Aktiniden-Transmutation am PSI: Internationales Grossexperiment "Megapie"

Der Hintergrund

In einer Reihe von Ländern, insbesondere in Frankreich, den USA und Japan, wird derzeit der Frage nachgegangen, ob es technisch möglich ist, langlebigen radioaktiven Abfall aus der Energieproduktion durch intensive Neutronenbestrahlung in schneller zerfallende Atomkerne umzuwandeln. Dies wird als Transmutation bezeichnet. In Frankreich ist die Forschung sogar per Gesetz verpflichtet, die Perspektiven eines solchen Verfahrens zu untersuchen und bis zum Jahr 2006 einen entsprechenden Bericht vorzulegen. Europaweit ist eine hochrangig besetzte Arbeitsgruppe (Technical Working Group, TWG) unter der Führung von Nobelpreisträger Prof. Carlo Rubia dabei, einen Vorgehensplan für eine entsprechende Demonstrationsanlage zu erarbeiten. Die Grundidee ist relativ einfach: Selbst bei Wiederverwendung des Plutoniums liegt ein wesentliches Problem der langzeitigen Radiotoxizität des nuklearen Abfalls bei den schwereren Transuranen (minor actinides), die im Kernreaktor durch Neutroneneinfang aus dem im Brennstoff enthaltenen ²³⁸U entstehen. Diese sehr langlebigen radioaktiven Elemente sind durch Neutronen spaltbar und könnten daher im Prinzip selbst als Kernbrennstoff eingesetzt werden. Damit fände unter Energiefreisetzung eine Umwandlung in überwiegend kurzlebige Kerne statt. Allerdings gibt es da eine Reihe von Schwierigkeiten:
Die Spaltung der Transurane erfordert Neutronen höherer Energie als die Spaltung des ²³⁵U. Eine Wasserkühlung solcher Reaktoren wäre somit nicht möglich, weil dadurch die Neutronen zu stark abgebremst würden. Es wird deshalb die Kühlung mittels eines Gases oder eines flüssigen Metalls diskutiert. Die Reaktoren dürften auch kein ²³⁸U enthalten, weil sonst ständig neue Transurane gebildet würden. Dabei entfällt jedoch weitgehend der für die Stabilität des Betriebs konventioneller Reaktoren wichtige Doppler-Effekt, der die Reaktivität mit steigender Temperatur im Kern absinken lässt. Des Weiteren entstehen bei der Spaltung der Transurane weniger verzögerte Neutronenemitter, die aber für die Kontrolle des Reaktors ebenfalls von wesentlicher Bedeutung sind. An das Kontrollsystem wären folglich deutlich höhere Anforderungen zu stellen.
Zusammenfassend ist somit zu sagen, dass die Verbrennung von langlebigem radioaktivem Abfall in kritischen Reaktoren zwar theoretisch möglich ist, praktisch aber deutlich grössere Schwierigkeiten bereitet als der Betrieb der heute üblichen Kernkraftwerke. Aus diesem Grund wurde die Idee geboren, solche Anlagen durch einen entsprechenden Aufbau des Kerns unterkritisch auszulegen und die zur Aufrechterhaltung des Betriebs nötigen Neutronen von aussen zuzuführen. Eine solche Anlage stellt sich von selbst ab, wenn die Neutronenzufuhr unterbrochen wird. Für die Erzeugung der Zusatzneutronen kommt der Spallationsprozess in Frage, wie er auch in der Forschungs-Neutronenquelle SINQ des PSI genutzt wird. Hier werden aus schweren Materialien wie z.B. Blei durch Beschuss mit energiereichen Teilchen, meist Protonen, eine grosse Zahl von Neutronen freigesetzt. Da ein Beschleuniger erforderlich ist, um das System zu treiben, spricht man allgemein von beschleuniger-getriebenen Systemen (Accelerator Driven Systems, ADS). Die von den Protonen getroffene Anordnung aus schwerem Material wird als Target bezeichnet.
Neben der Frage, wie der zuverlässige Betrieb eines Beschleunigers von mehreren Megawatt Strahlleistung sichergestellt werden kann, sind es vor allem drei Probleme, an denen zur Zeit aktiv geforscht wird. Das ist erstens die Entwicklung eines geeigneten Brennstoffs und des dazugehörigen Wiederaufarbeitungsverfahrens, zweitens die Einkopplung einer externen Neutronenquelle in eine unterkritische Anordnung und drittens die Auslegung eines Spallationstargets, das für einen solchen Einsatz geeignet ist. Dies dürfte ein Target aus flüssigem Schwermetall sein, einer eutektischen Legierung aus Blei und Wismut. Der PSI-Beschleuniger und die bestehende SINQ-Anlage eignen sich dank der bereits vorhandenen technischen Voraussetzungen dazu, ein solches Targetsystem zu erproben. Es steht bereits ein Protonenstrahl von geeigneter Stärke zur Verfügung (das PSI hält zur Zeit mit 2 mA bei 590 MeV den Weltrekord bezüglich des beschleunigten Protonenstroms), zudem sind genügend Abschirmung und ein ausreichend dimensioniertes Wärmeabfuhrsystem vorhanden. Allerdings wird die Anlage derzeit mit einem Target aus festem Blei betrieben, das nahe an der Grenze der möglichen Wärmebelastung ist.

