Thoriumfluorid-Flüssigsalz-Reaktoren (LFTR) Eine interessante Alternative zur etablierten Atomkraft

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1 Thoriumfluorid-Flüssigsalz-Reaktoren (LFTR) Eine interessante Alternative zur etablierten Atomkraft Symposion der Piratenpartei Sachsen-Anhalt, Dessau, 31. März 2012 Dominik Wondrousch

2 Inhalt Einführung und Motivation Grundlagen der Atomkraft Uran-Leichtwasserreaktoren und ihre Probleme Der Thoriumfluorid-Flüssigsalz-Reaktor Zusammenfassung

3 Thorium Metall, 1828 entdeckt, schwach radioaktiv Benannt nach Thor, dem Donnergott Reichlich vorhanden (3x Zinn, 4x Uran, 5000x Gold) 36. häufigstes Element in der Erdkruste (1 t 6 g Th) kaum wirtschaftliche oder technische Anwendungen Nebenprodukt bei der Gewinnung vieler andere Metalle

4 Thorium Metall, 1828 entdeckt, schwach radioaktiv Benannt nach Thor, dem Donnergott Reichlich vorhanden (3x Zinn, 4x Uran, 5000x Gold) 36. häufigstes Element in der Erdkruste (1 t 6 g Th) kaum wirtschaftliche oder technische Anwendungen Nebenprodukt bei der Gewinnung vieler andere Metalle Energie: 1 kg Th 200 kg Uran kg Kohle

5 Thorium Metall, 1828 entdeckt, schwach radioaktiv Benannt nach Thor, dem Donnergott Reichlich vorhanden (3x Zinn, 4x Uran, 5000x Gold) 36. häufigstes Element in der Erdkruste (1 t 6 g Th) kaum wirtschaftliche oder technische Anwendungen Nebenprodukt bei der Gewinnung vieler andere Metalle Energie: 1 kg Th 200 kg Uran kg Kohle

6 LFTR viele Versprechungen Kleinere und sicherere Reaktoren Kostengünstiger in der Herstellung Beseitigen Probleme der Leichtwasserreaktoren Produzieren bis zu mal weniger Atommüll, der in wenigen Jahrzehnten ungefährlich ist Verbrennen bestehenden Atommüll Erzeugen wichtige Stoffe für Medizin und Industrie Reduzieren den CO 2 -Gehalt in der Atmosphäre

7 Grundlagen der Atomkraft Atome Elektronen (Chemie) + Kern (Physik)

8 Grundlagen der Atomkraft Atome Elektronen (Chemie) + Kern (Physik) Kern Protonen + Neutronen

9 Grundlagen der Atomkraft Atome Elektronen (Chemie) + Kern (Physik) Kern Protonen + Neutronen Elemente = gleiche Anzahl Protonen (Z) Proton

10 Grundlagen der Atomkraft Atome Elektronen (Chemie) + Kern (Physik) Kern Protonen + Neutronen Elemente = gleiche Anzahl Protonen (Z) Isotope = Elemente mit verschiedener Anzahl Neutronen (N) Neutron Proton

11 Grundlagen der Atomkraft Atome Elektronen (Chemie) + Kern (Physik) Kern Protonen + Neutronen Elemente = gleiche Anzahl Protonen (Z) Isotope = Elemente mit verschiedener Anzahl Neutronen (N) Mediales Problem: Jod Jod, Uran Uran Neutron Proton

12 Grundlagen der Atomkraft Atome Elektronen (Chemie) + Kern (Physik) Kern Protonen + Neutronen Elemente = gleiche Anzahl Protonen (Z) Isotope = Elemente mit verschiedener Anzahl Neutronen (N) Mediales Problem: Jod Jod, Uran Uran Neutron Proton

13 Grundlagen der Atomkraft Atome Elektronen (Chemie) + Kern (Physik) Kern Protonen + Neutronen Elemente = gleiche Anzahl Protonen (Z) Isotope = Elemente mit verschiedener Anzahl Neutronen (N) Symbol: Th Th + Neutron Proton

