Description: Notiz 430008-1 Version: 1 10.02.2020 Bearbeiter: A. Rübel, J. Mönig, J. Wolf Abschätzung der im Endlager für hochradioaktive Abfälle durch den Alphazerfall produzierten Menge Helium Beim Alphazerfall von radioaktiven Stoffen wird bei jedem Zerfall ein Helium-4-Atomkern erzeugt, der durch Elektroneneinfang zu einem Atom des Edelgases Helium umgewan- delt wird. In einem Endlager für radioaktive Abfälle entsteht auf diese Weise mit der Zeit eine zunehmende Menge an Heliumgas. Im Folgenden wird grob abgeschätzt, welche Gasmenge durch diesen Prozess im Nachweiszeitraum von einer Million Jahren gebildet wird und welche Relevanz der Prozess für die Entwicklung des Endlagers hat. Auf Grund der vergleichsweise großen Menge an Alphastrahlern in ausgedienten Brenn- elementen wird für die Abschätzung im Folgenden ausschließlich dieser Abfalltyp be- trachtet. In verglasen hochaktiven Abfällen ist der relative Anteil an Aktiniden durch die Wiederaufarbeitung deutlich reduziert. Das Gesamtaktivitätsinventar IGes der endzula- gernden ausgedienten SWR, DWR und MOX-Brennelemente in Deutschland ist in den Endlagersystemberichten zum Vorhaben RESUS angegeben, wie z. B. (RESUS, 2019). Solange die Endlagerbehälter intakt sind, sammelt sich das durch den Alphazerfall ge- bildete Helium zunächst im Inneren jedes einzelnen Behälters an. Daher ist es sinnvoll, eine Betrachtung für einen Behälter durchzuführen. Entsprechend dem Endlagerkonzept für das Endlagersystem in einer Tongesteinsformation größerer Mächtigkeit im Vorha- ben RESUS wird im Folgenden von einer Beladung jedes Brennelementbehälters mit 1,9 Brennelementen und einer Gesamtzahl von 11 159 Behältern ausgegangen (RESUS, 2019). Daraus ergibt sich das in Tabelle 1 angegebene Aktivitätsinventar eines einzelnen Behälter IBeh. In Tabelle 1 sind nur diejenigen Radionuklide des Nuklidspekt- rums angegeben, die einen Alphazerfall aufweisen. Beim radioaktiven Zerfall entstehen unter Umständen Tochternuklide, die ebenfalls radi- oaktiv sein und wiederum durch Alphazerfall zerfallen können. Der Zerfallsprozess wird solange fortgesetzt, bis das ursprüngliche Radionuklid durch den radioaktiven Zerfall in 1 ein stabiles Nuklid umgewandelt worden ist. Die Anzahl der in dieser Kette von Zerfällen stattfindenden Alphazerfälle kann anhand der Nuklidkarte abgezählt werden (vgl. Abbil- dung 2), ist aber durch Verzweigungen in der Zerfallskette mit unterschiedlichen Abzwei- gungswahrscheinlichkeiten nicht immer eindeutig bestimmt. Die Alphazerfälle der Toch- ternuklide in der Zerfallskette müssen bei der Bildung von Helium ebenfalls berücksichtigt werden. Die maximale Anzahl an Alphazerfällen in der Zerfallskette inklu- sive des Zerfalls von Tochternukliden ist als F in Tabelle 1 angegeben. Durch den radioaktiven Zerfall reduziert sich die Aktivität des ausgedienten Brennstoffs entsprechend dem Zerfallsgesetz mit der Zeit. Eine genaue Bestimmung der beim Zerfall gebildeten Heliummenge kann nur durch eine zeitabhängige Zerfallsrechnung erfolgen. Für eine grobe Abschätzung wird im Folgenden eine obere Grenze für die Heliummenge abgeleitet. Dabei wird zunächst angenommen, dass für die Dauer von zehn Halbwerts- zeiten T½ des Ursprungsnuklids dessen Aktivität im Inventar konstant bleibt. Diese An- nahme führt zu einer Überschätzung der durch den Alphazerfall erzeugten Helium- menge. Nach zehn Halbwertszeiten ist die Aktivität des