Fragen und Antworten zur Umrüstung des FRM II auf niedriger angereichertes Uran

Der FRM II wird von hoch angereichertem Uran (HEU) auf niedriger angereichertes Uran umrüsten.

Der FRM II nutzt derzeit Brennelemente mit 93 % Anreicherung. Wie ist der Stand der Umrüstung auf ein Brennelement mit niedrigerer Anreicherung?

Zur Kompensation der niedrigeren Anreicherung muss das spaltbare Uran physikalisch dichter gepackt werden, um den Nutzern weiterhin Neutronen ohne unverhältnismäßige Einbußen bereitstellen zu können. Ein solcher Brennstoff ist derzeit weltweit nicht verfügbar und muss nach seiner Entwicklung für den Einsatz am FRM II qualifiziert werden. Alleine am FRM II erforscht eine fünfzehnköpfige Forschungsgruppe dafür mögliche Brennstoffe und Einsatzszenarien. Das geschieht unter anderem in einem europäischen Forschungsverbund, der von der EU mit über 10 Millionen Euro gefördert wird. Zudem gibt es eine enge Zusammenarbeit mit den USA, denn allein in den USA sollen fünf Hochflussreaktoren umgerüstet werden.

Warum wurde der FRM II Ende 2010 nicht umgerüstet?

In einer Nebenbestimmung der Betriebsgenehmigung des FRM II von 2003 heißt es, dass diese Umrüstung bis Ende 2010 zu erfolgen habe, vorausgesetzt ein geeigneter Brennstoff wäre vorhanden. Nur mittels eines geeigneten, dichteren, Brennstoffs kann im bestehenden Brennelement und bei gleicher thermischer Leistung des FRM II die Anreicherung des spaltbaren Urans auf unter 50 % abgesenkt werden. Diese Umrüstung konnte nicht im vorgesehenen Zeitrahmen stattfinden, da die notwendige Voraussetzung - ein geeigneter, qualifizierter und dichterer Brennstoff - nicht erfüllt war.

Was wird derzeit von der Technischen Universität München konkret zur Umrüstung unternommen?

Unmittelbar nachdem die Betriebsgenehmigung im Jahr 2003 erteilt wurde, hat eine Arbeitsgruppe der TUM mit der Erforschung hochdichter Uranbrennstoffe begonnen. Sie untersucht derzeit zwei mögliche Brennstoffe aus Uranmolybdän: einmal U-Mo-Pulver vermischt mit Aluminium (dispers) und einmal als durchgehende Platte (monolithisch). Ferner wird an einer weiteren Verdichtung des aktuellen Brennstoffs U3Si2 gearbeitet. In allen Fällen ist die eigentliche Brennstoffzone noch in einer Art Bilderrahmen aus Aluminium eingefasst. Die Test-Bestrahlungen der gefertigten Brennstoffplatten erfolgen in sogenannten Materialtest-Reaktoren in Europa und den USA.

Zusammen mit den Betreibern der Hochleistungsforschungsreaktoren in Europa (SCK-CEN, ILL und CEA) und dem Brennelement-Hersteller Framatome-CERCA forscht die TUM in der Kooperation HERACLES an allen drei Lösungen. Dies erfolgt in enger Abstimmung mit Partnern aus den USA und Korea.

Einmalig ist, wie die TUM-Forscher die Strahlenschäden in den neuen Uranlegierungen durch Beschuss mit hochenergetischen Schwerionen am Maier-Leibnitz-Laboratorium (MLL) der LMU und der TUM simulieren. In aufwändigen Computersimulationen werden Szenarien für den Einsatz des Kernbrennstoffes entwickelt.

Wieso dauert die Entwicklung des neuen Brennstoffes so lange?

Als die Vereinbarung über die Umrüstung im Jahr 2003 für den FRM II zwischen Bund und dem Land Bayern in Kraft trat, erschien damals international der pulverförmige Uranmolybdän-Brennstoff ein vielversprechender Kandidat für die Brennstoffentwicklung. Diese Hoffnungen wurden erstmals Ende 2004 enttäuscht, als einige Testplatten dieses Brennstoffes bei Testbestrahlungen in Testreaktoren in den USA und in Europa anschwollen und aufplatzten. Darauf erfolgte deutliche metallurgische Verbesserungen des Brennstoffs erwiesen sich wiederrum in Testbestrahlungen um 2013 als noch nicht hinreichend für eine atomrechtliche Genehmigung.

