Transmutasjon

Den transmutering (fra det latinske transmutatio : transformasjon), og nukleær transformasjon og element konvertering eller kort omdannelse vises til, er endringen av et kjemisk element til et annet. Antallet protoner i kjernen av atomet endres .

En grunnkonvertering er ikke mulig med kjemiske midler. Det forekommer under forskjellige typer radioaktivt forfall og kjernefysiske reaksjoner ; også dette kalles noen ganger transmutasjon generelt. Omdannelser av grunnstoffer gjennom kjernefysiske reaksjoner skjer i industriell målestokk, spesielt når det genereres energi i kjernefysiske reaktorer , som et biprodukt , men mest som et avfallsprodukt . Det er konsepter for å redusere faren for radioaktivt avfall gjennom transmutasjon.

historie

For alkymister betydde transmutasjon ønsket transformasjon av uedle metaller, som bly eller kvikksølv , til gull eller sølv . Et verktøy var filosofens stein .

Den første atomtransformasjonen ble utført i 1919 av Ernest Rutherford , etter hvilken elementet rutherfordium senere ble oppkalt.

Transmutasjon i kjernefysisk avfallshåndtering

Radiotoksisitet av de forskjellige komponentene i atomavfallet i dagens lette vannreaktorer

Siden 1990-tallet har spesielle teknikker blitt kalt transmutasjon som radioaktivt avfall skal reduseres i sin farlighet ved å konvertere de spesielt langlivede radioaktive komponentene til kortere levetid gjennom kjernefysiske reaksjoner med frie nøytroner . Hovedsakelig handler det om de mindre aktinidene neptunium , americium og curium - nærmere bestemt: nuklidene Np-237, Am-241, Am-243 og Cm-245 - med sine spesielt lange halveringstider . I noen av konseptene skal også plutonium konverteres, selv om plutonium også kan brukes i form av uran-plutonium- MOX-drivstoff i dagens (2015) atomkraftverk. Enkelte konsepter sørger også for transmutasjon av langlivede fisjonsprodukter .

Oppdeling

Før transmutasjonen, i de fleste prosesser, må komponentene som skal behandles - dvs. de mindre aktinidene, avhengig av valgt strategi sammen med plutonium og muligens fisjonsproduktene - skilles fra det brukte ( brukte ) reaktorbrennstoffet. For denne partisjonering ( partisjonering ) må det utvikles kjemiske prosesser som er basert på eksisterende prosesseringer , f.eks. B. PUREX-prosessen . I tillegg til hydrometallurgiske prosesser forskes det også på pyrometallurgiske prosesser, nemlig elektrokjemiske prosesser i et smeltet salt.

Egnet transmutasjonsreaksjon: kjernefisjon

De dominerende reaksjonene til aktinidene med nøytroner er kjernefisjonering og nøytronfangst . Spaltning er prosessen som er ønsket for å forkorte halveringstiden; den leverer også brukbar energi samtidig. Nøytronfangst produserer derimot bare det neste tyngre, noen ganger også langlivede nuklidet.

Fisjonstverrsnitt nuklider med et like antall nøytroner for innfallende termiske nøytroner er liten og bare øker skarpt for nøytron-energiene ovenfor ca. 1 MeV . I motsetning er fangst-tverrsnittet størst for termiske nøytroner for alle nuklider. Av denne grunn vurderes systemer med et "raskt", dvs. ikke moderert, nøytronspektrum hovedsakelig for transmutasjon .

Transmutasjon med kritiske reaktorer

Mindre aktinider

Reaktorer med raske nøytroner kan brukes til å transmutere mindre aktinider. Det har allerede vært eksperimenter på dette, for eksempel i kjernekraftverket Phénix i Frankrike og i EBR-II-anlegget i USA.

Bruken av transmutasjon er også nevnt for begrepet dual-fluid reaktor .

Et prosjekt designet fra begynnelsen for transmutasjon og samtidig energiproduksjon var ASTRID (Advanced Sodium Technological Reactor for Industrial Demonstration), et 600 megawatt atomkraftverk planlagt i Frankrike med en fjerde generasjon natriumkjølt reaktor . Astrid-prosjektet ble midlertidig avviklet i 2019, en videreføring av prosjektet i andre halvdel av inneværende århundre er planlagt. Andre eksisterende eller under konstruksjon raske reaktorer, f.eks. B. den russiske oppdretterreaktoren type BN-800 og BN-1200 kan brukes på denne måten.

Imidlertid kan transmutasjon av mindre aktinider i raske reaktorer føre til sikkerhetsproblemer, som forklart her med BN-800 som et eksempel. I BN-800-reaktoren er det for øyeblikket mulig å transmutere de mindre aktinidene til et 1 GW atomkraftverk som akkumuleres på ett år. Vi jobber med å øke beløpet. For å gjøre dette er det nødvendig å fjerne uran-238 helt fra reaktorkjernen og erstatte den med en inert plassholder. I dette tilfellet ville det være mulig å overføre 90 kg mindre aktinider per år, produksjonen av rundt fem lette vannreaktorer i 1 GW-klassen.

