Was taugen Reststoffe schneller Brutreaktoren?

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💡 Zusammenfassung (Abstract). Untersucht werden Möglichkeiten der Nachbehandlung bzw. Weiterverwertung von Spaltnukliden, die als Reststoffe einen schnellen Brutreaktor – z.B. den Belojarsker BN800’er oder einen künftigen DFR etc. – verlassen. Es sollten Optionen sowohl einer energetischen Weiterverwertung als auch einer radiotoxischen Entschärfung dieser Stoffe ausgelotet werden.
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ZerfallsNuklide
Quelle: https://en.wikipedia.org/wiki/Long-lived_fission_product

Man kann vortrefflich darüber debattieren, ob eine solche Fragestellung sehr viel an jenem Aufklärungspotential in sich birgt, was das Hauptanliegen der „AG Energetik“ ausmacht. So erfuhr ich im Vorfeld zwar nicht gleich harsche Kritik, aber schon etwas kritische Hinterfragungen, frei nach dem Motto, wen interessiert schon der Rest von dem ursprünglich so problematischen „Atommüll“? Man sollte doch darin nicht mehr „rumwühlen“ und außerdem leistet man dadurch einem Framing der Anti-Atomkraft Bewegung Vorschub, die zu jeder Lösung im Bereich der Kernenergie das passende Problem braucht.

Doch gerade das mit dem Framing sehe ich ganz anders. Vielmehr meine ich selber einen Frame zu setzen und zwar um die Frage nach all den Brütern und schnellen Neutronen überhaupt! Für mich ist Genenation 4 eben nicht mehr die Frage des Ob, sondern evtl. des Wie bzw. Wann. Oder aber „Was taugen Reststoffe von…“. Ganz bewusst frage ich nicht „wohin damit“. Wenn das kein Framing ist… 😉

Soweit so gut. Damit ist aber die Frage immer noch nicht beantwortet, was das alles mit dem Hauptanliegen der „AG Energetik“ zu tun hat, das unverändert darin besteht, eine Aufklärung in Physik zu betreiben, Methoden der Erkenntnisgewinnung zu vermitteln etc. Nun, diese Frage scheint dann doch relativ einfach zu sein. Denn die Erfahrungen gerade mit Quantencomputing haben gezeigt, dass eine noch so abgehobene Physik die wirklich Wissbegierigen zumeist jungen Leute überhaupt nicht abschreckt; eher ist das Gegenteil der Fall. Fragen à la „Was passiert, wenn wir den Brennstoff länger im Reaktor belassen?“ oder „Wie reagieren Spaltnuklide, denen wir eine Neutronendusche verpassen?“ zeugen von einer doch sehr großen Gier nach Informationen und zwar in einer Disziplin, die immer noch zu den unerwünschten da politisch nicht korrekten 🙄 dazu zu rechnen ist.

Und bei dieser Begründung für die Namensgebung unserer AG wollen wir es auch bewenden lassen. Denn es würde den Rahmen des Blogs klar sprengen, mögliche Anwendungsgebiete für all die Spaltnuklide der Aktinide zu erörtern. Klar, bei einem Blick auf https://en.wikipedia.org/wiki/Fission_products_(by_element) läuft einem das Wasser im Mund zusammen. Denn da gibt es allerhand wertvolle Stoffe – von seltenen Erden über Refraktärmetalle bis hin zu Edelmetallen – häufig bereits in stabiler (also nicht-strahlender) Form. Dennoch lassen wir es mit dem lapidaren Hinweis auf die Fachliteratur gut sein und konzentrieren uns fortan auf die Frage, ob und wenn ja, wie die radioaktiven Spaltnuklide, etwa die problematischen 127Cs und 90Sr, radiotoxisch entschärft werden können. Mit anderen Worten, wir legen nun los unter der eigentlichen Überschrift:

Wie kann man die Radiotoxizität der Reststoffe loswerden? Die AG Teil 1

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Dual Fluid Reaktor (DFR) © IFK
Die integrierte PPU (Pyroprocessing Unit) verspricht eine sortenreine Trennung der Reststoffe. Sollte darüber hinaus eine Isotopen-bezogene Trennung möglich sein, wäre das Problem der Rest-Radiotoxizität unter Gewinnung von überaus wertvollen Stoffen vollständig gelöst.