Nun werden weltweit mit weiter verbesserten Fertigungstechniken hergestellte, neue Platten aus verändertem Material getestet. Für eine Testbestrahlung dauert die Antragsgenehmigung etwa ein Jahr. Daran schließt sich eine Bestrahlungszeit von eineinhalb Jahren in einem Testreaktor an. Die Abklingzeit der hochradioaktiven Brennstoffplatten beträgt noch einmal bis zu einem Jahr. Erst danach können die notwendigen Nachbestrahlungsuntersuchungen durchgeführt werden. Aufgrund der hohen Kosten, die mit einem Bestrahlungstest verbunden sind, werden die Tests seriell ausgeführt.

Kommt das Uran des FRM II aus Russland?

Nicht nur, sondern auch aus den USA. Der Brennstoff wird ausschließlich im Rahmen des Atomwaffensperrvertrages und unter Abschluss bilateraler Staatsverträge geliefert.

Kann man aus einem HEU-Brennelement des FRM II tatsächlich eine Atombombe bauen?

Die einfache Gegenüberstellung eines Brennelements aus dem FRM II und Kernwaffen ist wissenschaftlich nicht haltbar. Laut der IAEA-Richtlinie für waffenfähiges Uran ist hochreines, metallisches Uran mit einer Dichte von mehr als 19 g/cm³ notwendig. Für die Gewinnung kernwaffenfähigen Materials aus frischen oder abgebrannten Brennelementen sind komplexe physikalische und chemische Verfahren notwendig, die nur in großtechnischen Anlagen möglich sind. Die frischen und abgebrannten Brennelemente aus dem FRM II sind somit in ihrer vorliegenden Form nicht waffenfähig.

Ist die Technische Universität München alleine auf der Suche nach einem neuen, hochdichten und niedriger angereichertem Brennstoff?

Die TUM forscht im europäischen Verbund „HERACLES“ gemeinsam mit Institutionen aus Frankreich und Belgien. Auch die USA betreiben sehr großen Forschungsaufwand, wobei sich die Forschergruppen beider Kontinente intensiv über die Ergebnisse austauschen. Ferner steht die TUM in regem Austausch mit Partnern in Korea. Weltweit werden derzeit noch einige Forschungsreaktoren (außerhalb Russlands) mit HEU betrieben. Für mehr als ein Dutzend dieser leistungsfähigen Forschungsreaktoren gibt es noch keinen hochdichten Brennstoff, um sie auf niedrigere Anreicherung umzurüsten. Etwa die Hälfte dieser noch nicht umrüstbaren Forschungsreaktoren steht in den USA.

Wie hat sich die USA zu dem neuen FRM II geäußert?

In einem Schreiben an den damaligen bayerischen Wissenschaftsminister Hans Zehetmair betonte im Jahr 2002 der stellvertretende amerikanische Generalkonsul Dr. Daniel E. Turnbull im Namen der US-Regierung, dass man den FRM II „niemals als Proliferationsrisiko angesehen" habe. Die USA habe keine Bedenken in Bezug auf die nuklearen Materialien, schrieb der stellvertretende Generalkonsul.

Im Rahmen eines Arbeitstreffens mit dem US-amerikanischen Department of Energy im Jahre 2019 äußerte sich ein Vertreter wie folgt: „Das […] Treffen mit Experten des FRM II und des bayerischen Staatsministeriums für Wissenschaft und Kunst war ein wichtiger Schritt in unserer partnerschaftlichen Zusammenarbeit zur Umrüstung des FRM II auf einen LEU-Brennstoff. Alle Parteien einigten sich zum einen auf die Erarbeitung eines technischen Programms zwischen dem FRM II und den U.S. National Laboratories und zum anderen auf die Einrichtung eines bilateralen Gremiums, um die erfolgreiche Umrüstung des FRM II zu unterstützen. Die Vereinigten Staaten freuen sich auf die enge Zusammenarbeit mit Deutschland und dem FRM II, als auch mit anderen Partnern weltweit, um die zivile Nutzung von HEU zu beenden.“

Wie viel kostet die Entwicklung des neuen Brennstoffes für den FRM II?

