A Transmutation Facility for Weapons-Grade Plutonium Disposition Based on a Tokamak Fusion Neutron Source

Abstract

It is suggested that weapons-grade plutonium could be processed through a transmutation facility to build up sufficient actinide and fission product inventories to serve as a deterrent to diversion or theft during subsequent storage, pending eventual use as fuel in commercial nuclear reactors. A transmutation facility consisting of a tokamak fusion neutron source surrounded by fuel assemblies containing the weapons-grade plutonium in the form of PuO₂ pebbles in a lithium slurry is investigated. A design concept/operation scenario is developed for a facility that would be able to transmute the world’s estimated surplus inventory of weapons-grade plutonium to 11% ²⁴⁰Pu concentration in ∼25 yr. The fusion neutron source would be based on plasma physics and plasma support technology being qualified in ongoing research and development (R&D) programs, and the plutonium fuel would be based on existing technology. A new R&D program would be required to qualify a refractory metal alloy structural material that would be needed to handle the high heat fluxes; otherwise, extensions of existing technologies and acceleration of existing R&D programs would seem to be adequate to qualify all required technologies. Such a facility might feasibly be deployed in 20 to 30 yr, or sooner with a crash program.

Additional information

Notes on contributors

W. M. Stagey

W. M. Stacey, Jr. (PhD, nuclear engineering, Massachusetts Institute of Technology, 1966) is Callaway Regents’ Professor of Nuclear Engineering at Georgia Institute of Technology. His research interests include plasma and neutral transport, plasma edge and divertor modeling, radioactive waste disposal, and fusion reactor design.

B. L. Pilger

B. L. Pilger, J. A. Mowrey, D. C. Norris, M. Dietsche, E. A. Hoffman, B. A. Abichedid, A. W. Anthony, M. S. Ayres, T. P. Belflower, J. D. Bohner, S. F. Caputlu, H. M. Coward, H. M. Diller, J. A. Favorite, P. T. Feir, J. S. Gustafson, N. L. Jenkins, T. L. Johnston, J. L. Martin, C. H. Nahass, D. M. Nichter, D. F. Parker, R. A. Sidwell, A. L. Turner, and J. D. Wartell are graduate students in the Nuclear Engineering and Health Physics Program at the Georgia Institute of Technology.

J. A. Mowrey

B. L. Pilger, J. A. Mowrey, D. C. Norris, M. Dietsche, E. A. Hoffman, B. A. Abichedid, A. W. Anthony, M. S. Ayres, T. P. Belflower, J. D. Bohner, S. F. Caputlu, H. M. Coward, H. M. Diller, J. A. Favorite, P. T. Feir, J. S. Gustafson, N. L. Jenkins, T. L. Johnston, J. L. Martin, C. H. Nahass, D. M. Nichter, D. F. Parker, R. A. Sidwell, A. L. Turner, and J. D. Wartell are graduate students in the Nuclear Engineering and Health Physics Program at the Georgia Institute of Technology.

D. G. Norris

B. L. Pilger, J. A. Mowrey, D. C. Norris, M. Dietsche, E. A. Hoffman, B. A. Abichedid, A. W. Anthony, M. S. Ayres, T. P. Belflower, J. D. Bohner, S. F. Caputlu, H. M. Coward, H. M. Diller, J. A. Favorite, P. T. Feir, J. S. Gustafson, N. L. Jenkins, T. L. Johnston, J. L. Martin, C. H. Nahass, D. M. Nichter, D. F. Parker, R. A. Sidwell, A. L. Turner, and J. D. Wartell are graduate students in the Nuclear Engineering and Health Physics Program at the Georgia Institute of Technology.

M. Dietsghe

B. L. Pilger, J. A. Mowrey, D. C. Norris, M. Dietsche, E. A. Hoffman, B. A. Abichedid, A. W. Anthony, M. S. Ayres, T. P. Belflower, J. D. Bohner, S. F. Caputlu, H. M. Coward, H. M. Diller, J. A. Favorite, P. T. Feir, J. S. Gustafson, N. L. Jenkins, T. L. Johnston, J. L. Martin, C. H. Nahass, D. M. Nichter, D. F. Parker, R. A. Sidwell, A. L. Turner, and J. D. Wartell are graduate students in the Nuclear Engineering and Health Physics Program at the Georgia Institute of Technology.

E. A. Hoffman

B. L. Pilger, J. A. Mowrey, D. C. Norris, M. Dietsche, E. A. Hoffman, B. A. Abichedid, A. W. Anthony, M. S. Ayres, T. P. Belflower, J. D. Bohner, S. F. Caputlu, H. M. Coward, H. M. Diller, J. A. Favorite, P. T. Feir, J. S. Gustafson, N. L. Jenkins, T. L. Johnston, J. L. Martin, C. H. Nahass, D. M. Nichter, D. F. Parker, R. A. Sidwell, A. L. Turner, and J. D. Wartell are graduate students in the Nuclear Engineering and Health Physics Program at the Georgia Institute of Technology.