14 Grundlagen der Atomkraft Atome Elektronen (Chemie) + Kern (Physik) Kern Protonen + Neutronen Elemente = gleiche Anzahl Protonen (Z) Isotope = Elemente mit verschiedener Anzahl Neutronen (N) Symbol: 232 Th oder Th Th + Neutron Proton

15 Grundlagen der Atomkraft Atome Elektronen (Chemie) + Kern (Physik) Kern Protonen + Neutronen Elemente = gleiche Anzahl Protonen (Z) Isotope = Elemente mit verschiedener Anzahl Neutronen (N) Isotope sind unterschiedlich instabil Th-233 Th Neutron Unterschied 22,3 Minuten 14 Milliarden Jahre

16 Grundlagen der Atomkraft Instabile Isotope wandeln sich um?

17 Grundlagen der Atomkraft Instabile Isotope wandeln sich um Alphastrahler Ra Th 4 He

18 Grundlagen der Atomkraft Instabile Isotope wandeln sich um Alphastrahler, Betastrahler Ac Ra Elektron

19 Grundlagen der Atomkraft Instabile Isotope wandeln sich um Alpha-, Beta- und Gammastrahler g g Ni 60m 60 Ni g

20 Grundlagen der Atomkraft Instabile Isotope wandeln sich um Alpha-, Beta- und Gammastrahler Spontanzerfall 140 Xe U 96 Sr

21 Grundlagen der Atomkraft Instabile Isotope wandeln sich um Alpha-, Beta- und Gammastrahler Spontanzerfall Natürliche Vorgänge, liefern Energie als Zerfallswärme Statistischer Prozess: wann es passiert, ist Zufall Exponentieller Zerfall mit spezifischer Halbwertszeit Zerfallsprodukte selbst oft instabil Zerfallsreihen Nicht provozierbar Nicht steuerbar Nicht abrufbar

22 Grundlagen der Atomkraft Halbwertszeit Kurze Halbwertszeiten, große Aktivität Große Halbwertszeiten, kleine Aktivität Mittlere Halbwertszeiten problematisch

23 Grundlagen der Atomkraft Atomkerne können mit Neutronen wechselwirken 3 Möglichkeiten: Streuung, Neutroneneinfang und Fission Wahrscheinlichkeit ist abhängig vom Isotop und der Geschwindigkeit des Neutrons (Neutronenquerschnitt) Neutroneneinfang lässt sich durch Energiespektrum steuern Neutroneneinfang 232 Th 233 Th + 1 n 14 Milliarden Jahre Aktivierung 22,3 Minuten

24 Grundlagen der Atomkraft Fission = Kernspaltung durch Neutroneneinfang induziert damit gezielt auslösbar Ba + U Kr 36

25 Grundlagen der Atomkraft Fission = Kernspaltung durch Neutroneneinfang induziert damit gezielt auslösbar Freisetzen von viel Energie durch Spaltung und Nachzerfall Erzeugt weitere schnelle Neutronen Abbremsen mit Moderator für Kettenreaktion nötig Einfangen von überschüssigen Neutronen

26 Grundlagen der Atomkraft 3 spaltbare Isotope von Bedeutung: 233 U, 235 U, 239 Pu Ausschließlich 235 U kommt in der Natur vor 1 Tonne Uran 992,7 kg 238 U (99.27%) + 7,2 kg 235 U (0.72%) Für Uranreaktoren: Anreichern auf 5% notwendig

27 Grundlagen der Atomkraft 3 spaltbare Isotope von Bedeutung: 233 U, 235 U, 239 Pu Ausschließlich 235 U kommt in der Natur vor 1 Tonne Uran 992,7 kg 238 U (99.27%) + 7,2 kg 235 U (0.72%) Für Uranreaktoren: Anreichern auf 5% notwendig Nicht chemisch möglich, da ein und das selbe Element Aufwändige Anreicherung in Gaszentrifugen: 235 U leichter als 238 U

