Fragen und Antworten zur Umrüstung des FRM II auf niedriger angereichertes Uran

Der FRM II wird von hoch angereichertem Uran (HEU) auf niedriger angereichertes Uran umrüsten.

Der FRM II nutzt derzeit Brennelemente mit 93 % Anreicherung. Wie ist der Stand der Umrüstung auf ein Brennelement mit niedrigerer Anreicherung?

Bei einer niedrigeren Anreicherung muss das spaltbare Uran zugleich chemisch dichter gepackt werden, um den Nutzern weiterhin Neutronen ohne unverhältnismäßige Einbußen bereitstellen zu können. Ein solcher Brennstoff ist derzeit weltweit nicht verfügbar und muss nach seiner Entwicklung für den Einsatz am FRM II qualifiziert werden. Alleine am FRM II erforscht eine zehnköpfige Forschungsgruppe dafür mögliche Brennstoffe und Einsatzszenarien. Das geschieht unter anderem in einem europäischen Forschungsverbund der von der EU mit 6,8 Millionen Euro gefördert wird. Zudem gibt es eine enge Zusammenarbeit mit den USA, denn nicht nur der FRM II, sondern auch in den USA sowie in Frankreich und Belgien sollen Hochflussreaktoren umgerüstet werden.

Für das Brennelement des FRM II scheint eine Anreicherung von weniger als 40 % machbar. Der Einsatz von niedriger angereichertem Brennstoff brächte auch für den FRM II hinsichtlich der Ver- und Entsorgung einige Vereinfachungen und hätte zusätzlich für die damit verbundenen Transporte Vorteile. Schon alleine deshalb hat der FRM II selbst ein Interesse, dies aktiv voranzutreiben und die Umrüstung durchzuführen, sobald ein geeigneter und qualifizierter Brennstoff verfügbar ist.

Warum ist die Umstellung von hoch angereichertem Uran (highly enriched uranium: HEU) auf niedrig angereichertes Uran (low enriched uranium: LEU) am FRM II nicht möglich?

Hoch angereichertes Uran enthält bis zu 93 Prozent des spaltbaren Urans 235. Niedrig angereichertes Uran enthält weniger als 20 Prozent Uran 235. Die verbleibenden 80 Prozent sind fast ausschließlich Uran 238. Nur bei der Kernspaltung von Uran 235 entstehen die Neutronen, die der FRM II für die wissenschaftlichen Experimente nutzt. Um bei verminderter Anreicherung des spaltbaren Urans im Brennstoff den gleichen hohen Fluss an Neutronen zu erhalten, muss das Uran im Brennelement zumindest um so viel dichter gepackt werden, wie die Anreicherung abgenommen hat. Da das beigemischte Uran 238 jedoch zusätzlich Neutronen absorbiert, muss diese Verdichtung überproportional höher ausfallen. Würde man den jetzigen Kompaktkern des FRM II direkt auf LEU umrüsten, so würde die Menge des Uran 235 von derzeit 8,1 kg auf über 60 kg ansteigen und eine Dichte des Urans von 40 g/cm3 erfordern. Die theoretisch höchste Dichte ist die des metallischen Urans von 19, 05 g/cm3. Die direkte Umrüstung des bestehenden Reaktorkerns des FRM II auf LEU ist deshalb physikalisch unmöglich. Qualifiziert sind heute Brennstoffe mit einer maximalen Urandichte von 4,8 g/cm3. Internationale Forschungsbemühungen zielen auf Dichten von 8 - 16 g/cm3. Einen solchen Brennstoff vorausgesetzt, müsste für eine Umrüstung des FRM II auf einen LEU-Kern dessen Volumen vergrößert und die thermische Leistung erhöht werden.

Warum wurde der FRM II Ende 2010 nicht auf MEU umgerüstet?

Wiederum vorausgesetzt, es gäbe geeignete dichtere Brennstoffe, kann im bestehenden Brennelement und bei gleicher thermischer Leistung des FRM II die Anreicherung des spaltbaren Urans auf 40 - 50 % (medium enriched uranium, MEU) abgesenkt werden. In einer Nebenbestimmung der Betriebsgenehmigung des FRM II von 2003 heißt es, dass diese Umrüstung bis Ende 2010 zu erfolgen habe, vorausgesetzt ein geeigneter Brennstoff wäre vorhanden. Diese Umrüstung konnte aber nicht in diesem Zeitrahmen stattfinden, da die notwendige Voraussetzung - ein geeigneter, qualifizierter und dichterer Brennstoff - nicht erfüllt war.

