Neutronen-CT als bildgebendes Verfahren für sicherere Brennelemente

Die Entwicklung neuer und vor allem sichererer Kernbrennstoffe ist ein weltweites Ziel, woran sich auch das Idaho National Laboratory und das Heinz Maier-Leibnitz Zentrum maßgeblich beteiligen. Um die Belastbarkeit von Brennelementen zu testen, werden sie zunächst Extrembedingungen ausgesetzt und anschließend untersucht. Nun haben Forscher beider Institute das weltweit erste Neutronen-CT-System für bestrahlte Brennstoffe entwickelt, um den inneren Zustand der Testbrennstoffe zerstörungsfrei zu untersuchen und auf dieser Grundlage effizientere und sicherere Kernbrennstoffe zu entwickeln.


Brennstab in einer Titankapsel mit einzelnen Brennstofftabletten. Der Neutronen-CT zeigte auch eine Ausbuchtung der bei den Tests im TREAT-Reaktor erzeugten Umhüllung. © Aaron Craft (INL)

Das Idaho National Laboratory (INL) und das Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) arbeiten seit zwei Jahren zusammen, um die digitale Neutronen-Computertomographie am INL zur Entwicklung sicherer Kernbrennstoffe zu etablieren. Das INL entwickelt seit vielen Jahrzehnten sicherere und effizientere Kernbrennstoffe für zivile Kernreaktoren. Um sichere Betriebsgrenzen festzulegen, muss die Belastbarkeit und Leistung der Kernbrennstoffe bestimmt werden. Dafür werden beispielsweise Prototypen von Kernbrennstoffen in der Transienten-Reaktortest-Anlage (TREAT) des INL unter extremen Bedingungen getestet – ähnlich wie bei einem Crashtest in der Automobilindustrie.

Nach den Tests bei TREAT werden die geborstenen und somit nicht mehr nutzbaren Brennstäbe in der Neutronenradiographie-Reaktor-Anlage (NRAD) des INL untersucht. Mit Neutronen lassen sich insbesondere dichte Materialien (z.B. Uran in Kernbrennstoffen) untersuchen, die Röntgenstrahlen nicht durchdringen können. Der Prozess der Neutronenradiographie ist zudem wenig empfindlich gegenüber der vom Brennstoff emittierten Gammastrahlung. So können Forscher den inneren Zustand des Testbrennstoffes zerstörungsfrei visualisieren.

Dr. Aaron Craft vom INL und Dr. Burkhard Schillinger vom Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) haben nun zusammen mit Kollegen ein Neutronen-CT-System zur Untersuchung von Kernbrennstoffen entwickelt. Die Einrichtung eines solchen Neutronen-CT-Systems ist eine schwierige Aufgabe, da die Elektronik des Systems bei unzureichender Abschirmung durch die Strahlung beschädigt werden kann. Eine angepasste Version der am Tomographiesystem der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) entwickelten und verwendeten Steuerungssystemsswurde bei NRAD installiert. Dieses weltweit erste digitale Neutronen-CT kann tiefere Einblicke in die Eigenschaften von Kernbrennstoffen liefern.

Das INL und das MLZ sind auch Teil der weltweiten Bemühungen zur Entwicklung von Brennstoffen mit geringem Anreicherungsgrad für Forschungsreaktoren, die derzeit noch hochangereicherten Brennstoff benötigen, um optimale Forschungsergebnisse zu liefern (derzeit fünf Reaktoren in den USA und zwei in Europa). Während die Umstellung auf niedrig angereicherte Brennstoffe eine technische Herausforderung ist und noch viele Jahre dauern wird, können die hier genannten Fortschritte in der Untersuchungstechnik die Entwicklung von niedrig angereicherten Brennstoffen für die Umrüstung dieser Reaktoren beschleunigen.