Brennstoff-Entwicklung

Da größere geometrische Änderungen am äußerst kompakten Kern nahezu unmöglich sind, kann eine niedrigere Anreicherung nur durch die Erhöhung der Urandichte erreicht werden. Um die parasitäre Absorption durch 238U auszugleichen, muss die Urandichte jedoch überproportional erhöht werden. Aktuell existiert kein qualifizierter Brennstoff, der die benötigten Urandichten zur Verfügung stellen kann. Es existieren jedoch mehrere vielversprechende Brennstoffkandidaten, die sich maßgeblich in der möglichen Urandichte unterscheiden:

  • Eine hochdichte Variante des aktuell verwendeten U3Si2 (hochdichtes disperses U3Si2)
  • Legiertes Uran-Molybdän (U-Mo) Pulver in Al-Matrix (disperses U-Mo)
  • Legiertes U-Mo in Folienform (monolithisches U-Mo)

Während der bisher am FRM II eingesetzte U3Si2-Brennstoff eine Urandichte von bis zu 3,0 gU/cm³ erreicht, wird im Rahmen internationaler Brennstoffforschung die Machbarkeit einer hochdichten U3Si2-Variante mit Dichten von 4,8 gU/cm³ und darüber hinaus untersucht. Prinzipbedingt lassen sich mit U-Mo weit höhere Werte erreichen. So kommt disperses U-Mo auf bis zu 8 gU/cm³ und monolithisches U-Mo sogar auf über 15 gU/cm³.

Der FRM II ist aktiv an der Erforschung aller drei Varianten beteiligt und bezieht diese auch in die reaktorphysikalischen Studien ein. Auf Grund der höchsten Urandichte fokussiert die TUM ihre Arbeiten jedoch auf monolithisches U-Mo. Nur dies erlaubt der TUM die Verfolgung des Ziels einer möglichst niedrigen Anreicherung. Die anderen Brennstoff-Varianten werden überwiegend von den Partnern im HERACLES-Konsortium erforscht.

Ausbildung von Interdiffusions-Schichten

Ein wichtiger Teil der Entwicklung neuer Kernbrennstoffe sind Testbestrahlungen von Brennstoffplatten in eigens hierfür ausgelegten Forschungsreaktoren, den Materialtest-Reaktoren. Bei frühen Testbestrahlungen hochdichter metallischer Brennstoffe auf Uran-Molybdän-Basis (U-Mo) zeigte sich die Bildung einer unerwünschten Interdiffusions-Schicht (interdiffusion layer, IDL) am Übergang zwischen dem Brennstoff U-Mo und dem umgebenden Aluminium. Diese amorphe Schicht hält die bei der Kernspaltung entstehenden gasförmigen Spaltprodukte – im Gegensatz zu U-Mo selbst – nur schlecht zurück. Dies kann zu einem übermäßigen Anschwellen der Brennstoffplatten unter Bestrahlung führen, sodass sie in dieser Form für einen Einsatz in Reaktoren ungeeignet sind.

Eine der zentralen Herausforderungen der Brennstoff-Entwicklung ist es daher, die Bildung dieser Schicht zu verhindern bzw. hinreichend zu verzögern. Dies geschieht beispielsweise durch das gezielte Aufbringen von Diffusions-Sperrschichten zwischen U-Mo und Aluminium.

Bestrahlungsversuche mit Schwerionen

Um zeitnah die Wirksamkeit dieser und anderer Maßnahmen überprüfen zu können, sind wie eingangs erwähnt Testbestrahlungen in Materialtest-Reaktoren nötig. Diese bedeuten jedoch nicht nur einen hohen finanziellen Aufwand, sondern die Brennstoffplatten werden durch die Bestrahlung selbst hochgradig radioaktiv, was eine aufwändige, kostspielige und langwierige Untersuchung der Platten in heißen Zellen erfordert.

Als Alternative zu diesen Testbestrahlungen hat die TUM das Konzept der Schwerionen-Bestrahlung entwickelt. Hierbei werden Brennstoffe nicht mit Neutronen, sondern mit Iod-Ionen, welche in Energie und Impuls den Produkten der Kernspaltung ähneln, bestrahlt. Dies ermöglicht eine Nachbildung des Einflusses der Kernspaltung auf den Brennstoff, ohne die Erzeugung hoch-radioaktiver Spaltprodukte.

Mittels dieser Technik werden am Maier-Leibnitz-Beschleunigerlabor der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) und der TUM Mini-Proben, welche den realen Brennstoff nachbilden und mit verschiedenen Diffusions-Sperrschichten versehen sind, bestrahlt.

Es wurde gezeigt, dass mit Hilfe hinreichend dicker Diffusionsbarrieren aus Materialien wie Silizium (Si), Zirkonium (Zr), Titan (Ti) oder Molybdän (Mo) sowie Zirkonium-Nitrid (ZrN) oder Titan-Nitrid (TiN) die Bildung einer Interdiffusions-Schicht stark verzögert bzw. verhindert werden kann. Zahlreiche US-amerikanische und europäische in-pile Testbestrahlungen bestätigen diese Ergebnisse, zeigen aber zugleich, dass zur Verhinderung des übermäßigen Anschwellens weitere Maßnahmen, wie z.B. eine Homogenisierung des Molybdän-Gehalts im U-Mo erforderlich sind. Die Implementierung und Erprobung dieser und weiterer Maßnahmen gehört zu den aktuellen zentralen Forschungsaufgaben.

Physikalische Daten

Neben den Schwerionen-Bestrahlungen beteiligt sich die Arbeitsgruppe auch an einer Vielzahl weiterer für die Brennstoff-Qualifizierung notwendiger Materialcharakterisierungen. Diese umfassen unter anderem die Bestimmung thermophysikalischer Eigenschaften wie der Wärmeleitfähigkeit von frischem und abgebranntem Brennstoff sowie die genaue Charakterisierung des Phasenverhaltens von U-Mo.