B. A. Abighedid

B. L. Pilger, J. A. Mowrey, D. C. Norris, M. Dietsche, E. A. Hoffman, B. A. Abichedid, A. W. Anthony, M. S. Ayres, T. P. Belflower, J. D. Bohner, S. F. Caputlu, H. M. Coward, H. M. Diller, J. A. Favorite, P. T. Feir, J. S. Gustafson, N. L. Jenkins, T. L. Johnston, J. L. Martin, C. H. Nahass, D. M. Nichter, D. F. Parker, R. A. Sidwell, A. L. Turner, and J. D. Wartell are graduate students in the Nuclear Engineering and Health Physics Program at the Georgia Institute of Technology.

A. W. Anthony

B. L. Pilger, J. A. Mowrey, D. C. Norris, M. Dietsche, E. A. Hoffman, B. A. Abichedid, A. W. Anthony, M. S. Ayres, T. P. Belflower, J. D. Bohner, S. F. Caputlu, H. M. Coward, H. M. Diller, J. A. Favorite, P. T. Feir, J. S. Gustafson, N. L. Jenkins, T. L. Johnston, J. L. Martin, C. H. Nahass, D. M. Nichter, D. F. Parker, R. A. Sidwell, A. L. Turner, and J. D. Wartell are graduate students in the Nuclear Engineering and Health Physics Program at the Georgia Institute of Technology.

M. S. Ayres

B. L. Pilger, J. A. Mowrey, D. C. Norris, M. Dietsche, E. A. Hoffman, B. A. Abichedid, A. W. Anthony, M. S. Ayres, T. P. Belflower, J. D. Bohner, S. F. Caputlu, H. M. Coward, H. M. Diller, J. A. Favorite, P. T. Feir, J. S. Gustafson, N. L. Jenkins, T. L. Johnston, J. L. Martin, C. H. Nahass, D. M. Nichter, D. F. Parker, R. A. Sidwell, A. L. Turner, and J. D. Wartell are graduate students in the Nuclear Engineering and Health Physics Program at the Georgia Institute of Technology.

T. P. Belflower

B. L. Pilger, J. A. Mowrey, D. C. Norris, M. Dietsche, E. A. Hoffman, B. A. Abichedid, A. W. Anthony, M. S. Ayres, T. P. Belflower, J. D. Bohner, S. F. Caputlu, H. M. Coward, H. M. Diller, J. A. Favorite, P. T. Feir, J. S. Gustafson, N. L. Jenkins, T. L. Johnston, J. L. Martin, C. H. Nahass, D. M. Nichter, D. F. Parker, R. A. Sidwell, A. L. Turner, and J. D. Wartell are graduate students in the Nuclear Engineering and Health Physics Program at the Georgia Institute of Technology.

J. D. Bohner

B. L. Pilger, J. A. Mowrey, D. C. Norris, M. Dietsche, E. A. Hoffman, B. A. Abichedid, A. W. Anthony, M. S. Ayres, T. P. Belflower, J. D. Bohner, S. F. Caputlu, H. M. Coward, H. M. Diller, J. A. Favorite, P. T. Feir, J. S. Gustafson, N. L. Jenkins, T. L. Johnston, J. L. Martin, C. H. Nahass, D. M. Nichter, D. F. Parker, R. A. Sidwell, A. L. Turner, and J. D. Wartell are graduate students in the Nuclear Engineering and Health Physics Program at the Georgia Institute of Technology.

S. F. Gaputlu

B. L. Pilger, J. A. Mowrey, D. C. Norris, M. Dietsche, E. A. Hoffman, B. A. Abichedid, A. W. Anthony, M. S. Ayres, T. P. Belflower, J. D. Bohner, S. F. Caputlu, H. M. Coward, H. M. Diller, J. A. Favorite, P. T. Feir, J. S. Gustafson, N. L. Jenkins, T. L. Johnston, J. L. Martin, C. H. Nahass, D. M. Nichter, D. F. Parker, R. A. Sidwell, A. L. Turner, and J. D. Wartell are graduate students in the Nuclear Engineering and Health Physics Program at the Georgia Institute of Technology.