Was wird derzeit von der Technischen Universität München konkret zur Umrüstung unternommen?

Unmittelbar nachdem die Betriebsgenehmigung im Jahr 2003 erteilt wurde, hat eine Arbeitsgruppe der TUM mit der Erforschung hochdichter Uranbrennstoffe begonnen. Sie untersucht derzeit zwei mögliche Brennstoffe aus Uranmolybdän: einmal UMo -Pulver vermischt mit Aluminium (dispers) und einmal als durchgehende Platte (monolithisch). In beiden Fällen ist die eigentliche Brennstoffzone noch in einer Art Bilderrahmen aus Aluminium eingefasst. Die Test-Bestrahlungen der gefertigten Brennstoffplatten erfolgen in anderen Reaktoren in Europa.

Zusammen mit den anderen Hochleistungsforschungsreaktoren (SCK-CEN, ILL und CEA) und dem Brennelementehersteller AREVA-CERCA forscht die TUM in der Kooperation HERACLES an beiden Lösungen. Dies erfolgt in enger Abstimmung mit den Partnern aus den USA und Korea.

Einmalig ist, wie die TUM-Forscher die Strahlenschäden im Uranmolybdän-Brennelement durch Bestrahlung am Maier-Leibnitz-Laboratorium (MLL) der LMU und der TUM simulieren. In aufwändigen Computersimulationen werden Szenarien für den Einsatz des Kernbrennstoffes entwickelt.

Wieso dauert die Entwicklung des neuen Brennstoffes so lange?

Als die Vereinbarung über die Umrüstung im Jahr 2003 für den FRM II zwischen Bund und dem Land Bayern geschlossen wurde, erschien damals international der pulverförmige Uranmolybdän-Brennstoff ein vielversprechender Kandidat für die Brennstoffentwicklung. Diese Hoffnungen wurden erstmals Ende 2004 enttäuscht, als einige Testplatten dieses Brennstoffes bei Testbestrahlungen in Testreaktoren in den USA und in Europa anschwollen und aufplatzten.

Nun werden weltweit mit verbesserten Fertigungstechniken hergestellte, neue Platten aus verändertem Material getestet. Für eine Testbestrahlung dauert die Antragsgenehmigung etwa ein Jahr. Daran schließt sich eine Bestrahlungszeit von eineinhalb Jahren in einem Testreaktor an. Die Abklingzeit der hochradioaktiven Brennstoffplatten beträgt noch einmal bis zu einem Jahr. Erst danach können die notwendigen Nachbestrahlungsuntersuchungen durchgeführt werden. Aufgrund der hohen Kosten, die mit einem Bestrahlungstest verbunden sind, werden die Tests seriell ausgeführt.

Kommt das Uran des FRM II aus Russland?

Nicht nur, sondern auch aus den USA. Der Brennstoff wird ausschließlich im Rahmen des Atomwaffensperrvertrages und unter Abschluss bilateraler Staatsverträge geliefert.

Kann man aus einem HEU-Brennelement des FRM II tatsächlich eine Atombombe bauen?

8 kg Uran befinden sich in der chemischen Form einer Keramik auf 3 g Uran/cm3 verdünnt in einem Brennelement des FRM II. Solch ein Brennstoff kann nicht direkt in Nuklearwaffen benutzt werden. Außerdem ist die Masse nicht ausreichend für eine mögliche Waffe. Nie wurden seit der friedlichen Nutzung von Kerntechnik Brennelemente aus Forschungsreaktoren entwendet, weil hier die lückenlose Kontrolle der Internationalen Atomenergieorganisation in Wien greift.

Ist die Technische Universität München alleine auf der Suche nach einem neuen, hochdichten und niedriger angereichertem Brennstoff?

Die TUM forscht an diesem Brennstoff in Kooperation mit Frankreich und Belgien („HERACLES“). Auch die USA betreiben sehr großen Forschungsaufwand, sodass es über die Ergebnisse einen gegenseitigen intensiven Austausch gibt. Die TUM steht auch in regem Austausch mit ihren außereuropäischen Partnern in den USA und Korea. Weltweit werden derzeit noch einige Forschungsreaktoren (außerhalb Russlands) mit HEU betrieben. Für mehr als ein Dutzend dieser leistungsfähigen Forschungsreaktoren gibt es noch keinen hochdichten Brennstoff, um sie auf niedrigere Anreicherung umzurüsten. Etwa die Hälfte dieser noch nicht umrüstbaren Forschungsreaktoren steht in den USA.

