Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4011
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Konzept für ein unterkritisches Transmutationssystem mit
schnellem Neutronenspektrum, Flüssigmetallkühlung und metallischem Flüssigbrennstoff erarbeitet.
Als Kühlmittel und Träger des Brennstoffes ist das eutektische Flüssigmetallgemisch aus
Blei und Wismut geeignet . Um für den Betrieb einer Transmutationsanlage bis 3 at% Transurane
lösen zu können, ist eine minimale Brennstofftemperatur von 600 °C erforderlich. Die Berechnungen
wurden mit einem stark degradierten Tansuran-Isotopenvektor, der sich nach zweifacher
Plutonium-Rezyklierung im Thorium-Brennstoffkreislauf ergibt, durchgeführt .
Es wurden zwei homogene und zwei heterogene Blanketmodelle entworfen und bewertet, von
denen ein heterogenes Blanketkonzept weitergehend betrachtet wurde. Es verbindet die positiven
Eigenschaften eines Festbrennstoffsystems (z.B . bessere Kontrolle des Brennstoffes und der
Reaktivität durch kleine abgeschlossene Brennstoffvolumina) mit denen von Flüssigbrennstoffsystemen
(kontinuierliche Be- und Entladung sowie Spaltproduktabzug) .
Das Blanketmodell orientiert sich an dem Coredesign schneller flüssigmetallgekühlter Reaktoren.
Es besteht aus hexagonalen Brennelementen, in denen sechs ringförmige Brennstoffzylinder
angeordnet sind. Aufgrund der hexagonalen Geometrie der Brennelemente ergeben
sich konzentrisch um das Spallationstarget drei Brennstoffzonen . Das Blanketkonzept weist bei
der Wärmestromdichte- und Leistungsverteilung starke Heterogenitäten auf. Neben dem radialen
Wärmestromdichte- und Leistungsprofil gibt es auch Spitzenbelastungen innerhalb der
Brennstoffzonen und Brennelementen . Durch Variation der Anreicherung in den Brennstoffzonen
oder Änderung der Brennelementgeometrie ist es möglich, ein radial ausgeglicheneres
Wärmestromdichte- und Leistungsprofil gemittelt über das Blanket einzustellen.
The scope of this work is the design of a subcritical fast transmutation system with liquid
metal cooling and liquid metal fuel. The lead bismuth eutectic has been choosen as the liquid
metal coolant and fuel carrier . To dissolve at least 3 at% of transuran elements, a minimum fuel
temperature of 600 °C is required . The calculations were carried out with a fuel composition,
which results from two plutonium recycling steps in a thorium fuel cycle .
Two homogeneous and two heterogeneous blankets have been designed and evaluated leading
to one preferred heterogeneous blanket design, which has been investigated in more detail. This
blanket design merges the positive properties of a solid fuel system (better control of fuel and
reactivity because of smaller and closed fuel volumina) and a liquid fuel system (continous charge
and discharge or extraction of fission products) .
The blanket design is based an the core design of fast breeder liquid metal reactors. It consists of
hexagonal fuel elements housing up to six annular shaped fuel cylinders . The hexagonal shape of
the fuel elements leads to three fuel zones positioned concentrically around the central spallation
target . There is a strong heterogeneous distribution of power and heat flux in this blanket design.
Besides a radial shape of power density and heat flux, peak values can be found also in the fuel
zones and fuel elements itself. It is possible to achieve a more balanced radial shape of power and
heat flux by changing the enrichment in the fuel zones or adaptating the fuel element geometry.
Tittelbach, Sven
Konzept eines unterkritischen Transmutationssystems mit schnellem Neutronenspektrum und flüssigem Brennstoff
IV, 148 S., 2003
Beim Betrieb kerntechnischer Anlagen zur Stromerzeugung fallen weltweit jährlich ca. 9500 t
abgebrannter Brennelemente an, die als hochradioaktiver Abfall entsorgt werden müssen. An die
Entsorgung der hochradioaktiven Abfälle wird die Anforderung gestellt, einen zuverlässigen Abschluß
dieser Stoffe vom biologischen Lebensraum der Erde bis zum Erreichen eines tolerierbaren
Gefährdungspotentials sicherzustellen .
Das Langzeit-Gefährdungspotential abgebrannten Brennstoffes wird durch die Actinidenelemente
Plutonium, Americium und Curium dominiert. Durch Partitioning & Transmutation soll die
endzulagernde Actinidenmenge so stark reduziert werden, daß das Referenzniveau des unverbrauchten
Brennstoffes bereits nach wenigen tausend Jahren erreicht wird. Für diesen Zeitraum
können technische Barrieren zum sicheren Einschluß der hochradioaktiven Abfälle gefertigt werden.
The annual amount of nearly 9500 t of spent fuel from worldwide industrial nuclear energy
utilization has to be disposed as high level waste. The retention of nuclear waste from the
biosphere has to be assured until the radiological risk decreases to tolerable levels.
The long-term radiological risk of spent fuel is dominated by actinide elements, i.e. plutonium,
americium and curium. It is intended to reduce this amount of high level waste by Partitioning
k Transmutation, so that the radiotoxicity of the disposed waste falls short of the reference value
of fresh fuel decaying naturally after about thousand years . For this time period the retention
of high level waste can be assured by technical means .
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