Bereits ein kurzer Blick auf die rechte Hälfte der obigen Tafel lässt einen schon staunen. Denn dass die Spaltung von 235U eine Fülle von Isotopen hervorbringen würde (die dann womöglich jeweils anders zu behandeln wären) lässt sich nun wahrlich nicht behaupten. Vielmehr sehen wir eine überschaubare Anzahl von Nukliden – gerade mal ein Dutzend – die sich offensichtlich in zweierlei Gruppen aufteilen lassen:

    • MLFP (medium-lived fission products): 155Eu, 90Sr, 85Kr, 113mCd, 137Cs, 151Sm, 121mSn;
    • LLFP (long-lived fission products): 99Tc, 126Sn, 79Se, 93Zr, 135Cs, 107Pd, 129I .

Dazwischen sowie unterhalb MLFP’s wie auch oberhalb der LLFP’s gibt es schlicht nichts und das verspricht schon mal die Sache zu vereinfachen. Denn auch wenn unser DFR nicht dafür gedacht ist, ausgerechnet das 235U zu spalten, sind obige Isotope Bestandteil von dem sog. „Atommüll“, also kommen sie zunächst als Brennstoff in den DFR rein, sofern sie von der PPU nicht von vorne herein abgetrennt werden. Dass letzteres nicht sinnvoll ist – dazu gleich mehr.

Ein zweites und viel interessanteres Merkmal, das die Zerfallsnuklide ebenfalls voneinader unterscheidet, ist der sog. (Neutronen-) Resonanzquerschnitt , wobei für uns der Einfangsquerschnitt von besonderem Interesse ist. Was gleichermaßen wie bei der Halbwertszeit sofort auffällt, ist, dass es ebenfalls zweierlei Gruppen gibt, in die sich die Zerfallsprodukte einteilen lassen. Es handelt sich auf der einen Seite um Nuklide mit einem im Bereich von ein paar Barn, bis sogar darunter und auf der anderen Seite um solche mit im Bereich einiger kbarn (Kilobarn); letztere haben wir zuvor grün markiert.

➡ (Neutronen-) Resonanzquerschnitte (auch „Wirkungsquerschnitte“) kann man sich vortrefflich als Zielscheiben vorstellen. Trifft ein Neutron genau ins „Schwarze“, ist die Wahrscheinlichkeit eine Resonanz (also eine wie auch immer geartete Wechselwirkung, Eindringen in den Target-Kern etc.) zu erzielen, nahe 1. Je mehr wir uns von dem Mittelpunkt entfernen, umso geringer wird die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung, bis sie außerhalb der Zielscheibe praktisch ausgeschlossen ist. Die Fläche dieser imaginären Zielscheibe ist gerade der Resonanzquerschnitt und wird in Barn angegeben: 1 barn = 10-28 m2.
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Einfangsquerschnitte von einigen Kilobarn, wie wir sie bei den „grünen“ Isotopen ausgemacht haben, bedeuten jedoch nichts anderes, als dass der Neutroneneinfang praktisch sofort erfolgt, also unmittelbar nach Entstehung des jeweiligen Nuklids bzw. nach dessen Beimischung als Brennstoff aus dem sog. „Atommüll“.

Beispiel Europium. 155Eu, mit seinen 3.95 kbarn (!), fängt sich im Nu ein Neutron ein. Das daraus resultierende 156Eu ist mit einem unter 1 barn vor weiteren Neutronen einigermaßen sicher – u.U. Zeit genug um es abzutrennen (dem Flüssigsalz-Kreislauf zu entziehen) und in aller Ruhe den β Zerfall abzuwarten (die Halbwertszeit von 156Eu beträgt 15 Tage). Das hochwertige und stabile 😮 Gadolinium kann bereits nach einigen Wochen „geerntet“ werden:

:mrgreen: (steht für stabil, also nicht strahlend...😉)

Kommt es zu einem weiteren Neutroneneinfang – ob ungewollt oder gar gewollt, falls die PPU dies zu unterscheiden vermag – dann ist es sogar noch besser, denn von 157Eu beträgt lediglich 15 Minuten. Das 157Gd ist zwar mit von 254 kbarn so ziemlich das (Neutronen-) gefräßigste, was es überhaupt gibt, aber das daraus resultierende 158Gd ist wiederum stabil!