Spaltingsprodukter

Transmutasjonen av langlivede fisjonsprodukter (f.eks. Selen -79, zirkonium -93, teknetium -99, palladium -107, jod -129 og cesium -135) er krevende på grunn av de veldig små fangsttverrsnittene i det raske nøytronspektret . Avhengig av nuklidet kan imidlertid andre reaksjoner, spesielt (n, alfa) reaksjoner, også vurderes. På 1990-tallet ble transmutasjonen av teknetium-99 til kortlivede fisjonsprodukter demonstrert ved ALMR eksperimentelle reaktor i Hanford - med et raskt nøytronspektrum. Det var mulig å overføre betydelig mer teknetium-99 enn det som ble generert samtidig.

Termiske nøytroner vil heller ikke være effektive for transmutasjon, siden det i dette tilfellet vil være behov for bestrålingstider på godt over 100 år. Det er hensyn til å optimalisere spekteret av raske reaktorer av egnede moderatorer for fusjonsprodukttransmutasjonen.

Samlet sett skal det bemerkes at langlivede fisjonsprodukter (hovedsakelig technetium-99 og cesium-135) har en radiotoksisitet som er flere størrelsesordener lavere enn plutonium-239, uran-235/238 eller mindre aktinider , som det fremgår av figuren ovenfor.

Transmutasjon med akselerordrevne reaktorer

De mindre aktinidene kan bare danne en liten blanding i drivstoffet til kritiske reaktorer, fordi ellers vil kritikken ikke oppnås på grunn av deres utilstrekkelige generasjonsfaktor . Denne begrensningen gjelder imidlertid ikke hvis reaktoren drives subkritisk med en ekstern nøytronkilde "drevet" av en partikkelakselerator . Med utviklingen av avskalling nøytronkilder, kraftreaktorer har denne typen som beveges inn i området for det er mulig. Slike akselerasjonsdrevne systemer (ADS) kan bruke alle fissile nuklider til å produsere energi.

To konsepter er spesielt kjent: konseptet av Bowman og M. og energiforsterkeren av Carlo Rubbia og M. (noen ganger også referert til som "Rubbiatron"). Bowmans forslag er det teknologisk mer sofistikerte og "mer radikale" (med transmutasjon av fisjonsproduktene også). Men det førte ikke til detaljert utviklingsarbeid - i hvert fall frem til 2013. Rubbias forslag er nærmere teknologier som allerede er prøvd og testet.

Det europeiske ADS-demonstrasjonsanlegget MYRRHA (multifunksjonell hybrid forskningsreaktor for høyteknologiske applikasjoner) skal bygges ved Mol forskningssenter i Belgia og vil komme i drift rundt 2030. Et ADS-testanlegg ved J-PARC akseleratorsenter i Japan er under bygging og forventes å begynne å operere med transmutasjonsdrivstoff rundt 2020.

Utnyttelse av våpen plutonium

En oppgave knyttet til avfallshåndtering er fredelig bruk (og dermed avhending) av eksisterende våpenplutoniumlagre . Det kan allerede finne sted i dagens (2015) lette vannreaktorer med MOX-drivstoffelementer. I prosessen skaper imidlertid uraninnholdet i drivstoffet nytt, om enn uegnet for våpen, plutonium. Mer effektiv og kanskje mer økonomisk ville være bruken av modifiserte reaktorer, som f.eks. B. foreslått av Galperin og M. under navnet Plutonium forbrenningsovn (plutoniumbrenner). I en konvensjonell Westinghouse trykkvannsreaktor , i stedet for den vanlige drivstoffelementtypen, ville en type med to konsentriske, ulikt ladede soner ( frø og teppe ) bli brukt. Den indre sonen til hver drivstoffsenhet inneholder plutonium men ikke uran og har et høyt moderator-til-drivstoff-forhold; den ytre sonen inneholder avlsmaterialet thorium , hvorfra uran-233 blir produsert, som konsumeres igjen direkte i reaktordriften. Som et kraftverk ville reaktoren levere den elektriske effekten på 1100 megawatt. Av den årlige lasten på 1210 kg våpenplutonium, ville 702 kg bli fjernet ved å splitte. De resterende 508 kg ville ha en høy andel av like nummererte transuraniske elementer (Pu-240, Pu-242, Am-242, Cm-242, Cm-244) og et høyt nivå av spontan fisjonaktivitet og ville derfor være uegnet for militære våpen.