Internationale Zusammenarbeit
Im Jahre 1998 fragten das französische CEA und das deutsche Forschungszentrum Karlsruhe das PSI an, ob die Bereitschaft bestünde, ein Flüssigmetall-Target-Experiment durchzuführen. Binnen kurzer Zeit meldeten weitere Forschungseinrichtungen ihr Interesse an einer Beteiligung an. Zur Zeit ist die Zusammenarbeitsvereinbarung von CEA und CNRS, Frankreich, ENEA, Italien, FZK, Deutschland, SCK.CEN, Belgien und dem PSI unterschrieben. Das Interesse an einer Beteiligung haben zudem angemeldet: JAERI, Japan, KAERI, Korea, Department of Energy (DOE), USA, und Royal Institute of Technology, Schweden. Dies zeigt deutlich, welche Bedeutung dem Experiment und den dabei zu gewinnenden Erfahrungen weltweit zugemessen wird. Diese Forschungseinrichtungen bringen dabei mehr als nur eine finanzielle Beteiligung ein, da sie alle aktiv an ADS-relevanten Projekten arbeiten und teilweise auch entsprechende Forschungseinrichtungen betreiben. Das Vorhaben wurde mittlerweile unter dem Namen Megapie (MEGAwatt PIlot Experiment) in Angriff genommen.

Das Interesse des PSI an Megapie
Beim Einsatz eines Flüssigmetall-Targets in der SINQ müsste der Protonenstrahl nicht mehr durch das Kühlwasser geschossen werden wie bei den heute genutzten Feststoff-Targets. Dadurch entstünde wesentlich weniger Radioaktivität im Kühlwasser. Dies hätte eine geringere Belastung der gesamten Kreislauf-Instrumentierung und eine niedrigere Dosisleistung in der Kühlzentrale zur Folge. Die Neutronenausbeute würde laut Berechnungen um etwa 50% ansteigen, was für die Nutzung der SINQ als Forschungs-Neutronenquelle von zentraler Bedeutung wäre.

Warum ein Flüssigmetall-Target?
Neben den oben genannten Gründen sind es vor allem zwei weitere Argumente, die für den Einsatz eines Flüssigmetall-Targets in einem künftigen ADS sprechen: Einerseits besteht die Möglichkeit, sehr hohe Leistungsdichten zu beherrschen, und andererseits können in einer Flüssigkeit keine strukturellen Strahlenschäden auftreten.
Die vom Protonenstrahl in das Target eingetragene Energie wird in diesem zu etwa 60% in Wärme umgesetzt, dies bei nur wenigen Liter Volumen. Das getroffene Material heizt sich somit sehr schnell auf und muss intensiv gekühlt werden. Bei einem Flüssigmetall braucht diese Kühlung aber nicht am Ort der Aufheizung zu erfolgen, sondern kann durch Umpumpen an einem entsprechend ausgelegten Wärmetauscher durchgeführt werden. Der Targetbereich muss dementsprechend nicht durch Kühlkanäle verdünnt werden. Zudem führen häufige Strahlausfälle bei einer Flüssigkeit nicht zu thermischem Ermüden, wie dies bei Festkörpern zu beobachten ist.
Ein bekanntes Phänomen ist die Veränderung der Materialeigenschaften von Festkörpern unter Bestrahlung, die sich im Allgemeinen in Verhärtung und Verlust der plastischen Eigenschaften äussert, jedoch stark von Bestrahlungsbedingungen - insbesondere der Temperatur - abhängt. Bei einem Flüssigmetall-Target ist dieses Problem natürlich in der Hülle ebenfalls vorhanden, aber es besteht die Möglichkeit, ein Hüllmaterial mit besonders guten Strahlungseigenschaften auszuwählen, ohne auf seine Neutronenausbeute Rücksicht nehmen zu müssen. Ausserdem besteht bei der Wahl der Betriebstemperatur mehr Spielraum als bei einem wassergekühlten Feststofftarget, dessen Hülle zudem noch unter Druck stehen muss, um lokales Sieden des Wassers zu verhindern. Um bei dieser Materialwahl eine fundierte Entscheidung treffen zu können, werden seit Jahren in die SINQ-Targets Testproben eingebaut, die nach der Bestrahlung im Hotlabor auf ihre Materialeigenschaften untersucht werden. Favorisiert wird derzeit ein nickelarmer Chromstahl als Strukturmaterial, der sich neben einer geringen Strahlenempfindlichkeit auch durch gute Korrosionsbeständigkeit, gute Wärmeleitung und geringe thermische Ausdehnung auszeichnet.

