Rubbiatron

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Als Rubbiatron wird ein Konzept von Kernreaktoren bezeichnet.[1][2] Es geht zurück auf Ideen von Carlo Rubbia, Nobelpreisträger und ehemaligem Direktor des Forschungszentrums CERN bei Genf. Langlebige Radionuklide (Plutonium und andere Aktiniden) aus dem Betrieb von Kernkraftwerken sollen in diesen Anlagen gezielt in kürzerlebige Radionuklide umgewandelt werden. Allgemein werden derartige Reaktorkonzepte auch als Transmutationsreaktoren, englisch als Energy Amplifier (d. h. Energieverstärker) oder Accelerator Driven Systems (d. h. beschleunigergetriebene Systeme) bezeichnet.

Grundlagen[Bearbeiten]

Ein Teilchenbeschleuniger für Protonen wird mit einem Spaltreaktor kombiniert (Accelerator Driven Transmutation Technology - ADTT). In Rubbias Konzept ist der Beschleuniger ein herkömmliches Synchrotron, das Protonen auf eine Energie von ca. 1 GeV beschleunigt. Die Protonen treffen in einem unterkritischen Reaktor auf ein Target aus flüssigem Blei, in dem durch Spallation Neutronen freigesetzt werden. Die Neutronen treffen auf eine Brennstoffmischung aus Thorium und den umzuwandelnden Aktiniden (aus dem Abfall aus Kernkraftwerken) und werden von Thorium-Atomkernen absorbiert. Dadurch wandelt sich das nicht leicht spaltbare Thorium in ein leicht – d. h. schon mit thermischen Neutronen – spaltbares Uranisotop um. Die Kernreaktionen sehen dabei wie folgt aus:

1)\mathrm{\;{}^{232}_{\ 90}Th\;+\;n\;\rightarrow\;{}^{233}_{\ 90}Th}
2)\mathrm{\;{}^{233}_{\ 90}Th\;\rightarrow\;{}^{233}_{\ 91}Pa\;+\;\beta^{\operatorname -} }
3)\mathrm{\;{}^{233}_{\ 91}Pa\;\rightarrow\;{}^{233}_{\ 92}U\;+\;\beta^{\operatorname -} }
4)\mathrm{\;{}^{233}_{\ 92}U\;+\;n\;\rightarrow\;Spaltfragmente\;+\;ca.\;2\;n }

Der Reaktor des Rubbiatrons wird so ausgelegt, dass er in allen Betriebszuständen unterkritisch ist. Dadurch ist ein außer-Kontrolle-geraten der Kettenreaktion nicht möglich; sie läuft nur so lange, wie der Protonenstrahl auf das Spallationstarget trifft.

Die Spaltung des Uranisotops 233U setzt Energie frei, die als Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Diese Wärme kann wie in konventionellen Kernreaktoren über einen Kühlkreislauf abgeführt und mittels einer Dampfturbine mit Stromgenerator in elektrische Energie umgewandelt werden. Fernziel des Konzepts ist der Bau eines Reaktors, der mehr elektrische Energie liefert, als für die Erzeugung des Protonenstrahls notwendig ist.

Sinn dieses Konzepts ist die Möglichkeit, neben den Elementen Thorium und Blei radioaktive Abfallstoffe aus konventionellen Kernreaktoren in das Rubbiatron einzubringen. Dieser Abfall, der meist aus langlebigen Actiniden besteht, wird durch die Bestrahlung mit den Spallationsneutronen in kurzlebigere Nuklide umgewandelt. Dadurch wird es möglich, möglichst wenige dieser in den abgebrannten Brennelementen oder – in deutlich geringerem Maße - auch den radioaktiven Abfällen enthaltenen langlebigen Radionukliden in ein Endlager einzubringen. Es gibt auch noch andere technische Vorschläge mit derselben Zielsetzung. Zusammenfassend werden diese Verfahren als Transmutation bezeichnet. Da in der Regel vor der Umwandlung eine Abtrennung der zu bearbeitenden Bestandteile (im Englischen als Partitioning bezeichnet) stattfindet, wird vielfach in Fachkreisen auch der Begriff Partitioning & Transmutation oder P & T verwendet.

Forschungsanlagen[Bearbeiten]

In Belgien wird zurzeit ein Forschungsreaktor auf Basis des Rubbiatron-Konzepts, der sogenannte MYRRHA-Reaktor, konzipiert.[3] Baubeginn ist für 2015 geplant. Wie beim Rubbiatron wird ein unterkritischer, durch Blei passiv gekühlter Reaktorkern durch einen Protonenstrahl angetrieben. Abweichend vom ursprünglichen Konzept des Rubbiatrons wird der Reaktor allerdings als Kernbrennstoff nicht Thorium , sondern Mischoxid-Brennstäbe enthalten. Zweck dieser Anlage wird es sein, neben anderen Forschungsgebieten die Technologie der Transmutation im Protonenstrahl-getriebenen Reaktor im Piloteinsatz zu testen.