Einen zweistelligen Millionenbetrag, dessen Finanzierung sich die Bundesrepublik Deutschland und das Land Bayern teilen.

Warum gehen die deutschen Neutronenforscher nicht einfach an die internationale Neutronenquelle ILL in Grenoble, Frankreich?

Forschung ins Ausland abwandern zu lassen, ist keine Lösung. Im Übrigen wird auch die Forschungsneutronenquelle des ILLs - da besonders leistungsstark - mit HEU betrieben. Auch das ILL ist Partner im HERACLES-Konsortium. Der FRM II ist nicht nur für deutsche Forscher notwendig. Jährlich kommen 1000 Gastwissenschaftler aus der ganzen Welt nach Garching, um hier ihre Experimente mit Neutronen durchzuführen. Sowohl am FRM II als auch an der Einrichtung in Frankreich ist die Nachfrage nach Forschungsmöglichkeiten so groß, dass beide Neutronenquellen dringend benötigt werden. Die Nachfrage nach Messzeit ist doppelt so hoch wie die verfügbare Zeit. Es wird deshalb sogar an einer europäischen Spallationsneutronenquelle gearbeitet.

Ist LEU oder HEU radioaktiver?

Von einem frischen Brennelement, gleich ob aus LEU oder HEU, geht keine Gefährdung für Menschen aus. Es ist nur sehr schwach radioaktiv und sendet fast ausschließlich leicht abschirmbare α-Strahlung aus. Benutzte Brennelemente sind auf Grund der erzeugten Spaltprodukte hochradioaktiv und bedürfen selbst langfristig besonderer Abschirmmaßnahmen. Die radioaktive Strahlung eines abgebrannten hochangereicherten Brennelements rührt im Wesentlichen von den Spaltprodukten mit einer langfristig dominierenden Zerfallszeit von 30 Jahren. Ein abgebranntes niedrig angereichertes Brennelement enthält wesentliche höhere Mengen an Plutonium mit einer langfristig dominierenden Zerfallszeit von 24.000 Jahren. Deshalb ist die radioaktive Bürde eines ursprünglichen HEU-Brennelements deutlich geringer.

Ein Brennelement des FRM II enthält nach seinem Einsatz noch zu 85% angereichertes Uran. Nun äußerte der Verein „Umweltinstitut München“ die Idee, in Garching eine Anlage zu erbauen, die die Brennelemente abreichert, bevor sie zwischengelagert werden.

In so einer Anlage müssten die Brennelemente entweder chemisch aufgelöst oder eingeschmolzen werden, um den darin verbliebenen hochangereicherten Brennstoff irreversibel mit Uran niedriger Anreichung zu vermischen. Hierbei würden u.a. die in den Brennstoffplatten gebundenen gasförmigen und leichtflüchtigen radioaktiven Spaltprodukte frei gesetzt und müssten aufwendig zurückgehalten werden. Die Technik dieser Anlage entspräche in weiten Teilen der einer Wiederaufbereitungsanlage, wie sie in den 1980er Jahren in Wackersdorf errichtet werden sollte und im französischen La Hague u.a. für Brennelemente aus Kernkraftwerken genutzt wird. Es verwundert, dass der Bau und Betrieb einer derartigen Anlage in Garching allen Ernstes gefordert wird.

Sofern man einen solchen Verarbeitungsschritt anstrebt, wäre es vernünftiger und technisch machbar, die Brennelemente des FRM II z.B. in der existierenden Anlage in La Hague zu verarbeiten. Die kleine Menge hochangereicherten Kernbrennstoffs aus den Brennelementen des FRM II würde dort mit den großen Mengen niedrig angereicherten Urans aus den Kernkraftwerken vermischt, damit verdünnt und gleichzeitig einer sinnvollen Wiederverwendung zugeführt.