Brennstoffeigenschaften

  • Das Material muss hochdicht gepackt werden können, damit die niedrige Anreicherung des Urans ausgeglichen werden kann.
  • Bei der Kernspaltung entstehen Gase. Diese müssen im Brennstoff eingeschlossen bleiben.
  • Der Brennstoff muss eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzen, um eine Überhitzung des Brennstoffs im Inneren zu unterbinden und auch bei Anwesenheit kleinerer Bindungsfehler die im Betrieb entstehende Wärme sicher abführen zu können.
  • Der Brennstoff muss unter Bestrahlung mechanisch stabil bleiben und darf sich nicht verbiegen.
  • Die Brennelemente müssen in industriellem Maßstab zu ökonomischen Preisen produziert werden können, d.h. die Fertigungskomplexität ist eingeschränkt. Dasselbe gilt für das Back-End.

Ziel: Diffusionsschicht vermeiden, Schwellen begrenzen

Aussichtsreichster Kandidat für diesen Brennstoff sind Uran-Molybdän (UMo)-Legierungen, die derzeit ausgiebig getestet und verbessert werden. Als Teil dieser Tests werden die Materialien in Forschungsreaktoren bestrahlt. Die UMo-Legierungen bilden unter Bestrahlung eine Interdiffusionsschicht (IDL) am Übergang des UMo zur umgebenden Aluminiumhülle aus. Diese Diffusionsschicht hält die bei der Spaltung entstehenden Spaltgase - im Gegensatz zum UMo selbst - nur schlecht zurück. Weiterhin besitzt sie eine geringe Dichte und eine schlechte Wärmeleitfähigkeit. Diese Eigenschaften führten dazu, dass UMo-Al-Testbrennstoffplatten derart anschwollen, dass sie in dieser Form für einen Einsatz im Reaktor ungeeignet waren.

Einer der zentralen Punkte der Brennstoffentwicklung ist es daher, die IDL Bildung zu vermeiden oder zu verzögern. Dies geschieht durch Aufbringen einer Diffusionsbarriere am Übergang U-Mo/Al. Geeignet sind hierfür neben Si, Nb, Zr, Ti ZrN oder TiN noch einige andere Elemente.

Siehe: Newsmeldung vom Februar 2015

Bestrahlungsversuche mit Schwerionen

Vor kurzem wurden Proben, die dieses Konzept verwirklichen, mit Schwerionen (Iod bei 80MeV) bestrahlt. Schwerionen dienen hierbei als Ersatz für langwierige Bestrahlungstests in einem Reaktor. Es wurde gezeigt, dass mit Hilfe einer hinreichend dicken Silizium-Schicht die Bildung einer IDL stark verzögert und mit Hilfe von dichten TiN und ZrN Schichten sogar weitestgehend verhindert werden kann. Bestrahlungsversuche im belgischen Materialtestreaktor BR2 bestätigen diese Ergebnisse, zeigen aber zugleich, dass die metallurgischen Schwierigkeiten durch die Diffusionsbarriere bei sehr hohen Abbränden noch nicht vollständig gelöst werden. Die Klärung der Ursachen und folgerichtige Lösung gehören zu den zentralen Forschungsaufgaben der nächsten Zeit.

Physikalische Daten

Neben den Schwerionenbestrahlungen beteiligt sich die Arbeitsgruppe auch an einer Vielzahl weiterer für die Qualifizierung des Brennstoffs nötiger Messungen. Dies umfasst u.a. die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von frischem und abgebranntem Brennstoff und die Charakterisierung des Phasenverhaltens von UMo.