H. M. Goward

B. L. Pilger, J. A. Mowrey, D. C. Norris, M. Dietsche, E. A. Hoffman, B. A. Abichedid, A. W. Anthony, M. S. Ayres, T. P. Belflower, J. D. Bohner, S. F. Caputlu, H. M. Coward, H. M. Diller, J. A. Favorite, P. T. Feir, J. S. Gustafson, N. L. Jenkins, T. L. Johnston, J. L. Martin, C. H. Nahass, D. M. Nichter, D. F. Parker, R. A. Sidwell, A. L. Turner, and J. D. Wartell are graduate students in the Nuclear Engineering and Health Physics Program at the Georgia Institute of Technology.

H. M. Diller

B. L. Pilger, J. A. Mowrey, D. C. Norris, M. Dietsche, E. A. Hoffman, B. A. Abichedid, A. W. Anthony, M. S. Ayres, T. P. Belflower, J. D. Bohner, S. F. Caputlu, H. M. Coward, H. M. Diller, J. A. Favorite, P. T. Feir, J. S. Gustafson, N. L. Jenkins, T. L. Johnston, J. L. Martin, C. H. Nahass, D. M. Nichter, D. F. Parker, R. A. Sidwell, A. L. Turner, and J. D. Wartell are graduate students in the Nuclear Engineering and Health Physics Program at the Georgia Institute of Technology.

J. A. Favorite

B. L. Pilger, J. A. Mowrey, D. C. Norris, M. Dietsche, E. A. Hoffman, B. A. Abichedid, A. W. Anthony, M. S. Ayres, T. P. Belflower, J. D. Bohner, S. F. Caputlu, H. M. Coward, H. M. Diller, J. A. Favorite, P. T. Feir, J. S. Gustafson, N. L. Jenkins, T. L. Johnston, J. L. Martin, C. H. Nahass, D. M. Nichter, D. F. Parker, R. A. Sidwell, A. L. Turner, and J. D. Wartell are graduate students in the Nuclear Engineering and Health Physics Program at the Georgia Institute of Technology.

P. T. Feir

B. L. Pilger, J. A. Mowrey, D. C. Norris, M. Dietsche, E. A. Hoffman, B. A. Abichedid, A. W. Anthony, M. S. Ayres, T. P. Belflower, J. D. Bohner, S. F. Caputlu, H. M. Coward, H. M. Diller, J. A. Favorite, P. T. Feir, J. S. Gustafson, N. L. Jenkins, T. L. Johnston, J. L. Martin, C. H. Nahass, D. M. Nichter, D. F. Parker, R. A. Sidwell, A. L. Turner, and J. D. Wartell are graduate students in the Nuclear Engineering and Health Physics Program at the Georgia Institute of Technology.

J. S. Gustafson

B. L. Pilger, J. A. Mowrey, D. C. Norris, M. Dietsche, E. A. Hoffman, B. A. Abichedid, A. W. Anthony, M. S. Ayres, T. P. Belflower, J. D. Bohner, S. F. Caputlu, H. M. Coward, H. M. Diller, J. A. Favorite, P. T. Feir, J. S. Gustafson, N. L. Jenkins, T. L. Johnston, J. L. Martin, C. H. Nahass, D. M. Nichter, D. F. Parker, R. A. Sidwell, A. L. Turner, and J. D. Wartell are graduate students in the Nuclear Engineering and Health Physics Program at the Georgia Institute of Technology.

N. L. Jenkins

B. L. Pilger, J. A. Mowrey, D. C. Norris, M. Dietsche, E. A. Hoffman, B. A. Abichedid, A. W. Anthony, M. S. Ayres, T. P. Belflower, J. D. Bohner, S. F. Caputlu, H. M. Coward, H. M. Diller, J. A. Favorite, P. T. Feir, J. S. Gustafson, N. L. Jenkins, T. L. Johnston, J. L. Martin, C. H. Nahass, D. M. Nichter, D. F. Parker, R. A. Sidwell, A. L. Turner, and J. D. Wartell are graduate students in the Nuclear Engineering and Health Physics Program at the Georgia Institute of Technology.

T. L. Johnston

B. L. Pilger, J. A. Mowrey, D. C. Norris, M. Dietsche, E. A. Hoffman, B. A. Abichedid, A. W. Anthony, M. S. Ayres, T. P. Belflower, J. D. Bohner, S. F. Caputlu, H. M. Coward, H. M. Diller, J. A. Favorite, P. T. Feir, J. S. Gustafson, N. L. Jenkins, T. L. Johnston, J. L. Martin, C. H. Nahass, D. M. Nichter, D. F. Parker, R. A. Sidwell, A. L. Turner, and J. D. Wartell are graduate students in the Nuclear Engineering and Health Physics Program at the Georgia Institute of Technology.