Targetkonzept und Zeitplan
Zur Gewährleistung einer guten Neutronenausbeute sollte das Target aus Material mit möglichst hohem Atomgewicht bestehen. Da das Target zudem flüssig sein soll, ist auch ein relativ niedriger Schmelzpunkt von Vorteil. Quecksilber, mit einer atomaren Masse von 200 und einem Schmelzpunkt bei Zimmertemperatur, besitzt einen relativ hohen Dampfdruck, was bezüglich der Ausdampfung in einen unvermeidbaren Gasraum von Nachteil ist. Als besser geeignet wird ein Material mit hohem Siedepunkt, wie Blei oder Wismut (Massenzahlen 207,2 und 209), angesehen. Glücklicherweise gibt es eine Mischung dieser beiden Elemente (45% Pb, 55% Bi), die bereits bei einer Temperatur von 125°C schmilzt. Diese Legierung wurde deshalb für praktisch alle Projekte in Transmutationsanlagen und auch für Megapie als Targetmaterial ausgewählt. Die Umwälzung dieser Legierung geschieht mit Hilfe einer elektromagnetischen Pumpe, die völlig ohne bewegte Teile funktioniert und daher wartungsfrei ist. Allerdings muss im vorliegenden Fall ihre Isolation aus strahlenbeständigem Material bestehen. Zu beachten ist, dass das Targetmaterial nicht einfrieren darf, falls der Protonenstrahl für kürzere oder längere Zeit ausfällt. Deshalb ist im Target einerseits eine Hilfsheizung untergebracht, andererseits wird aber auch ein besonderes Wärmeabfuhr-Konzept entwickelt. Es beruht auf dem Einsatz eines Zwischenkühlkreislaufs, dessen Temperatur über dem Schmelzpunkt des BleiWismut liegt und mit einem Fluid betrieben wird, welches bei Atmosphärendruck erst oberhalb der höchsten im System auftretenden Temperatur siedet. Der gesamte Stahlbehälter, der das Flüssigmetall einschliesst, wird zusätzlich von einer Schutzhülle umgeben sein. Sie ist im Bereich des Protonenstrahl-Eintritts doppelwandig und mit separater Wasserkühlung ausgeführt. Der evakuierte Zwischenraum zwischen den Hüllen wird sowohl auf Gaseintritt wie auch auf Eintritt von Flüssigmetall überwacht.
Der Einbau des Megapie-Targets in die SINQ ist für das Frühjahr 2004 vorgesehen. Es soll dann ein Jahr in Betrieb bleiben, etwa halb so lange wie das derzeitige Feststofftarget. Dies nicht nur als Vorsichtsmassnahme, sondern auch bedingt durch den Abgabetermin des Berichts an die französische Regierung im Jahre 2006. Die vorgesehenen Nachbestrahlungs-Untersuchungen müssen im Jahr 2005 weit fortgeschritten sei, wenn dafür mehr als nur eine Vollzugsmeldung vorliegen soll. Aus diesem Grund werden derzeit mit grossem Nachdruck die Details des technischen Konzepts sowie der für die Baubewilligung erforderliche Sicherheitsbericht ausgearbeitet.
(Gekürzte Fassung eines Beitrags im "PSI-Spektrum" 1/01; vgl. auch: G.S. Bauer, M. Salvatores, G. Heusener, "Megapie, a 1 MW pilot experiment for a liquid metal spallation target", J. Nucl. Mat. 2001, im Druck)