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Laufwellenreaktor

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Ein Laufwellenreaktor ({{#invoke:Vorlage:lang|full|CODE=en|SCRIPTING=Latn|SERVICE=englisch}}, TWR) ist ein theoretisches Konzept eines Kernreaktortyps, der Brutmaterial in spaltbares Material umwandelt (Erbrütung). Der TWR unterscheidet sich vom schnellen Brüter dadurch, dass er mit wenig oder sogar ganz ohne angereichertes Uran auskommt. Stattdessen verwendet er abgereichertes Uran, Natururan, Thorium oder abgebrannte Brennelemente aus Leichtwasserreaktoren (LWR) sowie Kombinationen aus vorgenannten Stoffen. Der Name leitet sich daraus ab, dass die Kernspaltung nicht im gesamten Reaktor stattfindet, sondern nur in einer bestimmten Zone des Reaktors, welche sich mit der Zeit durch den Kern ausbreitet.

Datei:Laufwellenreaktor.gif
Numerische Simulation eines Laufwellenreaktors, Rot 238U, Grün 239Pu, Blau Neutronendichte

Geschichte

Die Idee eines Laufwellenreaktors stammt aus den 1950er Jahren und wurde seitdem immer wieder aufgegriffen und weiterentwickelt. Dieses Konzept eines Reaktors, der seinen eigenen Brennstoff erbrütet und gleich selbst verbraucht, wurde erstmals 1958 von Saveli Feinberg erforscht. Feinberg sprach dabei vom Prinzip breed-and-burn<ref>S. M. Feinberg: Discussion Comment. Rec. of Proc. Session B-10, ICPUAE, United Nations, Geneva, Switzerland (1958).</ref> (zu Deutsch erbrüten und verbrennen). Es wurde 1979 von Michael Driscoll,<ref>M. J. Driscoll, B. Atefi, D. D. Lanning: An Evaluation of the Breed/Burn Fast Reactor Concept. MITNE-229 (Dec. 1979).</ref> 1988 von Lev Feoktistov,<ref>L. P. Feoktistov: An analysis of a concept of a physically safe reactor. Preprint IAE-4605/4, in Russian, (1988).</ref> 1995 von Edward Teller & Lowell Wood<ref>E. Teller, M. Ishikawa, and L. Wood: Completely Automated Nuclear Reactors for Long-Term Operation. (Part I), Proc. Of the Frontiers in Physics Symposium, American Physical Society and the American Association of Physics Teachers Texas Meeting, Lubbock, Texas, United States (1995); Edward Teller, Muriel Ishikawa, Lowell Wood, Roderick Hyde, John Nuckolls: Completely Automated Nuclear Reactors for Long-Term Operation II : Toward A Concept-Level Point-Design Of A High-Temperature, Gas-Cooled Central Power Station System. (Part II), Proc. Int. Conf. Emerging Nuclear Energy Systems, ICENES'96, Obninsk, Russia (1996) UCRL-JC-122708-RT2. .</ref>, 2000 von Hugo van Dam,<ref>H. van Dam: The Self-stabilizing Criticality Wave Reactor. Proc. Of the Tenth International Conference on Emerging Nuclear Energy Systems (ICENES 2000), S. 188, NRG, Petten, Netherlands (2000).</ref> 2001 von Hiroshi Sekimoto<ref>H. Sekimoto, K. Ryu, Y. Yoshimura: CANDLE: The New Burnup Strategy. In: Nuclear Science and Engineering. 139 (2001), S. 1–12.</ref> konzipiert und wird seit 2006 von Bill Gates’ TerraPower verfolgt.<ref>Bill Gates macht kräftig Wind für Atomkraft in heise online vom 29. Januar 2019</ref><ref>Bill Gates will mit Mini-Meilern die Kernkraft revolutionieren. In: Spiegel Online. 23. März 2010.</ref>

Reaktorphysik

Artikel und Präsentationen zum TerraPower TWR<ref>R. Michal and E. M. Blake: John Gilleland: On the traveling-wave reactor. In: Nuclear News. September 2009, S. 30–32.</ref><ref name="Wald">M. Wald: 10 Emerging Technologies of 2009: Traveling-Wave Reactor. In: MIT Technology Review. März/April 2009.</ref><ref name="Gilleland">{{#if:2010-03-31|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:Gilleland, John|Gilleland, John: }}{{#if:https://web.archive.org/web/20100331022648/http://www.nuc.berkeley.edu/files/TerraPowerGilleland.pdf%7C{{#if:TerraPower, LLC Nuclear Initiative|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://web.archive.org/web/20100331022648/http://www.nuc.berkeley.edu/files/TerraPowerGilleland.pdf}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=TerraPower, LLC Nuclear Initiative}}]{{#if:PDF| (PDF)}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:http://www.nuc.berkeley.edu/files/TerraPowerGilleland.pdf%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C1}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=TerraPower, LLC Nuclear Initiative}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=http://www.nuc.berkeley.edu/files/TerraPowerGilleland.pdf}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=TerraPower, LLC Nuclear Initiative}}}}]}}{{#if:PDF| (PDF{{#if:1Spring Colloquium; 20. April 2009University of California at Berkeleyhttps://web.archive.org/web/20100331022648/http://www.nuc.berkeley.edu/files/TerraPowerGilleland.pdf{{#if: 2019-01-27 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}} 

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<math>\mathrm{^{238}_{\ 92}U\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{239}_{\ 92}U\ \xrightarrow[23,5 \ min]{\beta^-} \ ^{239}_{\ 93}Np\ \xrightarrow[2,3565 \ d]{\beta^-} \ ^{239}_{\ 94}Pu}</math>

Zu Anfang wird der Kern mit Brutmaterial befüllt. An einem Ende des Reaktorkerns wird eine geringe Menge von Spaltmaterial hinzugefügt. Wenn der Reaktor in Betrieb ist, können in seinem Kern nach einiger Zeit vier Zonen unterschieden werden:

  • Die „frische“ Zone, welche das unverbrauchte Brutmaterial enthält.
  • Die Brutzone, in der durch Neutroneneinfang neues spaltbares Material entsteht.
  • Die Spaltungszone, in der die Kernspaltung stattfindet.
  • Die „verbrauchte“ Zone, welche Spaltprodukte sowie noch unverbrauchten (erbrüteten) Brennstoff enthält.