J. L. Martin

B. L. Pilger, J. A. Mowrey, D. C. Norris, M. Dietsche, E. A. Hoffman, B. A. Abichedid, A. W. Anthony, M. S. Ayres, T. P. Belflower, J. D. Bohner, S. F. Caputlu, H. M. Coward, H. M. Diller, J. A. Favorite, P. T. Feir, J. S. Gustafson, N. L. Jenkins, T. L. Johnston, J. L. Martin, C. H. Nahass, D. M. Nichter, D. F. Parker, R. A. Sidwell, A. L. Turner, and J. D. Wartell are graduate students in the Nuclear Engineering and Health Physics Program at the Georgia Institute of Technology.

C. H. Nahass

B. L. Pilger, J. A. Mowrey, D. C. Norris, M. Dietsche, E. A. Hoffman, B. A. Abichedid, A. W. Anthony, M. S. Ayres, T. P. Belflower, J. D. Bohner, S. F. Caputlu, H. M. Coward, H. M. Diller, J. A. Favorite, P. T. Feir, J. S. Gustafson, N. L. Jenkins, T. L. Johnston, J. L. Martin, C. H. Nahass, D. M. Nichter, D. F. Parker, R. A. Sidwell, A. L. Turner, and J. D. Wartell are graduate students in the Nuclear Engineering and Health Physics Program at the Georgia Institute of Technology.

D. M. Nichter

B. L. Pilger, J. A. Mowrey, D. C. Norris, M. Dietsche, E. A. Hoffman, B. A. Abichedid, A. W. Anthony, M. S. Ayres, T. P. Belflower, J. D. Bohner, S. F. Caputlu, H. M. Coward, H. M. Diller, J. A. Favorite, P. T. Feir, J. S. Gustafson, N. L. Jenkins, T. L. Johnston, J. L. Martin, C. H. Nahass, D. M. Nichter, D. F. Parker, R. A. Sidwell, A. L. Turner, and J. D. Wartell are graduate students in the Nuclear Engineering and Health Physics Program at the Georgia Institute of Technology.

D. F. Parker

B. L. Pilger, J. A. Mowrey, D. C. Norris, M. Dietsche, E. A. Hoffman, B. A. Abichedid, A. W. Anthony, M. S. Ayres, T. P. Belflower, J. D. Bohner, S. F. Caputlu, H. M. Coward, H. M. Diller, J. A. Favorite, P. T. Feir, J. S. Gustafson, N. L. Jenkins, T. L. Johnston, J. L. Martin, C. H. Nahass, D. M. Nichter, D. F. Parker, R. A. Sidwell, A. L. Turner, and J. D. Wartell are graduate students in the Nuclear Engineering and Health Physics Program at the Georgia Institute of Technology.

R. A. Sidwell

B. L. Pilger, J. A. Mowrey, D. C. Norris, M. Dietsche, E. A. Hoffman, B. A. Abichedid, A. W. Anthony, M. S. Ayres, T. P. Belflower, J. D. Bohner, S. F. Caputlu, H. M. Coward, H. M. Diller, J. A. Favorite, P. T. Feir, J. S. Gustafson, N. L. Jenkins, T. L. Johnston, J. L. Martin, C. H. Nahass, D. M. Nichter, D. F. Parker, R. A. Sidwell, A. L. Turner, and J. D. Wartell are graduate students in the Nuclear Engineering and Health Physics Program at the Georgia Institute of Technology.

A. L. Turner

B. L. Pilger, J. A. Mowrey, D. C. Norris, M. Dietsche, E. A. Hoffman, B. A. Abichedid, A. W. Anthony, M. S. Ayres, T. P. Belflower, J. D. Bohner, S. F. Caputlu, H. M. Coward, H. M. Diller, J. A. Favorite, P. T. Feir, J. S. Gustafson, N. L. Jenkins, T. L. Johnston, J. L. Martin, C. H. Nahass, D. M. Nichter, D. F. Parker, R. A. Sidwell, A. L. Turner, and J. D. Wartell are graduate students in the Nuclear Engineering and Health Physics Program at the Georgia Institute of Technology.

J. D. Wartell

B. L. Pilger, J. A. Mowrey, D. C. Norris, M. Dietsche, E. A. Hoffman, B. A. Abichedid, A. W. Anthony, M. S. Ayres, T. P. Belflower, J. D. Bohner, S. F. Caputlu, H. M. Coward, H. M. Diller, J. A. Favorite, P. T. Feir, J. S. Gustafson, N. L. Jenkins, T. L. Johnston, J. L. Martin, C. H. Nahass, D. M. Nichter, D. F. Parker, R. A. Sidwell, A. L. Turner, and J. D. Wartell are graduate students in the Nuclear Engineering and Health Physics Program at the Georgia Institute of Technology.