Theoretische Kernmodellierung

Das gegenwärtige Brennelement des FRM II enthält 8,1 kg Uran in Form von U3Si2 Pulver, eingebettet in eine Al-Matrix, mit einer Anreicherung von 93% und einer maximalen Dichte von 3,0 gU/cm³. Ein solches Brennelement reicht aus, um die Neutronenquelle für 60 Tage bei einer Leistung von 20 MW zu betreiben. Im Rahmen der Umrüstung und in Abstimmung mit der Brennstoff-Fertigung und -Entwicklung werden von der Arbeitsgruppe verschiedene Reaktormodelle bzw. -studien entwickelt. Dabei gilt es technische, aber vor allem physikalische Aspekte zu berücksichtigen:

  • Die Sicherheitsfaktoren des Reaktors dürfen sich in keinster Weise verschlechtern. Die Kühlbarkeit des Kerns muss zu jedem Zeitpunkt gewährleistet werden, die bei der Kernspaltung entstehenden Spaltgase müssen sicher in den Brennstoffplatten eingeschlossen werden und ein neuer Brennstoff muss auch unter Bestrahlung mechanisch stabil bleiben.

  • Die wissenschaftliche Performance des FRM II muss unverändert weltweit führend bleiben. Dazu gehört eine unveränderte Zykluslänge von 60 Tagen und nur marginale Änderungen des nutzbaren Neutronenflusses.

  • Die Nutzung eines Brennstoffs mit niedrigerer Anreicherung beeinflusst den Reaktor durch eine erhöhte parasitäre Absorption in 238U und durch andere Kinetikparameter.

  • Ein neues Brennelement muss in industriellem Maßstab zu wirtschaftlichem Preis fertigbar sein. Damit ergeben sich Einschränkungen bei Fertigungstechniken und -komplexität.

Um all diese Aspekte in ihren Studien zu berücksichtigen, setzt die Arbeitsgruppe modernste Computermethoden ein, die Neutronik, Abbrand sowie Thermohydraulik und -mechanik gekoppelt erfassen können. Zusammen mit den internationalen Partnern bringt sich die Arbeitsgruppe aktiv in die Weiterentwicklung und Validierung der verwendeten Computercodes ein, und stellt den Fortschritt regelmäßig auf Konferenzen und in wissenschaftlichen Veröffentlichungen dar.

Fortschreitender Erfolg und wissenschaftliche Projekte

Durch verschiedene Optimierungen sowie marginale Änderungen an der Geometrie des Brennelements ist es der Arbeitsgruppe damit inzwischen gelungen, in theoretischen Modellrechnungen die für eine Umrüstung benötigte Anreicherung unter gewissen Vorbehalten auf weit unter 50% zu senken. Um das Ziel der niedrigst-möglichen Anreicherung zu erreichen, wurden in der jüngsten Vergangenheit neue Forschungsprojekte gestartet:

  • Die Validierung von 3D-Fluiddynamik-Codes für den Einsatz in Hochleistungsforschungsreaktoren
  • Die Validierung von Abbrand-Codes mittels verschiedener experimenteller Methoden