert und erhalten die Kettenreaktion in einem Kern aufrecht, in dem dies sonst nicht möglich wäre. Üblicherweise bezeichnetet man diese Reaktoren als Beschleuniger getriebene Systems (ADS, aus dem Englischen: Accelerator-Driven-Systems).

Aufgrund der hohen Kosten wurde die Idee jedoch zunächst nicht weiter verfolgt. Erst in den letzten Jahren haben ADS wieder mehr Aufmerksamkeit erhalten. Von Befürwortern werden sie als eine mögliche Lösung für das Problem des radioaktiven Abfalls gesehen, wobei Nachteile wie die hierfür nötige weite Verbreitung schneller Kernreaktoren und das damit verbundene erhöhte Proliferationsrisiko oft nur am Rande erwähnt werden. Um diese Lücke zu schließen, stehen diese Punkte im Fokus des IANUS- Projektes.

Wie bei allen schnellen Reaktoren, interessiert auch in einer solchen Anlage die mögliche Plutoniumproduktion; sowohl in den Brenn- als auch in den Dummyelementen. Spallationsquellen im Allgemeinen bergen das Risiko, für Nuklearwaffen relevantes Material zu erzeugen, indem zusätzliche Targets im Teilchenstrahl positioniert werden. Eine Option, die bei kritischen Kernkonfigurationen nicht besteht.

Bei der Handhabung von radioaktivem Abfall stellt die Strahlung, welche von langlebigen Spaltprodukten und den Minoren Aktiniden (MAs) ausgeht, ein ernstes Problem dar. Ein (möglicher?) Vorteil der ADS ist, dass diese Isotope in andere, weniger gefährliche Isotope transmutiert und diese abgetrennt werden können. Dadurch sinkt die Menge von hoch radioaktivem Abfall.

Der mögliche Einfluss auf die Abfallhandhabung der Transmutation und Partitionierung (P&T) zugeschrieben wird, könnte zum Beispiel durch das Anwenden und Überprüfen von Radiotoxizitätsindicesauf die entstehenden Materialzusammensetzuungen geschehen. Eine Frage, welche durch ein funktionierendes ADS Modell beantwortet werden könnte, ist zum Beispiel jene nach der Änderung des Isotopenvektors während eines Bestrahlungszykluses. Daraus könnten Aussagen über die Effizienz der Transmutation gezogen und der Einfluss auf Endlagerkapazitäten und -anforderungen untersucht werden. Zusätzlich kann das neue Material auch mit dem spent fuel standard verglichen oder seine Attraktivität für den Bau einer Nuklearwaffe analysiert werden.

Im Zuge dieser Promotion soll ein sinnvolles geometrisches Modell einer ADS Anlage, basierend auf dem MYRRHA (Multi-purpose hYbrid Research Reactor for High-tech Applications), entstehen. MYRRHA ist die auf kommerzielle Größe skalierbare Demonstrationsanlage, welche im Zuge des 7th Framework Programme der EU entwickelt wurde. Das System soll den Forschungsreaktor BR-2 in Mol, Belgien, ersetzen. Der momentane Zeitplan sieht eine Inbetriebnahme zwischen 2022 und 2024 voraus. Basierend auf einem geometrischen Modell der Anlage kann die Neutronenpopulation im gesamten System, als auch für die Spallationsquelle oder den Kern, einzeln simuliert werden. Darauf aufbauende Abbrandrechnungen ermöglichen die Untersuchung der Materialänderungen im Kern.

Eine besondere Eigenschaft des Reaktordesigns ist die Möglichkeit einer kritischen und einer unterkritischen Konfiguration, bei der zentrale Brennelemente durch die Spallationsquelle ersetzt werden.

Da die Informationen bezüglich des Reaktordesigns in der frei zugänglichen Literatur nicht vollständig sind, begann das Projekt mit der Modellierung der kritischen Kernkonfiguration, um Annahmen, die auch für die unterkritische Konfiguration benötigt werden, zu validieren. Der nächste Schritt ist die Modellierung des unterkritischen Kerns. Dabei liegt ein besonderes Augenmerk auf der Spallationsquelle, da für sie weniger Erfahrungswerte vorliegen. Sobald ein ausreichend validiertes Modell der Neutronenquelle, der Kernneutronik und die Materialien im Kern während des Abbrands vorliegen, kann das Modell auch leicht auf andere ADS Designs übertragen werden.

Veröffentlichte Dissertation 2017

Partitionierung und Transmutation: Einschätzung des Lösungspotentials für die Herausforderung durch hochradioaktiven Abfall aus der Kernenergienutzung. Die Datei finden Sie hier.