28 Grundlagen der Atomkraft 3 spaltbare Isotope von Bedeutung: 233 U, 235 U, 239 Pu Ausschließlich 235 U kommt in der Natur vor 1 Tonne Uran 992,7 kg 238 U (99,27%) + 7,2 kg 235 U (0,72%) Für Uranreaktoren: Anreichern auf 5% notwendig 239 Pu und 233 U durch Brüten zugänglich ( fertil fissil ) Neutroneneinfang, 2x Betazerfall n U 239 U (23,5 min) 239 Np (2,4 d) 239 Pu n Th 233 Th (22,3 min) 233 Pa (27 d) 233 U

29 Grundlagen der Atomkraft 3 spaltbare Isotope von Bedeutung: 233 U, 235 U, 239 Pu Ausschließlich 235 U kommt in der Natur vor 1 Tonne Uran 992,7 kg 238 U (99.27%) + 7,2 kg 235 U (0.72%) Für Uranreaktoren: Anreichern auf 5% notwendig 239 Pu und 233 U durch Brüten zugänglich ( fertil fissil ) Neutroneneinfang, 2x Betazerfall n U 239 U (23,5 min) 239 Np (2,4 d) 239 Pu n Th 233 Th (22,3 min) 233 Pa (27 d) 233 U Thorium muss nicht angereichert werden ( 232 Th 100%)

30 Leichtwasserreaktoren Im Wesentlichen 2 Reaktortypen: Siedewasserreaktor und Druckwasserreaktor Leichtes Wasser: Moderator und Wärmetransport Angereichertes Uranoxid (5% 235 U) als Brennstäbe

31 Siedewasserreaktor

32 Leichtwasserreaktoren Im Wesentlichen 2 Reaktortypen: Siedewasserreaktor und Druckwasserreaktor Leichtes Wasser: Moderator und Wärmetransport Angereichertes Uranoxid (5% 235 U) als Brennstäbe Siedewasserreaktor Kontaminiertes Wasser in Turbine 286 C und 71 bar Druck Wasser wird direkt verdampft Druckwasserreaktor Zweiter Wasserkreislauf mit Turbine (keine Kontamination) 315 C und 157 bar Druck Wasser im 1. Kreislauf flüssig, verdampft Wasser im 2.

33 Leichtwasserreaktoren Leichtes Wasser: Moderator und Wärmetransport Leichtes Wasser = gewöhnliches Wasser ( 1 H) 2 O Guter Moderator (streut Neutronen) Aber absorbiert Neutronen: n + 1 H 2 H mehr Neutronen notwendig, mehr Brennstoff eingesetzt Hohe Temperatur notwendig für guten Wirkungsgrad Niedrige Siedetemperatur = hoher Druck notwendig Schlechter Wärmeüberträger

34 Leichtwasserreaktoren Brennstäbe: Angereichertes Uranoxid (5% 235 U) Feststoff (Keramik), Wärmeübertrag nur an Oberfläche Spaltprodukte z.t. gasförmig (Xe,Rn), kein Entweichen Thermische Belastung der Brennstäbe ( 238 U, Np, Pu) Neutroneneinfang langlebige Transurane Kein Entfernen von Spaltprodukten Brennelemente werden brüchig

35 Leichtwasserreaktoren Brennstäbe: Angereichertes Uranoxid (5% 235 U) Viel Brennmaterial nötig (100 Tonnen im Reaktor) Zeitiger Austausch (⅓ der Stäbe alle Monate) Lagerung von 1 3 Jahren im Abklingbecken Nur ein Bruchteil des Brennstoffs verbrannt Aufarbeitung (Stofftrennung, Anreicherung) unökonomisch Nur wenige Zyklen, dann Einlagerung (95% ungenutzt)

36 Leichtwasserreaktoren Sicherheitsaspekte Überhitzung regelt Reaktor herunter (neg. Voidkoeffizient) Reaktorabschaltung durch Kontrollstäbe bei Stromausfall Druckabfall Wasser wird sofort zu Dampf (keine Kühlung) Nachwärme (ca. 7% des Betriebs) Problem ohne Kühlung Überhitzen (sogar Schmelzen) der Brennstäbe möglich Bei hoher Temperatur Bildung von Knallgas (Explosion)

