Wiederinbetriebnahme der Tritium-Dekontaminationsanlage in Culham: Entsorgungskosten für Rückbaumaterialien können sich um bis zu zehnmal verringern

de.wedoany.com-Bericht: Die britische Atomenergiebehörde (UKAEA) hat in der Material-Tritium-Dekontaminationsanlage (MDF) in Culham Versuche zur Tritiumentfernung an Rückbaumaterialien des Gemeinsamen Europäischen Torus (JET) abgeschlossen. Nach der Behandlung könnten Materialien wie Wolfram, Beryllium, Inconel-Legierungen, Stahl, Kupfer und kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffe von mittelaktiven zu schwachaktiven Abfällen umklassifiziert werden, wodurch sich die Entsorgungskosten um bis zu zehnmal verringern könnten.

Während der Plasmaoperationen der letzten drei Jahre von JET führten Deuterium-Tritium-Experimente dazu, dass Resttritium in den Wänden und inneren Komponenten des Tokamaks verblieb, was zeigt, dass dieses Isotop während des Hochleistungs-Fusionsbetriebs in die Materialien eindringt. Die Gesamtmenge des in den Materialien verbliebenen Tritiums sowie der Anteil, der durch Wärmebehandlung entfernt werden kann, sind die zentrale Grundlage für die Entwicklung der Abfallmanagementstrategie im Rahmen des JET-Rückbau- und Wiederverwendungsprogramms (JDR).

Durch die Rückgewinnung von Tritium kann das Abfallbehandlungsteam der UKAEA die Entsorgungskosten für die genannten Materialien senken. Diese wurden beim Rückbau von JET ursprünglich als mittelaktive Abfälle eingestuft; nach der Tritiumentfernung werden sie in die Kategorie der schwachaktiven Abfälle überführt, wodurch sich die Entsorgungskosten um bis zu zehnmal verringern können. Ein Teil davon könnte sogar unter Bedingungen wieder in zukünftigen Fusions- oder Spaltungsanlagen eingesetzt werden.

Die Ende 2024 von JET entnommenen Wandverkleidungen und Komponenten konnten in den Versuchen ohne vorherige Zerlegung direkt behandelt werden; auch gemischte Materialströme konnten gleichzeitig in den Prozess einfließen, wodurch die realen Betriebsbedingungen einer industriellen Behandlungsanlage simuliert wurden.

Zur Entfernung des verbliebenen Tritiums werden die Materialien im MDF-Ofen unter kontrollierten Bedingungen, die die Oxidation streng unterdrücken, auf hohe Temperaturen erhitzt. Die Reduzierung der Oxidation trägt dazu bei, die Prozesseffizienz zu steigern, den Wartungsaufwand zu verringern und einen sicheren und effizienten Prozess zu gewährleisten. Das entstehende Tritium verlässt den Ofen mit dem Prozessgasstrom, wird über einen Katalysator in tritiumhaltiges Wasser umgewandelt und zentral aufgefangen. Nach dem Abkühlen des Ofens werden die wärmebehandelten Produkte entnommen und destruktiven Probenanalysen unterzogen.

Ergänzend zur Wärmebehandlung werden auch Gramm-große Proben von JET analysiert, um die Konzentration anderer Radionuklide zu bestimmen und die nach der Behandlung in den Materialien verbliebene Tritiummenge zu quantifizieren.

Xavier Lefebvre, Abfallverantwortlicher des JET-Rückbau- und Wiederverwendungsprojekts, erklärte, dass die erfolgreiche Behandlung dieser Proben dem Team bisher nicht verfügbare Nachweise geliefert habe, um die Materialeigenschaften von JET und die damit verbundenen langfristigen Managementherausforderungen zuverlässiger zu erfassen. Diese Erkenntnisse könnten die Abfallmanagementstrategie des JDR grundlegend beeinflussen, Unsicherheiten verringern, Entscheidungen zu Abfallbehandlung, Verpackung, Entsorgungswegen und Rückbauplanung rationalisieren und gleichzeitig angemessenere Abfallmanagementlösungen aufzeigen sowie das Verständnis langfristiger Verbindlichkeiten vertiefen. Er fügte hinzu, dies sei ein Beispiel für die Verbindung von Innovation, wissenschaftlichem Ehrgeiz und betrieblicher Praxis, das sowohl dem aktuellen Projekt zugutekomme als auch Erfahrungen für zukünftige Fusionsrückbauprojekte sammle.

Die UKAEA gab an, dass die MDF das in den Materialien verbliebene Tritium entfernen und das Volumen hochaktiver Abfälle reduzieren werde, die vor Ort speziell verwaltet werden müssen. Neben der Behandlung eigener Altlasten steht die Anlage auch Unternehmen und Organisationen offen, die Spitzenforschung im Bereich Abfall- und Materialmanagement betreiben.

JET ist eine Tokamak-Fusionsanlage, in der gasförmiger Wasserstoffbrennstoff in einer donutförmigen Vakuumkammer unter extrem hohen Temperaturen und Drücken in ein Plasma umgewandelt wird. Die geladenen Teilchen werden von großen Magnetspulen am äußeren Rand geformt und eingeschlossen, um einen Kontakt mit den Wänden zu vermeiden. JET ist der einzige Tokamak, der mit Tritiumbrennstoff betrieben werden kann, und eine wichtige Vorläuferanlage für das internationale Kernfusionsprojekt ITER (Internationaler Thermonuklearer Versuchsreaktor), das derzeit in Südfrankreich gebaut wird. Die Anlage wurde von europäischen Forschern gemeinsam gebaut und genutzt, gehört derzeit der UKAEA und wurde auch in der Endphase des Betriebs von der UKAEA verantwortet. Wissenschaftler aus 28 europäischen Ländern nutzten sie unter Koordination des EUROfusion-Verbundes, um das Potenzial kohlenstofffreier Fusionsenergie zu erforschen. 1997 führte der Tokamak die ersten Deuterium-Tritium-Experimente durch.

Die letzte Versuchsreihe von JET mit Deuterium- und Tritiumbrennstoff dauerte von August bis Oktober 2023 sieben Wochen; im Dezember desselben Jahres wurde nach dem letzten Puls der Rückbau eingeleitet. Die Energie, die in dieser Fusionsversuchsreihe erzeugt wurde, war die höchste aller Zeiten und übertraf den Rekord von 2021. Im Rahmen des JDR-Programms führt die UKAEA derzeit den frühen Rückbau und die Wiederverwendung von JET durch; die Arbeiten werden voraussichtlich bis etwa 2040 dauern und gleichzeitig eine Plattform für die Entwicklung zukünftiger Fusionstechnologien und -kompetenzen bieten.