Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4133
Unger, Hiie-Mai
Wärmetechnische Untersuchung eines Transmutationssystems mit flüssigem Brennstoff
IV, 134 S., 2004
Kurzfassung
Energie aus der Spaltung von schweren Kernen bietet als einzige versorgungssichere und technisch
realisierte Energiequelle eine "C02-freie" Energiebereitstellung . Allerdings ist die radiotoxische
Belastung der bei der Kernumwandlung anfallenden Reststoffe nach derzeitigem Stand
der Technik zu minimieren.
Heutige Entsorgungsstrategien müssen einen sicheren Einschluss der radioaktiven Reststoffe für
eine sehr lange Zeit (>1 Mio. Jahre) gewährleisten. Dabei ist fraglich, inwieweit Einflüsse auf
die Sicherheit des Lagerprinzips für diesen Zeitraum prognostizierbar sind. Ein Ansatz zur Verbesserung
der Entsorgungsproblematik kann die Umwandlung (Transmutation) der langlebigen
in kurzlebigere Nuklide darstellen . Zusätzlich kann dadurch elektrische Energie erzeugt werden.
Auf der Basis heutiger Entsorgungswege werden unterschiedliche Möglichkeiten im Umgang mit
den anfallenden Reststoffen diskutiert und die Notwendigkeit eines geeigneten Systems zur Umwandlung
der nuklearen Reststoffe verdeutlicht .
Den Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die technische Analyse eines Systems zur Transmutation.
Um zu verdeutlichen, welche Maßnahmen notwendig sind, um den aus technischer Sicht
sicheren Betrieb einer solchen Anlage zu gewährleisten, wird zunächst ein mögliches Anlagenkonzept
vorgestellt. Über eine detailliertere Betrachtung der einzelnen Anlagenkomponenten
werden hochbelastete Bereiche lokalisiert, ihre Belastung aufgezeigt und Verbesserungsmöglichkeiten
zur Belastungsreduktion aufgezeigt . In diesem Zusammenhang wird insbesondere auf die
Wahl eines geeigneten Kühlmittels (Pb oder Pb/Bi) und dem damit verbundenen Korrosionsangriff
eingegangen . Außerdem wird bei diesen Betrachtungen deutlich, dass der hier vorgesehene
flüssige Brennstoff (gelöst in Pb/Bi) den Einsatz spezieller Brennelemente erfordert. Für diese
wird untersucht, inwieweit die vorgesehenen Werkstoffe den auftretenden Belastungen für eine
ausreichend lange Zeit Stand halten können. Die Analysen konzentrieren sich auf die thermischen
Belastungen der Brennelemente. Durch den flüssigen Zustand des Brennstoffes muss dabei eine
sich ausbildende natürliche Konvektionsströmung berücksichtigt werden. Sie beeinflusst die entstehenden
Belastungen signifikant und bildet den Fokus weiterer Untersuchungen . Aufder Basis
der gewonnenen Erkenntnisse werden die auftretenden Belastungen ermittelt und gleichzeitig
wichtige Einflussfaktoren auf die thermischen Belastungen der Strukturwerkstoffe verdeutlicht .
Darauf aufbauend werden im weiteren Verlauf der Arbeit Verbesserungsmöglichkeiten für die
Anlage vorgeschlagen und deren Effizienz untersucht.
Abstract
The only way to get a guaranteed supply and technically feasible solution to obtain electric
energy without producing Carbondioxide is the fission of heavy nuclides. But the radiotoxicity
of the remaining nuclear waste has to be minimized using techniques that are available today.
Today's nuclear waste disposal strategy requires a safe enclosure for a time period of at least
1 million years. It is questionable, how far any influences on the safety of the waste enclosure
strategy can be prognosed for this time period . Another way to deal with the remaining waste
is to transmute the long-lived nuclides into nuclides with a shorter half-life . Additional electric
energy can be produced. Therefore, starting from todays strategies, different ways to deal with
nuclear waste are discussed. The different possibilities show that there is the need for a suitable
system to transmute the nuclear waste in any case.
Main focus of this thesis is the technical analysis of a system designed to transmute nuclear waste.
To show which measures are necessary to ensure the technically safe operation of such a system,
one possible system concept is presented. Through a detailed consideration of the single system
components, highly loaded parts are identified, their load is shown and possible improvements
for load reduction are presented . In this context especially the choice of a suitable cooling
liquid (Pb or Pb/Bi) and the related corrosion processes are discussed . Moreover following these
investigations it becomes obvious, that the liquid fuel to be used here (solved in Pb/Bi) requires
the application of suitable fuel elements. For these fuel elements it is investigated, whether the
materials to be used can stand the loads for a sufficiently long period of time . The analyses focus
on the thermal loads on the fuel elements. Due to the liquid state of the fuel the developing
natural convection flow has to be considered . This flow influences the resulting loads significantly
and is the main part of the further investigations. Based on these results the actual loads are
computed and simultaneously the most important influences on the thermal load of the structural
materials are shown. These investigations are fundamental for further possible improvements of
the system and their corresponding efficiency proposed in the last part of the work presented.
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