37 Thoriumfluorid-Flüssigsalz-Reaktor LFTR Brutreaktor: 232 Th als fertiles und 233 U als fissiles Material Komplett anderes, kompakteres Reaktordesign Hohe Temperatur (>800 C), Atmosphärendruck (1 bar) Keine Brennstäbe, kein Wasser

38 Thoriumfluorid-Flüssigsalz-Reaktor LFTR

39 Thoriumfluorid-Flüssigsalz-Reaktor LFTR Wasserentsalzung Wasserstoff- oder Methanol-Produktion

40 Thoriumfluorid-Flüssigsalz-Reaktor LFTR Brutreaktor: 232 Th als fertiles und 233 U als fissiles Material Komplett anderes, kompakteres Reaktordesign Hohe Temperatur (>800 C), Atmosphärendruck (1 bar) Keine Brennstäbe, kein Wasser Salzschmelze Neutronen besser genutzt: 1 Tonne Thorium im Reaktor Bedarfsgerechtes Erbrüten von 233 U Neutronenabschirmung durch 232 Th-Blanket Entnahme und Zugabe von Stoffen während des Betriebs Abfuhr von Spaltprodukten, vollständiges Verbrennen

41 Thoriumfluorid-Flüssigsalz-Reaktor LFTR Vorteile Salzschmelze: sehr guter Wärmeleiter, direkte Konvektion Hohe Temperatur hoher Wirkungsgrad (50%) Abwärme vielfach nutzbar: Methanol aus CO 2 der Luft Selbstständige Temperaturregulierung durch Ausdehnen und Zusammenziehen der Salzschmelze Salz erstarrt unterhalb von 600 C, chemisch stabil, nicht brennbar, reagiert weder mit Luft noch Wasser

42 Thoriumfluorid-Flüssigsalz-Reaktor LFTR Vorteile Drucklos: keine großräumige Verteilung bei Defekt Inhärente Sicherheit durch Freeze Plug und Passivkühlung Fährt notfalls ohne menschliches Eingreifen herunter Verbesserte Sicherheit Kleine Reaktoren, industriell fertigbar, kostengünstig Dezentral einsetzbar

43 Thoriumfluorid-Flüssigsalz-Reaktor LFTR Vorteile Medizinisch ( 99 Mo für PES) und technisch ( 238 Pu-Batterie) wichtige Isotope zugänglich Zusatz und Verbrennen bestehenden Atommülls Kleine Beladung, hoher Abbrand weniger Abfall: 83% nach 10 Jahren, 17% nach 300 Jahren unbedenklich Chemische Aufbereitung und Recycling direkt vor Ort

44 LFTR viele Versprechen Kleinere und sicherere Reaktoren Kostengünstiger in der Herstellung Beseitigen Probleme der Leichtwasserreaktoren Produzieren bis zu mal weniger Atommüll, der in wenigen Jahrzehnten ungefährlich ist Verbrennen bestehenden Atommüll Erzeugen wichtige Stoffe für Medizin und Industrie Reduzieren den CO 2 -Gehalt in der Atmosphäre

45 232 Th ank you 90

46 Literatur Wikipedia (en+de, LFTR, MSR, Thorium, Uran, Plutonium, Siedewasser- und Druckwasserreaktor, Thorium fuel cycle, Neutron cross section, Radioaktivität, ) Hargraves R, Moir R (2010) American Scientist 98: 304 Cooper N, Minakata D, Begovic M, Crittenden J (2011) Environ. Sci. Technol. 45: 6237, DOI: /es MacPhearson HG (1985) Nuclear Sci. Eng. 90: LFTR Graphik: angepasste Version basiert auf Original von Adam Freidin (CC-by) Andere Graphiken: Originale oder Bearbeitungen gemeinfreier Werke oder in Fair-Use

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