Ursprungsnuklids auf weniger als ein Tausendstel der Anfangsaktivität zurückgegangen. Die während dieser Zeit Tmax = 10∙T½ gebildete Menge wird berechnet und die nach dieser Zeitspanne gebildete Menge im Gegenzug vernachlässigt. Falls die Zeitspanne von zehn Halbwertszeiten län- ger ist als der Nachweiszeitraum, dann wird Tmax auf eine Million Jahre beschränkt (vgl. Tabelle 1). Falls die auf diese Weise berechnete Anzahl NHyp größer ist als die ursprüng- lich im Inventar enthaltene Anzahl NBeh, dann ist demnach das gesamte Inventar des entsprechenden Radionuklids zerfallen und die Anzahl der Alphazerfälle wird auf NBeh beschränkt (vgl. Tabelle 1). Weiterhin wird angenommen, dass auch die radioaktiven Zerfälle aller Tochternuklide innerhalb der Zeit Tmax stattfinden. Da manche der Tochternuklide eine große Halbwerts- zeit aufweisen, ist auch dies eine Annahme, die die tatsächliche Anzahl an Alphazerfäl- len und die dadurch erzeugte Heliummenge überschätzt. Die Anzahl der im Nachweiszeitraum in einem Brennelementbehälter durch den Alpha- zerfall gebildeter Heliumatome NHe ergibt sich unter Berücksichtigung der oben beschrie- benen Annahmen bei Summation über alle Nuklide i durch 𝑁He = ∑𝑖 (𝐹α ∙ min(𝐼Beh ∙ 𝑇max ∙ 𝑆a ; 𝑁Beh ))𝑖 , 2 zu etwa 4∙1026, wobei Sa die Anzahl der Sekunden pro Jahr angibt. Mit der Avogadrozahl NA (vgl. Tab. 2) ergibt sich daraus eine Stoffmenge 𝑛He = 𝑁He 𝑁A von nHe = 665 Mol, bzw. mit dem Molvolumen Vm 𝑉He = 𝑛He ∙ 𝑉𝑚 ein Gasvolumen VHe von etwa 15 Nm³. Die Relevanz dieser Gasmenge für die Endlagerentwicklung lässt sich anhand zweier prinzipiell unterschiedlicher Endlagerkonzepte diskutieren, in denen 1. die Endlagerbehälter – z. B. durch eine Kupferummantelung – so ausgelegt sind, dass sie den gesamten Nachweiszeitraum von einer Million Jahren gasdicht blei- ben sollen: In diesem Fall wird das gebildete Helium über den gesamten Nachweiszeitraum im Endlagerbehälter gesammelt. Das in den Behältern zur Verfügung stehende Hohlraumvolumen ist begrenzt, so dass sich die Bildung von Helium entspre- chend dem allgemeinen Gasgesetz in einem Anstieg des Gasdrucks im Behälter auswirkt. Bei einem angenommen verfügbaren Hohlraumvolumen im Behälter von 0,5 m³ unter anfänglichem Atmosphärendruck, würde sich der Druck im Be- hälter durch die oben angegebene zusätzliche Gasmenge auf 3 MPa nach einer Million Jahren erhöhen1. Dieser Druck ist geringer als der in einer typischen End- lagerteufe von 800 m zu erwartende Gebirgsdruck von etwa 18 MPa, gegen den die Endlagerbehälter auszulegen sind. Die Heliumproduktion kann bei intakten Behältern eventuell zu einer relevanten Druckerhöhung im Behälter führen, die bei der Behälterauslegung berücksichtigt werden muss. Genauere Betrachtun- gen zur tatsächlich gebildeten Gasmenge sind dabei notwendig. 2. die Endlagerbehälter aus Stahl bestehen, nur für eine vergleichsweise geringe Lebensdauer ausgelegt sind und mindestens 500 Jahre aerosoldicht bleiben sol- len: 1 Je nach Gebirgstemperatur in der Endlagerteufe kann sich der Druck um bis zu 20 % erhöhen 3
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Tags: Brennstoff ? Helium ? Wolf ? MOX-Brennelement ? Brennelement ? Edelgas ? Radioaktiver Abfall ? Endlager ? Actinoide ? Endlagerung ? Radionuklid ? Alphastrahlung ? Halbwertszeit ? Radioaktiver Stoff ? Stahl ? Radioaktivität ? Wiederaufarbeitung ?
Region: Peine
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