Im Februar 2012 wurde in diesem Zusammenhang erstmals eine Anlage, die einen Teilchenstrahl mit einem bleigekühlten Reaktorkern koppelt, in Betrieb genommen.[4] Mit der „GUINEVERE”[5] genannten Anlage sollen Erfahrungen für MYRRHA gesammelt werden.

Eine weitere Rubbiatron-ähnliche Anlage ist an der japanischen Forschungseinrichtung J-PARC geplant. Die „Transmutation Experimental Facility” (experimentelle Transmutationsanlage, TEF)[6] genannte Anlage soll eine thermische Leistung von 800 MW haben und von einem Beschleuniger mit 30 MW getrieben werden.[7] Zurzeit laufen Vorversuche zur Kühlung des unterkritischen Reaktorkerns.

Realisierbarkeit und Wirtschaftlichkeit[Bearbeiten]

Als Gesamtkosten wird für eine erste Anlage zur Transmutation von einem Investitionsvolumen von 383 Mio. € und Betriebskosten von 20 Mio. €/Jahr[8] ausgegangen. Mit der von CERN vorgeschlagenen Anlage[9] von 1.500 MW thermischer Leistung können Transurane und minore Aktiniden mit einer Rate von 402 kg/Jahr abgebaut werden. Da zum Kritikalitätsausgleich bei dieser speziellen Anlage Thorium hinzugefügt wird, entstehen auch 175 kg/Jahr Uran-233, so dass die Aktinidenmenge effektiv nur um 227 kg/Jahr reduziert wird. Die 2010 in der Bundesrepublik betriebenen 17 Kernkraftwerke produzierten jährlich 370.000 kg hochradioaktiven Abfall, dessen Radiotoxizität und erforderliche Lagerzeit hauptsächlich von den darin enthaltenen 3.700 kg minoren Aktiniden und Transuranen, insbesondere Plutonium, bestimmt wird.[10] Nur diese sind nach Abtrennung (Partitioning) und erneuter Mischung mit Thorium in die vom CERN vorgeschlagene Anlage einzufüttern und werden mit der oben genannten Rate reduziert. Daraus ergibt sich eine erforderliche Zahl von 3.700/227 = 16 ständig laufenden „Transmutern”. Ein Beschicken dieser Anlagen mit nicht-partitioniertem Abfall aus Uran-betriebenen Reaktoren, der zu 95 % aus Uran-238 besteht, ist nicht vorgesehen und auch gar nicht möglich.

Der CERN-Transmuter benötigt Thorium zum Ausgleich der Kritikalität, um den Nachregelbedarf des vom Beschleuniger erzeugten Neutronenflusses zu verringern. Bei Anlagen wie MYRRHA oder TEF werden stattdessen abbrennbare Neutronengifte eingesetzt, die selbst wenig Radioaktivität hinterlassen, so dass sich der effektive Durchsatz deutlich erhöht.

In einer gründlichen Studie der Nuclear Energy Agency der OECD[11] wird ein Szenario mit modernen Transmutern für Deutschland und andere Länder komplett durchgerechnet. Dabei wird für Deutschland der Brennstoffkreislauf bis zum damals (2009) geplanten Ausstieg simuliert, um die genaue Zusammensetzung der Abfallmenge zu bestimmen. In einem zweiten Schritt wird der Abbau durch 8 Transmuter (jeweils 840 MW thermische Leistung), die ab 2030 mit 40 Jahren Laufzeit arbeiten und 3 weiteren Transmutern, die ab 2070 den Output der vorherigen Transmuter verarbeiten, berechnet. Es ergibt sich folgendes Bild:

  • Durch die Transmutation langlebiger in kurzlebige Nuklide stellt sich kurzfristig kaum eine Verringerung der Radioaktivität, d. h. der Zerfallswärmeleistung ein - sie kann sich sogar leicht erhöhen.
  • Der eigentliche Erfolg der Transmutation stellt sich erst nach hunderten Jahren ein. Verglichen mit der Situation ohne die 80-jährige ADS-Transmutation ist die Zerfallswärmeleistung
    • nach 100 Jahren nur halb so hoch und
    • nach 100-2.000 Jahren nur ein Viertel so hoch.
  • Das Plutonium würde sich auf ca. 20 % der ursprünglichen Menge reduzieren.
  • Diese Plutonium-Restmenge wäre überdies in ihrer Isotopenzusammensetzung derartig verändert, dass eine Waffenverwendung nicht mehr denkbar ist.