Wie hat sich die USA zu dem neuen FRM II geäußert?

In einem Schreiben an den damaligen bayerischen Wissenschaftsminister Hans Zehetmair betonte im Jahr 2002 der stellvertretende amerikanische Generalkonsul Dr. Daniel E. Turnbull im Nahmen der US-Regierung, dass man den FRM II „niemals als Proliferationsrisiko angesehen" habe. Die USA habe keine Bedenken in Bezug auf die nuklearen Materialien, schrieb der stellvertretende Generalkonsul.

Wie viel kostet die Entwicklung des neuen Brennstoffes für den FRM II?

Einen zweistelligen Millionenbetrag, den sich die Bundesrepublik Deutschland und das Land Bayern teilen.

Warum gehen die deutschen Neutronenforscher nicht einfach an die internationale Neutronenquelle ILL in Grenoble, Frankreich?

Forschung ins Ausland abwandern zu lassen, ist keine Lösung. Im Übrigen wird auch die Forschungsneutronenquelle des ILLs - da besonders leistungsstark - mit HEU betrieben. Der FRM II ist nicht nur für deutsche Forscher notwendig. Jährlich kommen 1000 Gastwissenschaftler aus der ganzen Welt nach Garching, um hier ihre Experimente mit Neutronen durchzuführen. Sowohl am FRM II als auch an der Einrichtung in Frankreich ist die Nachfrage nach Forschungsmöglichkeiten so groß, dass beide Neutronenquellen dringend benötigt werden. Die Nachfrage nach Messzeit ist doppelt so hoch wie die verfügbare Zeit. Es wird deshalb sogar an einer europäischen Spallationsneutronenquelle gearbeitet.

Ist LEU oder HEU radioaktiver?

Von einem frischen Brennelement, gleich ob aus LEU oder HEU, geht keine Gefährdung für Menschen aus. Es ist nur sehr schwach radioaktiv. Benutzte Brennelemente sind hochradioaktiv und bedürfen selbst langfristig besonderer Abschirmmaßnahmen. Die radioaktive Strahlung eines abgebrannten hochangereicherten Brennelements rührt im Wesentlichen von den Spaltprodukten mit einer langfristig dominierenden Zerfallszeit von 30 Jahren. Ein abgebranntes niedrig angereichertes Brennelement enthält wesentliche höhere Mengen an Plutonium mit einer langfristig dominierenden Zerfallszeit von 24.000 Jahren. Deshalb ist die radioaktive Bürde eines ursprünglichen HEU-Brennelements deutlich geringer.

Ein Brennelement des FRM II enthält nach seinem Einsatz noch zu 85 % angereichertes Uran. Nun äußerte der Verein „Umweltinstitut München“ die Idee, in Garching eine Anlage zu erbauen, die die Brennelemente abreichert, bevor sie zwischengelagert werden.

In so einer Anlage müssten die Brennelemente entweder chemisch aufgelöst oder eingeschmolzen werden, um den darin verbliebenen hochangereicherten Brennstoff irreversibel mit Uran niedriger Anreichung zu vermischen. Hierbei würden u.a. die in den Brennstoffplatten gebundenen gasförmigen und leichtflüchtigen radioaktiven Spaltprodukte mobilisiert und müssten aufwendig zurückgehalten werden. Die Technik dieser Anlage entspräche in weiten Teilen der einer Wiederaufbereitungsanlage, wie sie in den 1980er Jahren in Wackersdorf errichtet werden sollte und im französischen La Hague u.a. für Brennelemente aus Kernkraftwerken genutzt wird. Es verwundert mich, dass der Bau und Betrieb einer derartigen Anlage in Garching allen Ernstes gefordert wird.

Sofern man einen solchen Verarbeitungsschritt anstrebt, so wäre es vernünftiger und technisch machbar, die Brennelemente des FRM II z.B. in der existierenden Anlage in La Hague zu verarbeiten. Die kleine Menge hochangereicherten Kernbrennstoffs aus den Brennelementen des FRM II würde dort mit den großen Mengen niedrig angereicherten Urans aus den Kernkraftwerken vermischt, damit verdünnt und gleichzeitig einer sinnvollen Wiederverwendung zugeführt.