Brennstoff-Fertigung

Der erfolgversprechendste Brennstoff-Kandidat für die Umrüstung des FRM II zu niedriger angereichertem Uran, Uran-Molybdän (U-Mo), kann in zwei verschiedenen Formen verwendet werden:

  • Als disperser Brennstoff. Hierbei liegt das U-Mo in Form eines feinen Pulvers eingebettet in einer Aluminium-Matrix vor. Die Brennstoffplatte ergibt sich durch Einhüllung dieses Kerns in einen sog. Bilderrahmen, auch Cladding genannt, aus Aluminium.
  • Als monolithischer Brennstoff. Hierbei handelt es sich um eine massive, metallische Folie aus U-Mo, welche vom Cladding umhüllt ist.

Die Forschung der Arbeitsgruppe „Hochdichte Kernbrennstoffe“ beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit der Fertigung monolithischer Brennstoffe, da mit diesen naturgemäß die höchste Urandichte, und damit die niedrigste Anreicherung nach einer Umrüstung erreicht werden kann.

Fertigung monolithischer U-Mo-Brennstoffe

Zunächst wird mittels Legieren aus Uran und Molybdän die U-Mo-Legierung im gewünschten Mischungsverhältnis hergestellt und diese anschließend mittels Walzen in Folienform gebracht. Zur Vermeidung unerwünschter Diffusion zwischen U-Mo und Aluminium wird diese Folie vor der Aufbringung des Claddings mit einer Diffusions-Sperrschicht überzogen.

Die Fertigung monolithischer U-Mo-Brennstoffe findet im Verbund mit internationalen Kooperationspartnern statt. Während U-Mo-Folien derzeit aus US-amerikanischer Fertigung bezogen werden und das Cladding beim französischen Brennstoff-Fertiger Framatome-CERCA mittels des sog. C2TWP-Verfahrens aufgebracht wird, hat sich die TUM auf die Entwicklung eines leistungsfähigen und flexiblen Verfahrens zur Beschichtung der U-Mo-Folien mit Diffusions-Sperrschichten spezialisiert. Hierfür betreibt die TUM ein eigens eingerichtetes und nach §9 AtG genehmigtes Kernbrennstofflabor auf dem Gelände des FRM II.

Beim hierbei zum Einsatz kommenden Verfahren der physikalischen Gasphasen-Abscheidung (physical vapor deposition, PVD) handelt es sich um ein Plasmaverfahren, bei dem das aufzubringende Material (z.B. Zirkonium) in einem Niederdruck-Plasma atomar zerstäubt und auf das Substrat (U-Mo) aufgedampft wird.

Im Gegensatz zu alternativen Verfahren, wie sie z.B. in US-amerikanischer Brennstoffentwicklung zum Einsatz kommen, erlaubt das PVD-Verfahren die Aufbringung nahezu aller Schichtmaterialien in beliebigen Dicken. Auch die Beschichtung komplexerer Geometrien, wie z.B. U-Mo-Folien mit Dickenprofil ist mit dem PVD-Verfahren problemlos möglich.

Das vollständige Fertigungsverfahren für monolithische U-Mo-Brennstoffe befindet sich am Übergang vom prototypischen zum Pilot-Entwicklungsstadium und wird derzeit im Rahmen der Testbestrahlung EMPIrE validiert. Die Industrialisierung des Verfahrens ist mit großen technischen Herausforderungen verbunden, daher eignet es sich derzeit noch nicht für die Produktion von U-Mo-Brennstoffen im industriellen Maßstab. Neben der TUM Arbeitsgruppe „Hochdichte Kernbrennstoffe“ sind mehrere Forschungsgruppen weltweit damit beschäftigt, das Fertigungsverfahren weiter zu entwickeln.

Im Rahmen eines Kooperationsvertrages mit dem französischen Brennstoff-Fertiger Framatome-CERCA arbeitet die TUM seit 2019 an der Schaffung einer vollständigen Europäischen Fertigungsmöglichkeit für monolithische U-Mo-Brennstoffe, inklusive der bisher aus den USA bezogenen U-Mo-Folien.

Fertigung disperser U-Mo-Brennstoffe

Zunächst wird mittels Legieren aus Uran und Molybdän die U-Mo-Legierung im gewünschten Mischungsverhältnis hergestellt. Diese wird mittels Atomisieren zu feinem Pulver verarbeitet und mit einer Diffusions-Sperrschicht beschichtet. Nach Mischen dieses Pulvers mit Aluminium-Pulver wird daraus ein kompaktierter Pressling hergestellt und mit dem Cladding versehen.

Die Fertigung disperser U-Mo-Brennstoffe findet beim französischen Brennelemente-Fertiger Framatome-CERCA in enger Kooperation mit den europäischen Partnern, u.a. der TUM, statt.

Beispielsweise wurde der prototypische Atomisierungsprozess von Mitarbeitern der Arbeitsgruppe „Hochdichte Kernbrennstoffe“ vor Ort entwickelt und optimiert. Bei diesem Prozess wird ein zylindrisches U-Mo-Metallstück mit extrem hoher Geschwindigkeit um seine Achse gedreht und währenddessen z.B. mit einem Lichtbogen lokal aufgeschmolzen. Auf Grund der hohen Drehgeschwindigkeit zerstäubt die Schmelze in feine Tröpfchen welche sich sofort zu einem feinen Pulver verfestigen.

Im Gegensatz zu alternativen Verfahren für die Produktion von U-Mo-Pulver, wie z.B. Mahlen, liefert der Atomisierungsprozess exakt sphärisches (rundes) Pulver, welches somit für eine Beschichtung mit einer Diffusions-Sperrschicht geeignet ist.

Das vollständige Fertigungsverfahren für disperse U-Mo-Brennstoffe befindet sich, ebenso wie für monolithische Brennstoffe, am Übergang vom prototypischen zum Pilot-Entwicklungsstadium und wird derzeit im Rahmen der Testbestrahlung EMPIrE validiert.

 

Fertigung hochdichter U₃Si₂-Brennstoffe

Im Gegensatz zu U-Mo-Brennstoffen in monolithischer oder disperser Form haben Brennstoffe auf Basis von U3Si2 auf Grund des hohen Siliziumanteils eine deutlich geringere Urandichte. Auf Grund der Sprödigkeit von U3Si2 kann dieser Brennstoff auch nicht in monolithischer, sondern ausschließlich in disperser Form verwendet werden. Unter Beibehaltung der Obergrenze des Brennstoffpartikel-Anteils in der Matrix von 50 Vol.-% resultiert daraus eine theoretische, maximal erreichbare Urandichte von ca. 5,6 gU/cm³, und damit die niedrigste Urandichte aller Brennstoffkandidaten.

Die Fertigung dieses Brennstoffkandidaten wird von Framatome-CERCA entwickelt und durchgeführt. Zunächst wird Uran mit Silizium legiert und der entstandene Ingot zu U3Si2-Pulver vermahlen. Dieses Pulver wird nun mit Aluminiumpulver vermischt und kompaktiert. Abschließend wird der Kern mit dem Aluminium-Cladding versehen und zu einer Brennstoffplatte gewalzt.