Reaktorphysik

Thermische Neutronen (grün) umgeben das Brennelement. Die kalte Quelle ist in blau dargestellt.

Das gegenwärtige Brennelement des FRM II enthält Uran mit einer Anreicherung von 93% und einer maximalen Dichte von 3 g U/cm³. Ein solches Brennelement reicht aus, um die Neutronenquelle für 60 Tage bei einer Leistung von 20 MW zu betreiben. Wird die Anreicherung abgesenkt, so muss, wenn die äußeren Rahmenbedingungen unverändert bleiben, der niedrigere Anteil des spaltbaren Isotops 235U durch eine höhere Dichte kompensiert werden. Der Gehalt des zweiten im Uran vorhandenen Isotops, 238U, wird entsprechend der geringeren Anreicherung von derzeit 7% auf einen höheren Wert gebracht.

Höhere Dichte erfordert neuen Brennstoff

Wird beispielsweise die Anreicherung von 235U von 93% auf 50% erniedrigt, so wird der Anteil des 238U von 7% auf ebenfalls 50% erhöht. Um die Menge an spaltbarem Material im Kern beizubehalten, müsste im Gegenzug die Dichte des Gesamturans von derzeit maximal 3,0 g U/cm³ auf über 3 g/cm³ × 93% / 50% = 5.6 g/cm³ erhöht werden. Tatsächlich muss die Dichte noch darüber hinaus erhöht werden um die gestiegene parasitäre Absorption durch das zusätzliche 238U und anderer Bestandteile des Brennstoffs im Kern zu kompensieren. Diese Dichte übersteigt die Qualifikation des gegenwärtig verwendeten Brennstoffs, weshalb ein neuer Brennstoff entwickelt werden muss.

Technisch machbare Dichten bei 16 g U/cm³

Mit der Einführung eines neuen Brennstoffes für den FRM II müssen auch die Berechnungen zum Neutronenfluss und zur Kühlbarkeit der Brennelemente aktualisiert werden. Da in den Bedingungen zur Umrüstung festgelegt ist, dass die wissenschaftliche Qualität der Neutronenquelle beibehalten werden muss, was die Beibehaltung der Zykluszeit von 60 Tagen bedingt, muss die Dichte an spaltbarem Material also überkompensiert werden, so dass nicht nur 5.6 g U/cm³ sondern insgesamt 8 g U/cm³ benötigt werden. Diese Überkompensation muss umso höher ausfallen, je weiter die Anreicherung abgesenkt wird, bis man schließlich bei ca. ca. 19 g U/cm³ an eine natürliche Grenze für die maximal mögliche Dichte des Urans stößt. Technisch machbar sind Dichten bis etwa 16 g U/cm³.

Anreicherung weiter abgesenkt

Neben dem Entwurf neuer und angepasster Kerne auf Basis der sich in der Entwicklung befindenden Brennstoffe beteiligt sich die Arbeitsgruppe auch an der Entwicklung neuer und der Pflege und Verbesserung bestehender Softwaresysteme für die Reaktorberechnung. Dies umfasst sowohl Neutronik-, als auch Abbrand- und Thermohydraulik-Codes. Durch den Einsatz neuartiger Programmsysteme und verschiedener Optimierungen sowie kleinerer Änderungen an der Geometrie ist es der Arbeitsgruppe damit inzwischen gelungen, die für eine Umrüstung benötigte Anreicherung unter gewissen Vorbehalten auf bis zu 25% zu senken.