Bericht zur Waffentauglichkeit von Reaktorplutonium - IANUS ...

Um diesen Zusammenhang zu prüfen wurden anhand von Rechnungen von Kirchner et
al. [KIRC85] eigene Abschätzungen vorgenommen und eine gegenüber (2) verbesserte
Näherungsformel gefunden. Die Inventarberechnungen von Kirchner beruhen auf dem
ORIGEN-Code [Oak Ridge Isotope Generation and Depletion Code], erweitert durch ein
Programmpaket SAS2, das u.a. die durch Resonanzen stark zeitabhängigen effektiven
Wirkungsquerschnitte berücksichtigt.
Abb. 2 zeigt die Produktion der Pu-Isotope als Funktion des Abbrandes für UO2 -
Brennelemente in DWR für mittleren Zielabbrand von 33 GWd/t bzw. für geplante Hochabbrandelemente
bei 55 GWd/t. Die Anreicherungen betragen 3,2 % bzw. 4 % 235 U, die
mittleren Leistungsdichten 37,5 MW/t bzw. 41,25 MW/t. Beachtenswert ist die Abnahme
des 239 Pu Anteils bei hohen Abbränden, durch die im Vergleich zu 235 U dominierende
Spaltrate, und die erhebliche 238 Pu Produktion.
Abb. 3 zeigt die prozentuale Zusammensetzung der Plutoniums als Funktion des Abbrandes.
In Abb. 4 sind die Neutronenproduktionsraten [WICK67] der Isotope und ihre Summe
dargestellt. Die geradzahligen Isotope, insbesondere 240 Pu, dominieren aufgrund ihrer
spontanen Zerfallsraten. Die Näherung nach Formel (2) überschätzt die Neutronenrate
bei Abbränden unter 33 GWd/t bzw. unterschätzt sie für Abbrände über 33 GWd/t. Die
Angaben zu Frühzündungswahrscheinlichkeiten bleiben bei Abbränden von 33 GWd/t
unberührt.
Die Schraffierung deutet den Bereich an, in dem das sogenannte weapon grade Plutonium
erbrütet wird. Die Brennelemente weisen einen Abrand von maximal 5 GWd/t auf.
Dies bedeutet eine Verweilzeit der Brennstäbe von nur einigen 100 Tagen im Reaktor.
Eine verbesserte Näherung für die Neutronenrate pro kg Pu als Funktion des Abbrandes
A[GWd/t]erhält man mit:
N = a · (1 − e (−A/3.8) )+b ∗ A Neutronen[s −1 kg −1 ] (3)
mit a=56600 bzw. 47000 und b=8320 bzw. 7515 für die beiden Abbrände. Der Neutronenhintergrund
S für eine Masse M berechnet sich zu S = N · M Neutronen/s.
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