Robert Klatt
Ausgebrannte Brennelemente aus Atomkraftwerken erreichen erst nach 100.000 Jahren das Strahlungsniveau von natürlichem Uranerz. Eine neue Technik auf Basis von bestehenden Teilchenbeschleunigern soll schon bald die Strahlung durch die Transmutation stark reduzieren und dadurch die Aufbewahrungszeit auf 300 Jahre verkürzen.
Newport News (U.S.A.). Ein typisches Kernkraftwerk mit rund 1.000 Megawatt (MW) elektrischer Leistung produziert pro Jahr etwa 20 bis 30 Tonnen ausgebrannte, hochradioaktive Brennelemente sowie weitere schwach- und mittelradioaktive Abfälle. Das Strahlungsniveau von unbehandelten, ausgebrannten Brennelementen erreicht erst nach rund 100.000 Jahren das Niveau von natürlichem Uranerz. Die hochradioaktiven Abfälle müssen deshalb sicher gelagert werden, damit keine radioaktiven Stoffe in die Umwelt gelangen können. Die meisten Länder, darunter auch Deutschland, besitzen aber noch keine entsprechenden Endlager und müssen ihren gefährlichen Atommüll deshalb in Zwischenlagern aufbewahren.
Forscher des Thomas Jefferson National Accelerator Facility (TJNAF) arbeiten im Auftrag des Department of Energy (DOE) an der technischen Weiterentwicklung von bestehender Teilchenbeschleunigertechnik mit dem Ziel, die radioaktive Strahlung von Atommüll deutlich zu reduzieren.
„Auf der Grundlage unseres eigenen Erfolgs bei der Entwicklung modernster Beschleunigertechnologien, die wissenschaftliche Entdeckungen ermöglichen, sind wir überzeugt, dass wir mit den Erfahrungen, die wir in den vergangenen Jahrzehnten gesammelt haben, einen Beitrag leisten können.“
Laut den Wissenschaftlern sollen die 8,17 Millionen US-Dollar aus dem Förderprogramm Nuclear Energy Waste Transmutation Optimized Now (NEWTON) dazu verwendet werden, in den kommenden 30 Jahren eine Technik zu entwickeln, mit der der gesamte Atommüll der Kernkraft der U.S.A. behandelt werden kann.
Im Fokus der Forschung steht die Entwicklung eines ökonomisch validen Verfahrens für die Transmutation von Atommüll. Dazu arbeiten die Forscher an der Weiterentwicklung beschleunigergetriebener Systeme, mit denen stark radioaktive Abfälle in weniger radioaktive Stoffe mit kürzerer Halbwertszeit umgewandelt werden können. Ein Accelerator-Driven System (ADS) nutzt dazu eine Kombination aus einem Teilchenbeschleuniger und einem Zielmaterial, etwa flüssigem Quecksilber. Wenn auf dieses Material hochenergetische Protonen treffen, lösen sich darauf Neutronen, die auf Behälter mit dem strahlenden Atommüll gerichtet werden.
„Diese Neutronen werden mit diesen unerwünschten Isotopen interagieren und sie in besser handhabbare Isotope umwandeln, die man entweder für einen nützlichen Zweck einsetzen oder unterirdisch lagern kann. Anstatt beispielsweise eine Lagerdauer von 100.000 Jahren zu haben, kann man die Aufbewahrungszeit auf 300 Jahre verkürzen.“
Das erste Projekt konzentriert sich auf die Optimierung der Effizienz der SRF-Komponenten in ADS-Systemen. Deren Resonatorstrukturen bestehen in aktuellen Systemen aus hochreinem Niob, das bei extrem niedrigen Temperaturen supraleitend wird. Dazu ist aber eine komplexe kryogene Kühlung erforderlich. Die Wissenschaftler haben jedoch entdeckt, dass eine Beschichtung der Niobinnenflächen mit Zinn die Effizienz erhöhen kann. Die Komponenten können dadurch bei höheren Temperaturen betrieben werden und womöglich mit herkömmlichen Kühlsystemen auskommen.
„Diese basieren auf dem bewährten Resonatordesign der Spallation Neutron Source, aber wir werden das neue Zinnmaterial in dieses bestehende Design integrieren. Das wird dann gemeinsam mit unseren Partnern am Oak Ridge National Laboratory getestet.“
Außerdem arbeiten die Forscher daran, neue SRF-Resonatoren mit komplexerer Geometrie zu entwickeln, um die Effizienz und die Neutronenerzeugung zu erhöhen.
„Wir werden eine neue Klasse von Resonatoren mit der Bezeichnung Spoke Cavity entwerfen, bauen und testen. Sehr wahrscheinlich wird die gesamte Anlage auf dieser SRF-Technologie basieren, sodass es sich um eine Innovation handelt, die einen zusätzlichen Mehrwert schafft.“
Im zweiten Projekt arbeiten die Wissenschaftler daran, die Energieversorgung der SRF-Resonatoren mit Magnetronen zu verbessern. Diese Bauteile, die auch in Mikrowellen verbaut sind, liefern in Beschleunigern die Hochfrequenzleistung, mit der die SRF-Resonatoren die Teilchenstrahlen antreiben. Dabei ist es essenziell, dass die Frequenz des Magnetrons mit der Resonanzfrequenz des Beschleunigers übereinstimmt.
„Wir benötigen sehr viel Leistung, 10 Megawatt oder mehr. Deshalb wird die Effizienz zu einem entscheidenden Faktor.“
Um die maximale Leistung bei 805 Megahertz (MHz) zu erreichen, arbeiten die Wissenschaftler mit Stellant Systems zusammen, einem Unternehmen, das zu den führenden Herstellern von Magnetronen gehört.
„Stellant hat den Auftrag, dieses neue Magnetron zu entwerfen und einen Prototyp zu entwickeln, und wir werden mit General Atomics und dem Oak Ridge National Laboratory zusammenarbeiten, um den Test zur Leistungszusammenführung durchzuführen. Das ist das Hauptziel: die hohe Leistung und hohe Effizienz bei 805 Megahertz zu demonstrieren.“
Beide Projekte haben das Ziel, kommerziell nutzbare Technologien zu entwickeln, die zeitnah dabei helfen sollen, das Atommüllproblem deutlich zu reduzieren.
Quelle:
Pressemitteilung der Thomas Jefferson National Accelerator Facility (TJNAF)
