Kernenergie

Grundlagen: Kernspaltung, Reaktortechnik

Reaktortypen

Transmutation: Lösung des Problems des nuklearen Abfalls?

Beispiel für die Spaltung von 235Uran

Spaltfragment-Verteilung von 235Uran

Brüten

Kerne mit ungerader Neutronenzahl sind durch thermische Neutronen spaltbarKerne mit gerader Neutronenzahl sind durch thermische Neutronen brütbar

Spaltung von 235U

Reaktionen von Uran mit thermischen Neutronen

Bilanz der Reaktionsprodukte235U: Brennstoff (Vorräte für ≈ 200 Jahre)Spaltprodukte:

Isotop Lebensdauer 900 MW, 1 Jahr79Se 70000 Jahre 0,1 kg93Zr 1,5 Millionen Jahre 15,5kg99Tc 210000 Jahre 17,7 kg107Pd 6,5 Millionen Jahre 4,4 kg126Sn 10000 Jahre 0,44 kg129I 15,7 Millionen Jahre 3,9 kg135Cs 2 Millionen Jahre 7,7 kg

239Pu: Brennstoff oder gefährlicher Abfall?

Isotop Lebensdauer 900 MW, 1 Jahr239Pu 24119 Jahre 123,1 kgAndere erbrütete Aktiniden: Viele nicht spaltbar mit thermischen Neutronen

Neutronenzyklus im Kernreaktor

Neutronen-Reproduktionsfaktor:

k = η ε p f (1-lf) (1-lt)

k < 1 unterkritischk = 1 kritischk > 1 überkritisch

Leichtwasser-Reaktoren

Brennmaterial angereichertes Uran: 2-3% 235U, 97-98% 238UModerator und Kühlmittel: H2O

Druckwasser-Reaktor:Wasser-Kreisläufe für Reaktorkern und Turbine durch Wärmetauscher getrennt

Siedewasser-Reaktor:Gemeinsamer Kreislauf für Kern und Turbine

Schneller Brüter

Grafitmoderierter, gasgekühlter Reaktor

Linkes Bild:Leistung der β- und γ-Strahlung radioaktiverSpaltprodukte, die 1MW Reaktor in einer Sekunde Betrieb erzeugt hat (3.1 x 1016 Kernspaltungen/s). Ein Leistungsreaktor liefert 1000 MW.

Rechtes Bild: Zeitlicher Verlauf der durch radioaktive Zerfälle erzeugten Nachwärme eines 1 MW Reaktors, der 8 Stunden in Betrieb war.

Nachwärme durch radioaktive Spaltprodukte

Nachwärme durch radioaktive Spaltprodukteund Aktiniden

Wärmeleistung, erzeugt durch die Zerfälle radioaktiver Spaltprodukte und Aktiniden nach Abschalten eines 1000 MW Reaktors, der einen Monat lang in Betrieb war . (B.L. Cohen, Rev. Mod. Phys. 49 (1977) 1)

Spallationsneutronen:1 GeV Protonenstrahl erzeugt in neutronenreichem Targetmaterialschnelle Neutronen, die Aktiniden spalten: sehr hoher Energieverbrauch

Hybridreaktor:Ein unterkritischer Reaktor mit zusätzlichen Neutronen, erzeugt durch 1 GeV Protonenstrahl

Transmutation radioaktiver Abfälle

ProjektstudieTransmutation von Aktinidendurch Spallationsneutronenerzeugt durch 1 GeV Protonen

Der beschleunigergetriebene Hybrid-ReaktorPrinzip: unterkritischer Reaktor, steuerbar durch Spallationsneutronen, Erzeugt durch 1 GeV Protonen aus Beschleuniger

Vorteile: Möglicher Brennstoff 232Th 233U Vorrat an 232Th reicht für 21000 Jahre Verbrennt nuklearen Abfall Inhärente Sicherheit: keine Kettenreaktion ohne Strahl

Probleme: Materialschäden Produktion radioaktiver Kerne durch Spallation Betrieb von Wiederaufbereitungsanlagen

Grundlagenforschung an der GSI

Präzisionsmessungen der Isotopenausbeuten in Reaktionen zwischen Protonen und schweren Kernen (Au, Pb, Th, U)

Isotopenausbeute der inversen Reaktion 1 A GeV 238U +1H

Spaltfragmentverteilung für Z = 89 - 92

Messung am Fragmentseparator (FRS) der GSI