Zirkoniumlegierungen (Zr-Legierungen) besitzen eine Reihe von Eigenschaften, die sie zu idealem Hüll- und Strukturmaterial für Brennelemente von Leistungsreaktoren machen. Sie sind korrosionsresistent, hochgradig verformbar, zeigen gutes Verhalten in heißem Wasser und weisen eine sehr geringe Neutronenabsorption auf. Allerdings sind die Komponenten dieser Legierungen anfällig für die sogenannte Wasserstoffversprödung, welche aus der Oxidation der Zr-Legierungen im Wasser resultiert. Sobald die Legierung Wasserstoff aufnimmt, wird das Hüllmaterial brüchig und bekommt Risse. Dies wiederum verringert seine Verformbarkeit. Doch welcher genaue Mechanismus verbirgt sich hinter dieser Wasserstoffversprödung? Und wie lassen sich Zirkoniumlegierungen verbessern, um dem standzuhalten? Diesen Fragen will Dr. Sergio Raul Soria in seinem Forschungsprojekt am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) auf den Grund gehen.
Dr. Soria studierte Physik und Ingenieurwissenschaften am Instituto Balseiro in Bariloche, Argentinien. Schon in seiner Doktorarbeit widmete er sich den unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften und Zersetzungsprozessen von nuklearen Materialien. Daher war er umso begeisterter das Forschungsprojekt einer ehemaligen Doktorandin zu übernehmen, das sich mit der Veränderung der mechanischen Eigenschaften von Zr-Legierungen aufgrund von Wasserstoffversprödung beschäftigt. Dr. Soria startete mit dem Projekt im April 2018 in Argentinien. Doch für weiterführende Experimente und die die Beantwortung seiner Fragestellung wollte der Argentinier zum MLZ nach Garching kommen. Dafür erhielt er sogar das hochangesehene Georg Forster-Forschungsstipendium der Humboldt-Stiftung, das lediglich an ausländische Wissenschaftler mit exzellenter wissenschaftlicher Qualifikation vergeben wird.
Seit September 2018 untersucht Dr. Soria nun die Umverteilung von Wasserstoffatomen in Zr-Legierungen bei wechselnden Konzentrationen, Temperaturen sowie Spannungen. Um die Wasserstoffatome in der Probe zu erkennen, benutzt er die Neutronen-Radiographie-Anlage ANTARES der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II). Die Messungen mit ANTARES‘ kaltem Neutronenfluss eignen sich besonders gut für Dr. Sorias Experimente wegen der hohen Durchdringung von Metallen und der hohen Empfindlichkeit für Wasserstoff. „Ich hoffe, dass ich den Zersetzungsprozess der Wasserstoffversprödung von Zirkoniumlegierungen mithilfe von ANTARES erklären kann. So könnten wir u.a. das Hüllmaterial für Brennelemente in Zukunft verbessern.“
Die Arbeit an ANTARES – eine der weltweit besten Neutronen-Radiographie-Anlagen – dient nicht nur der Beantwortung von Dr. Sorias Forschungsfrage, sondern erfüllt zugleich einen Weiterbildungszweck. In seiner Heimat, Argentinien, baut die Nationale Atomenergie-Kommission (CNEA) zurzeit einen neuen Forschungsreaktor, den RA-10. „Eines der Instrumente am neuen Reaktor in Argentinien wird ANTARES sehr ähnlich sein“, erklärt Dr. Soria, „Wenn ich also die Technik hier an ANTARES meistere, dann erfülle ich die Voraussetzungen am Instrument das RA-10 arbeiten zu können.“
Abgesehen von der finanziellen Unterstützung, der individuellen Betreuung und Intensivdeutschkursen bietet das Georg Forster-Forschungsstipendium die Möglichkeit, nach dem Ende des Forschungsaufenthalts für weitere Projekte nach Deutschland zurück zu kommen. „Ich genieße mein erstes Mal hier in Europa. Ich mag die deutsche Gastfreundlichkeit, die bayerische Landschaft und natürlich das Bier“, sagt Dr. Soria mit einem Schmunzeln, „ich freue mich schon darauf zum MLZ zurückzukommen und ein weiteres spannendes Projekt mit Neutronen zu starten!“ Das MLZ schätzt sich sehr glücklich, internationale Wissenschaftler wie Dr. Soria zu fördern und ihnen seine erstklassigen Forschungsinstrumente zur Verfügung zu stellen.