Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4131
Bodewig, Tobias
Optimierte Umwandlung von Plutonium und Americium in Druckwasserreaktoren
IV, 168 S., 2004
Der Weltenergiebedarf wird aufgrund einer wachsenden Weltbevölkerung einerseits und
eines zunehmenden Prokopf-Verbrauchs andererseits in diesem Jahrhundert weiter stark
steigen . Prognosen der Primärenergieanforderung, basierend auf unterschiedlichsten Annahmen
der zukünftigen technologischen, ökonomischen und ökologischen Entwicklung,
sehen eine Vervielfachung der heute bereits weltweit installierten nuklearen Kraftwerksleistung
voraus . Ein weltweiter Ausstieg aus der Option Kernenergie ist nicht zu sehen.
Der heute etablierte nukleare Brennstoffkreislauf beruht weitestgehend auf der Nutzung
uranbasierter Brennstoffe in Leichtwasserreaktoren. Die hierbei anfallenden Reste enthalten
typischerweise je Tonne Schwermetall neben den Spaltprodukten und Uranresten auch
11 kg Transurane (TRU). Die TRU bestimmen das Gefährdungspotential in einem zukünftigen
Endlager aufgrund ihrer großen Halbwertszeiten und Radiotoxizitäten für sehr lange
Zeiten, wohingegen die Spaltprodukte in der Frühphase dominieren . Die teilweise sehr gute
Spaltbarkeit der TRU eröffnet zusätzlich die Gefahr des Missbrauchs als Waffenmaterial .
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine mögliche evolutionäre Weiterentwicklung des heutigen
nuklearen Brennstoffkreislaufs, unter den Vorgaben einer nachhaltigen Entsorgungsstrategie
einerseits und der Aufrechterhaltung der heutigen höchsten Sicherheitseigenschaften
existierender westlicher nuklearer Anlagen andererseits, untersucht . Es wurde hierbei das
Ziel verfolgt, nur solche radioaktiven Abfälle endlagern zu müssen, deren Gefahrenpotential
in technisch beherrschbaren Zeiträumen das sowieso in der Natur vorhandene Gefahrenpotential
unterschreitet .
Durch Simulation des neutronischen Geschehens in Druckwasserreaktoren als Zell-,
Brennelement- und Vollcorerechnungen mit unterschiedlichen Rechenprogrammen konnte
die Möglichkeit, den Reaktor ausschließlich mit (Th,Pu)02-Brennstoff im 4-Batch-Betrieb
bis zu einem Abbrand von 60 MWd/kg zu betreiben, belegt werden. Die nukleare Stabilität
des Systems konnte für das Vollcore in allen Abbrandzuständen belegt und Konservativität
der Einheitszellen- und Brennelementrechnungen besonders für den Voidkoeffizienten
nachgewiesen werden.
Unter der Vorgabe möglichst geringer Modifikationen der heute etablierten Systeme sind
Optimierungsversuche zur Steigerung der Actinidenumsätze durchgeführt worden. Neben
der Anpassung des Moderationsverhältnisses ist für verschiedene Brennstoffe der zweiten
Rezyklierung die Möglichkeit untersucht worden, spektrale Unterschiede innerhalb der
Brennstoffpellets durch einen zweischichtigen Aufbau und Vergrößerung des Brennstabdurchmessers
zu nutzen . Darüberhinaus ist der Einfluss eines Cadmium-Filters mit dem
Ziel einer Härtung des Neutronenspektrums zwischen innerer und äußerer Brennstoffzone
untersucht worden. Rückwirkungen dieser speziellen Brennstäbe auf das ganze Brennelement,
maximale Brennstofftemperaturen, Heizflächenbelastungen und Heliumproduktion
sind ebenfalls Bestandteil der Analysen . Besonders vielversprechend ist der heterogene
(Th,Am,U)02-Brennstoff, da sich ohne Verschnitt mit frischen Brennstoffen eine günstige
Entwicklung der Americiumisotope bis zur dritten Rezyklierung zeigt.
Optimised transmutation of Plutonium and Americium in Pressurised
Water Reactors
Abstract
The world energy requirement will dramatically increase during this century, because of
an increasing world population on the one hand and an increasing per capita energy consumption
on the other hand. Future prospects of primary energy requirement, basing on
different assumptions of the future technological, economical and ecological developments,
predict a multiple of todays nuclear energy production capabilities worldwide. A worldwide
phasing out of the nuclear energy option is not foreseeable.
To the greatest possible extend today's nuclear fuel cycle is based on the usage of uraniumbased
fuels in light water reactors. At this accumulating residues contain typically per tonne
heavy metal beside fission products and surpluses of uranium also 11 kg transuranium
elements (TRU). The TRU will dominate the hazardous potential for a very long time
span in a future repository because of their long half-life and radiotoxicity whereas the
fission products dominate only at the very beginning. Some of the transuranium isotopes
are very good fissionable and open due to this a proliferation risk additionally .
This paper analyses a possible evolution of todays fuel cycle, considering on the one hand
the requirements of a sustainable waste disposal strategy and on the other hand the highest
safety properties of today's western nuclear power plants . The aim is to deposit only the
nuclear residuals which hazardous potential will fall below the natural hazardous potential
of fresh nuclear fuel during a time period in which engineered barriers guarantee a safe
encapsulation.
By pin-cell, assembly and full-core simulations of the neutronics of a thoriumbased Pressurised
Water Reactor with different calculational tools the possibility to operate the reactor
with (Th,Pu)02 -fuel in a four-batch-mode up to a burn-up of 60 MWd/kg was shown. The
nuclear stability of the system for all burn-up conditions was proven for the full core and
especially for the void coefficients the pin-cell and assembly calculations were shown to be
conservative .
Under the term of minimal modifications of today's established systems further optimisation
approaches with the aim of increasing the actinide consumption were performed. Beside
the adjustment of moderation ratio the possibility to use spectral shifts within the pellet
by a two layer approach and enlargement of the pellet diameter were analysed for different
fuels of the second recycling step . Furthermore effects of hardening the neutron spectra
by a cadmium filter between the inner and outer fuel zone were studied. Repercussions
of those special designed fuel pins within the whole fuel assembly, the maximal fuel temperatures,
heat surface stress and helium production were also part of the analysis . Very
favourable is the heterogenous (Th,Am,U)02 fuel, because without blending with fresh fuel
an advantageous americium isotopic composition was found even up to the third recycling
step .
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