Wegen der noch zu lösenden technischen Probleme und der hohen Investitionskosten ist fraglich, ob Transmutation tatsächlich in nennenswertem Maße praktisch genutzt werden kann. Da neben einem (im Wesentlichen konventionellen) Reaktor ein Großbeschleuniger benötigt wird, ist das Kosten-Nutzen-Verhältnis ungünstiger als bei konventionellen Kernkraftwerken. Der Bau Rubbiatron-ähnlicher Anlagen ist aus wirtschaftlichen Gründen derzeit (2013) zumindest ebenso unwirtschaftlich wie der Bau neuer konventioneller Kernkraftwerke.[12] Vor allem die "dramatischen Eskalation der Kosten sämtlicher großen Industrieprojekte, bei denen Ingenieurleistungen gefragt sind."[13] stellt die wirtschaftliche Realisierung in Zweifel.

Literatur[Bearbeiten]

  • James Varley: Fast neutron incineration as an alternative to geological disposal: the Rubbia proposal. In: Nuclear Engineering International. July 1997.
  • C.D. Bowman, E.D. Arthur, P.W. Lisowski, G.P. Lawrence, R.J. Jensen, J .L. Anderson, B. Blind, M. Cappiello, J.W. Davidson, T.R. England, L.N. Engel, R.C. Haight, H.G. Hughes III, J.R. Ireland, R.A. Krakowski, R.J . LaBauve, B.C. Letellier, R.T. Perry, G.J. Russell, K.P. Staudhammer, G. Versamis, W.B. Wilson: Nuclear energy generatiuon and waste transmutation using an accelerator driven intense thermal neutron source. In: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A320 (1992), S. 336-367.
  • Eckhard Rebhahn: Energiehandbuch: Gewinnung, Wandlung und Nutzung von Energie. Springer, Berlin u. a. 2002, ISBN 3-540-41259-X. (Inhaltsverzeichnis) (PDF; 638 kB)
  • J. Blomgren and A. J. Koning: Neutron Physics Research for the Development of Accelerator-Driven Systems. In: A. Aasen and P. Olsson (Hrsg.), Nuclear Reactors, Nuclear Fusion and Fusion Engineering, Nova Science, New York 2009, ISBN 978-1-60692-508-9, S. 3 - 77. Enthält auf den ersten Seiten eine gute Übersicht über das ADS-Konzept.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. F. Carminati, C. Gelès, R. Klapisch, J.P. Revol, Ch. Roche, J.A Rubio, C. Rubbia: An Energy Amplifier for Cleaner and Inexhaustible Nuclear Energy Production Driven by a Particle Beam Accelerator. CERN/AT/93-47 (ET), 1993.
  2. C.Rubbia, J.A.Rubio, S.Buono u. a.: Conceptual Design of a fast neutron operated High Power Energy Amplifier. Report CERN-AT-95-44 (ET), Geneva 1995.
  3. SCK•CEN, the Studiecentrum voor Kernenergie/Centre d'Etude de l'Energie Nucléaire: MYRRHA: Multi-purpose hybrid research reactor for high-tech applications
  4. GUINEVERE: a new world premiere at the Belgian Nuclear Research Centre. Pressemeldung des Belgian Nuclear Research Centre, 11. Januar 2012, abgerufen am 20. März 2012.
  5. Webseite des GUINEVERE-Projekts
  6. TEF Hauptseite (englisch), abgerufen am 7. April 2012
  7. J-PARC-Jahresbericht 2010 (englisch; PDF; 9,2 MB), abgerufen am 7. April 2012.
  8. Michael Czopnik: Beschleunigergetriebene Systeme zur Transmutation von radioaktivem Abfall. (PDF; 998 kB) S. 18. Bachelorarbeit. September 2010.
  9. Charles D. Bowman, Accelerator-Driven Systems for Nuclear Waste Transmutation, Annu. Rev. Nucl. Part. Sci., Vol. 48, S. 505–556, 1998, doi:10.1146/annurev.nucl.48.1.505
  10. OECD-NEA-Report 6090 (englisch; PDF; 1,3 MB), 2006. Zur Radiotoxizität s. Abb 1.2 (S. 9)
  11. OECD-NEA-Report 6194 (PDF; 2,8 MB), 2009 (englisch)
  12. New Nuclear - The Economics Say No. auf: citigroupgeo.com 9. November 2009
  13. FAZ, 6. Februar 2010: Kraftwerksplanung - Von wegen Renaissance der Atomkraft, aufgerufen 26. Juni 2013