Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-3690
Neuhaus, Ingo; Phlippen, Peter-Wilhelm
Comparison of uranium- and thorium-based plutonium-recycling in a pressurized water reactor
57 S., 1999

Die weltweite Akkumulation von Plutonium aus der zivilen Nutzung der Kernenergie gelangt immer deutlicher als Sicherheitsproblem in das politische Bewußtsein. Eine zuverlässige Beseitigung sowohl des zivilen als auch des aus der Zerstörung von Kernwaffen stammenden Plutoniums kann nur durch dessen Spaltung erfolgen; Zwischen- und Endlagerkonzepte bieten - wenn überhaupt - nur eine befristete "Beseitigung" dieses kernwaffenfähigen Materials an.
Die Spaltung des Plutoniums kann sowohl in heutigen oder speziell zu diesem Zweck ausgelegten zukünftigen Reaktoren, als auch zukünftig in beschleunigergetriebenen Systemen erfolgen. Der Einsatz von thoriumbasierten Kernbrennstoffen, denen Plutonium als Spaltstoff zugegeben wird, ermöglicht eine besonders effiziente Umsetzung des Plutoniums, da aus dem Thorium kein neues Plutonium mehr erbrütet wird; vielmehr wird der Kernbrennstoff 233U erzeugt, der in mancher Hinsicht als sehr viel ungefährlicher eingestuft wird als Plutonium.
Im vorliegenden Bericht wird der Einsatz von thoriumbasierten Brennstoffen in Druckwasserreaktoren untersucht und mit den Ergebnissen von herkömmlichen uranbasierten Brennstoffen für Abbrände bis zu 100 GWd/tHM verglichen. Als Vergleichskriterien dienen zunächst die Umsatzraten sowohl für Plutonium al-leine als auch für die Transuranelemente. Hier zeigt sich, daß der Einsatz von Thorium die Umwandlungsraten gegenüber der Verwendung von Uran als Träger für Plutonium verdoppelt. Dies wird auch deutlich, wenn man die Massenbilanzen hinsichtlich der erzeugten Kernspaltenergie auswertet. Hierbei zeigt der thoriumbasierte Brennstoff mit über 90 % der aus der Spaltung von Plutonium erzeugten Energie ebenfalls seine Vorzüge. Nachteilig ist aber, daß die abgebrannten Brennelemente noch große Mengen an Transuranen enthalten und somit nicht im Sinne einer Lösung des Plutoniumproblems endgelagert werden können.
Neben der Bewertung der Umsatzraten sind auch die Rückwirkungen des Brennstoffwechsels auf das Sicherheitsverhalten des Reaktors zu betrachten. Anhand der Rückkopplungskoeffizienten für die Brennstoff- und Moderatortemperatur, die Borkonzentration und ausgedampftes Kühlmittel (void) konnte gezeigt werden, daß der thoriumbasierte Mischoxidbrennstoff günstigere Bedingungen aufweist als der uranbasierte Mischoxidbrennstoff. Allerdings deuten sich für beide Brennstofftypen bei sehr hohen Abbränden positive Void-Koeffizienten aufgrund der sehr hohen Plutoniumkonzentrationen an. Zur abschließenden Beurteilung dieser Problematik sind detaillierte Kernberechnungen erforderlich.
Hinsichtlich der Endlagerung sowohl der Wiederaufarbeitungsabfälle aus dem UO2-Brennstoff als auch der abgebrannten Mischoxidbrennstoffe ergeben sich keine wesentlichen Unterschiede für die drei Brennstofftypen. Einerseits verbleiben mehr als 40 % des ursprünglichen Plutoniums in den abgebrannten Mischoxidbrennstoffen, andererseits werden keine Minor Actinides aus dem abgebrannten UO2-Brennstoff abgetrennt, die ca. 10 % aller Transurane ausmachen. Somit kann sich das Toxizitätspotential nicht nennenswert gegenüber abgebrannten UO2-Brennstoffen reduzieren. Da die langlebigen Transurane die erforderliche Einschlußzeit im Endlager bestimmen, sind die zuvor beschriebenen Maßnahmen bezüglich einer Reduktion der Einschlußzeit neutral. Eine signifikante Reduktion dieses Parameters erreicht man erst durch die Abtrennung und Spaltung aller Transurane. Hierzu bedarf es allerdings neben einer Erweiterung der Wiederaufarbeitung auf die Abtrennung von Minor Actinides auch des Einsatzes beschleunigergetriebener Systeme zur Verbrennung der in kritischen Systemen nicht mehr verwertbaren Restbestände an Transuranen.
Ein Vergleich der Umsatzraten von Druckwasserreaktoren mit thoriumbasierten Mischoxidbrennstoff zu anderen Systemen, die zur Plutoniumvernichtung eingesetzt werden sollen verdeutlicht, daß die hier vorgestellte Methode sowohl hinsichtlich des Netto-Transuranverbrauchs mit ca. 90 % nur noch von den Inert-Matrix-Brennstoffen übertroffen wird, wobei die Realisierung der letztgenannten technisch noch nicht geklärt ist. Auch das für eine einmalige Plutoniumrezyklierung wichtige Entladeverhältnis liegt mit ca. 80 % sehr hoch und wird nur noch von Inert-Matrix-Brennstoffen, optimierten Hochtemperaturreaktoren und beschleunigergetriebenen Systemen übertroffen.
Zusammenfassend bleibt festzuhalten, daß die Einführung von thoriumbasierten Mischoxidbrennstoffen in Reaktoren eine sehr effiziente und schnell zu realisierende Maßnahme ist, die Menge akkumulierten Plutoniums zu verringern. Allerdings bedarf es zur Lösung der Plutoniumfrage noch weiterer Ergänzungen im nuklearen Brennstoffkreislauf.



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Letzte Änderung: 07.06.2022