Fertigungstechnik

Das Brennelement des FRM II setzt sich aus 113 einzelnen "Brennstoffplatten" zusammen. Die Platten bestehen aus einem Brennstoff (engl. "meat") und einer Ummantellung (engl. "cladding"). Der Brennstoff wiederum kann von disperser (links) oder von monolithischer (rechts) Struktur sein.

Wie alle Hochleistungsneutronenquellen hat der FRM II sehr hohe Leistungsdichten und damit auch Wärmeentwicklung im Reaktorkern, um hohe Neutronenflussdichten für seine wissenschaftlichen Nutzer zu erzeugen. Um dennoch eine gute Kühlbarkeit des Reaktorkerns zu gewährleisten, werden am FRM II keine Brennstoffstäbe, sondern Brennstoffplatten verwendet. Der Aufbau dieser Brennstoffplatten entspricht einer Sandwichstruktur, mit einem brennstoffhaltigen Kern (Meat) und einer Ummantelung (Cladding).

Für eine Umrüstung des FRM II hin zu hochdichten, niedriger angereicherten Uran-Molybdän-Brennstoffen stehen zwei Konzepte Verfügung: der disperse Brennstoff (die Brennstoffkörner sind hier gleichmäßig verteilt in einer Trägermatrix) oder der monolithische Brennstoff (der Kern ist eine einzige massive Brennstoffschicht).

Derzeit ist nicht absehbar, welches dieser Konzepte in der Anwendung die größten Vorteile bietet und realisiert werden wird. Die Forschung im Bereich Fertigungstechnik ist daher darauf ausgerichtet, beide Konzepte abzudecken.

Monolithischer Brennstoff
Am FRM II werden u.a. Plasmaverfahren entwickelt, mit denen sich monolithische U-Mo Brennstoffe behandeln lassen. Das linke Bild zeigt einen U-Mo Brennstoff in voller Grösse (600 mm x 60 mm) während des Plasmaprozesses. Das rechte Bild zeigt denselben Brennstoff nach erfolgter Plasmareinigung und -beschichtung.

Für die Herstellung eines vollständigen monolithischen Brennstoffs aus Uran-Molybdän existiert erst seit 2008 ein funktionierendes Produktionsverfahren, das am Idaho National Laboratory, USA, entwickelt wurde. Dieses Verfahren ist derzeit jedoch nur im Labormaßstab erprobt. Die Industrialisierung des Verfahrens ist mit großen Schwierigkeiten verbunden, daher eignet es sich derzeit nicht für die Produktion von UMo Brennstoffen in industriellen Stückzahlen. Mehrere Forschungsgruppen weltweit sind daher bestrebt, das existierende Produktionsverfahren weiter zu entwickeln.

Die Forschung am FRM II untersucht alternative Techniken und Verfahren, die in das bestehende Produktionsverfahren integriert werden können, um dieses zu verbessern. Dabei liegt der Fokus vornehmlich auf Techniken zur Oberflächenbehandlung und -modifikation von U-Mo Brennstofffolien, da die Oberfläche der Folie den kritischen Schnittpunkt zwischen Brennstoff und Ummantelung darstellt.

Disperser Brennstoff
Am FRM II werden u.a. Techniken entwickelt, die es erlauben, U-Mo Kernbrennstoffpulver mit Schutzbeschichtungen zu versehen und somit resistenter gegen Strahlung und Temperatur zu machen. Das Bild zeigt das Innere einer Pulverbeschichtungsanlage im Betrieb.

Disperse Kernbrennstoffe mit einer Trägermatrix aus Aluminium werden seit Jahrzehnten erfolgreich und problemlos in vielen Forschungsreaktoren weltweit verwendet. Der heutige Brennstoff des FRM II ist z.B. disperses Uransilizid in Aluminium. Für den Wechsel zu einem Uran-Molybdän-Kernbrennstoff war zunächst geplant, ebenfalls disperses U-Mo in Aluminium zu verwenden. Jedoch zeigten verschiedene Bestrahlungsexperimente im vergangenen Jahrzehnt, dass dieser Kernbrennstoff in der zunächst angestrebten Konfiguration Schwierigkeiten unter den hohen Temperatur- und Strahlungsbedingungen in einem Hochleistungsforschungsreaktor hat. Daher werden derzeit Methoden entwickelt, um dispersen U-Mo Brennstoff in der Aluminiummatrix zu stabilisieren. 
Die Forschung am FRM II untersucht Techniken, um die Bestrahlungsresistenz von dispersem U-Mo zu erhöhen. Dazu gehört einerseits die Optimierung der U-Mo Korngeometrie durch fortgeschrittene Pulverfabrikationsverfahren, andererseits die Erforschung von Schutzbeschichtungen für U-Mo Körner.