Se også

Wiktionary: transmute  - forklaringer av betydninger, ordets opprinnelse, synonymer, oversettelser

litteratur

  • Ortwin Renn (red.): Partisjonering og transmutasjon - forskning, utvikling, sosiale implikasjoner . München: Herbert Utz Verlag (2014), ISBN 978-3-8316-4380-6
  • Ken Nakajima (red.): Nuklear back-end og transmutasjonsteknologi for avfallshåndtering . Springer, 2014, ISBN 978-4-431-55110-2
  • Mikhail K. Khankhasayev (red.): Nukleære metoder for transmutasjon av atomavfall : problemer, perspektiver, samarbeidsforskning. Proceedings of the International Workshop, Dubna, Russland, 29.- 31. mai 1996 . World Scientific, 1997
Spesielt for partisjonering
  • KL Nash, GJ Lumetta: Avanserte separasjonsteknikker for kjernedrivstoffbehandling og behandling av radioaktivt avfall . Cambridge (Storbritannia): Woodhead Publ. Ltd., 2011, ISBN 978-1-84569-501-9

Individuelle bevis

  1. ↑ en b nukleær transformasjon - i Wissen.de -Lexikon , 2021
  2. ↑ Kjernekonvertering - DWDS , 2021
  3. ↑ Transmutasjon - DWDS , 2021; der også mer presist med " elementkonvertering "
  4. ↑ Transmutasjon - i Wissen.de-Lexikon , 2021; "Den kjernefysiske fysiske transformasjonen ..."
  5. ↑ Transmutasjon - Pons , 2021
  6. ^ F. Soddy: Nobelprisforedrag 1922 , side 372
  7. ↑ J. Bleck-Neuhaus: Elementære partikler . 2. utgave, Springer 2013, ISBN 978-3-642-32578-6 , side 692
  8. ↑ J.-L. Basdevant, J. Rich, M. Spiro: Fundamentals in Nuclear Physics . Springer 2004, ISBN 0-387-01672-4 , side 43, 247
  9. ↑ a b c C. D. Bowman et al.: Atomenergiproduksjon og avfallstransmutasjon ved hjelp av en akselerasjonsdrevet intens termisk nøytronkilde. Nuclear Instruments and Methods A Vol. 320 (1992) s. 336-367
  10. ^ A b C. D. Bowman: Akselerasjonsdrevne systemer for transmutasjon av atomavfall. Årlig gjennomgang av Nuclear and Particle Science Vol. 48 (1998) s. 505-556
  11. ↑ C. Madic et al.: PARTNEW, nye løsemiddelekstraksjonsprosesser for mindre aktinider. Rapport CEA-R-6066, Commissariat à l'Énergie Atomique, 2004
  12. ↑ Renn (se bibliografi), s. 120–123
  13. ↑ Renn (se litteraturliste), side 117
  14. ↑ Experimental Breeder Reactor II i Argonne National Laboratory Experimental Breeder Reactor II
  15. ↑ MK Meyer et al., "The EBR-II X501 minor actinide burning experiment", påfølgende evaluering, publisert i Journal of Nuclear Materials 392, s. 176-183 (2009)
  16. ↑ Nettside om reaktoren med to væsker, [1]
  17. ↑ C. latge: Astrid prosjektet: status og utsikter mot konseptfasen , mai 2014 arkivert kopi ( Memento av 05.03.2016 i Internet Archive )
  18. ↑ https://www.lemonde.fr/economie/article/2019/08/29/nucleaire-la-france-abandonne-la-quatrieme-generation-de-reacteurs_5504233_3234.html
  19. ↑ Bruk av natriumkjølte raske reaktorer for effektiv behandling av plutonium og mindre aktinider [2]
  20. ↑ SFKessler, "Reduksjon av reaktivitetskoeffisienten for natrium-tomrom ved bruk av et technetiumlag", Westinghouse Hanford Company (1993) [3]
  21. ↑ Chiba, S., Wakabayashi, T., Tachi, Y. et al.: Metode for å redusere langlivede fisjonsprodukter ved kjernetransmutasjoner med raske spektrumreaktorer. Scintific Reports 7, 13961 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-14319-7
  22. ↑ Langlivede fisjonsprodukter, www.radioactivity.eu, åpnet 18. desember 2019 [4]
  23. ↑ WT Hering: Anvendt kjernefysikk: introduksjon og oversikt . Teubner 1999, ISBN 978-3-519-03244-1 , side 303
  24. Carm F. Carminati, C. Rubbia et al.: En energiforsterker for renere og utømmelig kjernekraftproduksjon drevet av en partikkelstråleakselerator. Rapport CERN / AT / 93-47 (ET) (1993)
  25. ^ C. Rubbia et al., Conceptual Design of a Fast Neutron Operated High Power Energy Amplifier. Rapport CERN / AT / 95-44 (ET) (1995)
  26. ↑ Renn (se litteraturliste), side 199
  27. ↑ A. Mueller, H. Abderrahim: Omdanning av radioaktivt avfall. Physik Journal Utgave 11/2010, side 33–38
  28. ↑ MYRRHA hjemmeside ( Memento fra 19. februar 2015 i Internet Archive )
  29. ↑ Om MYRRHA
  30. ↑ T. Sasa: ​​Status for J-PARC eksperimenteringsanlegg for transmutasjon (2008) [5]
  31. ^ A. Galperin, M. Segev og M. Todosov: En trykkreaktor plutoniumforbrenningsovn basert på thoriumbrensel og geometri for montering av frøteppe. Nuclear Technology Volume 132 (2000) sider 214-225