Beispiel 137Cs und 90Sr, die beiden „Tschernobyl-Isotope“ 🙄. Es ist nicht einfach, im deutschsprachigen Netz irgendetwas über die beiden Isotope zu erfahren, denn alle Suchmaschinen spuken zunächst mal seitenweise Links zu irgendwelchen radiophoben berichten hierüber. Aber Gott sei Dank beherrschen wir noch die eine oder andere Sprache mehr und können dem Leser ganz saubere Lösung hierfür bieten. Es handelt sich im Wesentlichen um eine Zerfallskette, die jener von dem obigen Europium-Beispiel ähnelt.

So fängt sich beispielsweise 90Sr 4-mal so schnell ein Neutron ein, als selbst das 238U, da 10 barn beträgt. Die Halbwertszeit von 91Sr beträgt aber nicht mehr die furchterregenden 30 Jahre sondern nur noch ca. 160 Minuten (genau 2 Stunden 39 Minuten 36 Sekunden). Also verwandelt sich das ganze schreckliche Strontium binnen eines Tages zu Yttrium, das zwar nicht stabil ist, aber seinerseits mit von 58 Tagen zu Zirkonium mutiert, das bereits stabil ist und ein begehrtes Refraktärmetall darstellt.

:mrgreen:

Sollte die PPU oder welche Vorrichtung auch immer sensibel genug sein und einen weiteren Neutroneneinfang abzuwarten, dann ginge der anschließende doppelte β Zerfall sogar wesentlich schneller:

:mrgreen:

Beim 137Cs scheint die Sache zunächst mal ein Bit komplizierter, weil mit 0.1 barn ca. 20-mal geringer ist als beim 238U. Aber der DFR kann die geringen Mengen von diesem Isotop locker vertragen ohne gleich eine Verstopfung zu erleiden. Der anschließende β Zerfall führt schnurgerade zum stabilen und wertvollen Barium.

:mrgreen:

Weitere evtl. beabsichtigte Neutroneneinfänge beim Cäsium verlängern zwar die β Zerfallsketten, führen aber dennoch zu stabilen Isotopen, wie 139La, 140Ce etc. Dies durchzurechnen wird dem User überlassen.

Zu guter Letzt betrachten wir einen typischen Plutonium-Zerfall:

und widmen uns der Frage, ob mit dem obigen Ansatz – also im Reaktor belassen, Neutroneneinfänge abwarten, abtrennen und abklingen lassen – auch diesen Zerfallsprodukten beizukommen ist und ob es überhaupt Sinn macht.

134Xe beispielsweise, mit seiner Halbwertszeit von 58 Trilliarden Jahre, was das zigfache von Alter des Universums ist 😮, hat sicherlich das Zeug dazu, radiophobe Menschen in echte Depressionen zu stürzen. Jedoch für rational denkende Menschen kann die einzig vertretbare Lösung ➡ nur heißen, abtrennen und das de facto nicht-strahlende Edelgas schön in die Luft entweichen lassen. Die Radiotoxizität ist vielfach geringer, als die der Atemluft!

➡ Nur rein theoretisch, wenn man aus irgendwelchen Gründen (Auftragslage?) z.B. aufs Barium raus sein sollte, könnte man auf von 0.26 barn abstellen und unseren Ansatz weiterverfolgen: da 135Xe einen von ein paar Mbarn hat, können wir mit Fug und Recht von einem doppelten Neutroneneinfang sprechen. Anschließend würden wir noch zwei weitere Neutroneneinfänge abwarten:
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  danach  :mrgreen:
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Mit 103Zr ist die Sachlage hingegen trivial. Dieses Isotop zerfällt in einer Halbwertszeit von nur 1.3 s. ins stabile Niob:

:mrgreen:

 

Fazit Teil 1. Es ist physikalisch und technisch möglich, Reststoffe, wie sie z.B. einen Dual Fluid Reaktor (DFR) verlassen, in stabile (also nicht-radioaktive :mrgreen:) und zumeist wertvolle Stoffe zu verwandeln. Die praktische Realisierung dieser vollständigen Atommüll-Beseitigung, die sich somit lediglich entlang der Geldfrage entscheidet, kann am Ende nur noch an politischen Rahmenbedingungen scheitern.

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