Die energieerzeugende Spaltungszone wandert mit der Zeit durch den Kern. Dabei wird das Brutmaterial auf der einen Seite verbraucht und auf der anderen Seite werden Spaltprodukte und unverbrauchter Brennstoff zurückgelassen. Die Wärme, die bei der Spaltung und der Brutreaktion entsteht, wird in einer herkömmlichen Dampfturbinen-Generator-Kombination in elektrische Energie umgewandelt.

Brennstoff

Anders als herkömmliche Reaktoren können TWRs beim Bau mit genug abgereichertem Uran befüllt werden, um bei voller Leistung für über 60 Jahre oder länger Energie zu liefern.<ref name="Gilleland" /> TWRs verbrauchen bezogen auf die elektrische Leistung wesentlich weniger Uran als bisherige Reaktoren, da TWRs den Brennstoff effizienter abbrennen und einen besseren thermischen Wirkungsgrad aufweisen. Der TWR erreicht eine Wiederaufarbeitung im laufenden Betrieb, ohne dass die für andere Brüterarten typische chemische Trennung stattfinden muss. Diese Eigenschaften reduzieren die Brennstoff- und Abfallmengen erheblich und erschweren die Proliferation.<ref name="Wald" />

Abgereichertes Uran als Ausgangsbrennstoff ist reichlich verfügbar, da es als Abfallprodukt bei der Anreicherung von Uran anfällt.<ref>United States Department of Energy: <templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />{{#if:20090827060702 

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  }} Abgerufen im Oktober 2009</ref> Die Lagerbestände der Vereinigten Staaten an abgereichertem Uran bestehen gegenwärtig aus ca. 700.000 Tonnen. TerraPower schätzt den Wert der daraus zu generierenden Elektrizität auf 100 Billionen USD.<ref name="Gilleland" /> Laut dem Unternehmen könnten TWRs mit dem weltweit gelagerten abgereicherten Uran 80 % der Weltbevölkerung mit einem Pro-Kopf-­Stromverbrauch auf dem Niveau eines durchschnittlichen US-Bürgers über ein Jahrtausend lang versorgen.<ref>L. Wood, T. Ellis, N. Myhrvold, R. Petroski: Exploring The Italian Navigator’s New World: Toward Economic, Full-Scale, Low Carbon, Conveniently-Available, Proliferation-Robust, Renewable Energy Resources. 42nd Session of the Erice International Seminars on Planetary Emergencies, Erice, Italy, 19024 August (2009).</ref> Hinzu kommen noch ca. 4,5 Milliarden Tonnen Uran, welches sich in gelöster Form in Meerwasser befindet.<ref name="Japan_sponges">{{#if:

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Prinzipiell könnten TWRs abgebrannte Brennelemente aus LWRs verwenden. Dies ist möglich, da diese verbrauchten Brennelemente hauptsächlich aus abgereichertem Uran bestehen und da die Absorption der schnellen Neutronen des TWR an Spaltprodukten um einige Größenordnungen kleiner ist als die der thermischen Neutronen im LWR.

TWRs sind außerdem im Prinzip in der Lage, ihren eigenen Brennstoff wiederzuverwerten. Das abgebrannte Material aus dem TWR enthält immer noch spaltbares Material. Durch Umformung und Neuverkapselung in neue Pellets kann der Brennstoff ohne chemische Wiederaufarbeitung wieder in TWRs verwendet werden. Damit entfällt die Notwendigkeit der Urananreicherung.

Mögliche Probleme

Der Grund, weshalb das Konzept des LW-Reaktors noch nicht real umgesetzt worden ist, liegt darin, dass einige Probleme auftreten, welche teilweise ähnlich wie bei anderen Brutreaktoren sind:

  • Der Reaktor arbeitet mit relativ hohen Kerntemperaturen von ca. 550 °C (ca. 820 K), während vergleichbare Leichtwasserreaktoren bei ca. 330 °C arbeiten. Dadurch verkürzt sich die Lebensdauer der beteiligten Systeme.<ref>M. L. Wald: <templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />{{#if:20120504090500
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            }} 
       }}
  }} In: MIT Technology Review. März/April 2009. (englisch)</ref>
  • Durch den hohen Material- und Neutronenumsatz werden die Brennelemente mechanisch sehr beansprucht.
  • Bauartbedingt erfolgt die Erhitzung des Kerns nicht gleichmäßig, sondern in einer begrenzten Zone, welche stets die komplette Leistung des Reaktors erzeugt.
  • Die geplante Natriumkühlung birgt ein inhärentes Sicherheitsrisiko. Daher ist zwischen dem Primärkreislauf und dem Wasser-Dampf-Kreislauf noch ein weiterer Natriumkreislauf zwischenzuschalten, damit im Fall einer Leckage nur nicht-radioaktives Natrium mit Wasser reagiert (siehe hierzu auch unter Brutreaktor).

Einzelnachweise

<references responsive />

Abgerufen von „https://wiki-de.moshellshocker.dns64.de/index.php?title=Laufwellenreaktor&oldid=1928736“