- Das Schweizer Paul Scherrer Institut nutzt neue Röntgentechnik zur Untersuchung der Korrosion von Kernbrennstoffhüllen.
- Die Studie zeigt, dass das Hüllmaterial nach jahrelangem Einsatz weiterhin dicht und schützend wirkt.
- Die neue Technik kann die Reaktorwasserchemie verbessern und Materialeigenschaften anpassen helfen.
- Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift 'Advanced Engineering Materials' veröffentlicht.
Forschende des Schweizer Paul Scherrer Instituts (Paul Scherrer Institute, PSI) haben mithilfe einer neuen Röntgenbildgebungstechnik die innere Korrosion von Kernbrennstab-Hüllmaterialien dreidimensional untersucht und dabei Poren von bis zu 80 Nanometern Größe identifiziert. Die Studie untersuchte, ob die Schutzschicht um die Brennstäbe nach jahrelanger Exposition gegenüber Kühlwasser und Strahlung noch wirksam ist. Das Team nutzte Hüllrohrproben aus dem Betrieb von Kernkraftwerken und kartierte deren innere Struktur mithilfe der Swiss Light Source des PSI. Die Ergebnisse zeigen, dass die Rohre während ihres Einsatzes dicht blieben und Messungen belegen, dass die schützende Oxidschicht ihre Funktion kontinuierlich erfüllte.
Diese Erkenntnisse helfen bei der Bewertung der Sicherheit von Brennstäben und dabei festzustellen, ob herkömmliche Labor-Korrosionstests die Materialverhältnisse unter Reaktorbedingungen genau widerspiegeln. In der Mitteilung wurde nicht angegeben, wann genau die Experimente stattfanden.
Korrosionsuntersuchung von Hüllmaterialien
Brennstab-Hüllmaterialien müssen während des Reaktorbetriebs dicht bleiben, obwohl die Umgebungsbedingungen Korrosion verursachen können. Daher müssen Forschende die Bildungsgeschwindigkeit der Korrosionsschicht und deren Porosität kennen. Diese Hüllrohre bestehen meist zu über 98 % aus Zirkonium, dem geringe Mengen anderer Metalle zur Verbesserung der Eigenschaften beigemischt sind. Das Hüllmaterial umhüllt gestapelte Uranoxid-Brennstoffpellets und bildet so die Brennstäbe für Kernreaktoren. Die Studie vereinte drei Forschungszentren des PSI, die Kerntechnik, Photonenwissenschaft sowie Neutronen- und Myonenwissenschaft abdecken. Im Heißlabor der Einrichtung sägten Mitarbeitende mit Präzisionssägen in abgeschirmten Heißzellen hauchdünne Scheiben aus benutzten Brennstabhüllen, die anschließend mit einem fokussierten Ionenstrahl zu Zylindern verarbeitet wurden.
Die Proben stammen von der Zirkoniumoxidschicht, die sich während des Betriebs auf der Hülloberfläche bildet.
Erstautor Okan Yetiş erklärte: «Letztlich wiesen unsere kleinen Zirkoniumoxid-Zylinder einen Durchmesser von lediglich 20 Mikrometern auf, waren also fast mit bloßem Auge unsichtbar. Ein menschliches Haar ist drei- bis viermal so dick.» Diese kleinen Proben hielten die Strahlungsemission niedrig genug, um sie außerhalb der speziellen abgeschirmten Heißzellen zu untersuchen. Das Team prüfte die Zylinder mittels der an der Swiss Light Source des PSI entwickelten ptychographischen Röntgen-Computertomographie (ptychographic X-ray computed tomography, PXCT).
Der Röntgenstrahl tastete die Proben punktweise aus verschiedenen Winkeln ab und erzeugte hochaufgelöste dreidimensionale Bilder ihrer inneren Struktur. Koautor Andreas Menzel betonte: «Wir konnten sogar Poren von nur 80 Nanometern Größe identifizieren.» Die Messungen zeigten zudem, dass die Oxidschicht nach langjährigem Einsatz ihre Schutzfunktion beibehält. PSI-Forscherin Liliana Duarte sagte: «Die an der SLS durchgeführten Messungen zeigen, dass die schützende Oxidschicht auf den Hüllrohren intakt bleibt und nach jahrelangem Einsatz weiterhin ihre Funktion erfüllt.»
Anwendungspotenzial der neuen Technik
Die Forschenden verglichen benutzte Materialien mit unbestrahlten Hüllproben, die in einem Autoklaven unter hohem Druck und hoher Temperatur Wasser ausgesetzt waren. Die Dichte der reaktorgebrauchten Proben war nahezu identisch mit der der autoklavierten Materialien, was den Wert standardisierter Korrosionstests stützt. Das bedeutet, dass Forschende für Untersuchungen nicht zwingend benutzte Hüllmaterialien benötigen. Die Erkenntnisse können auch Betreibern helfen, die Reaktorwasserchemie zu verbessern, und Herstellern dabei unterstützen, Legierungen und Wärmebehandlungen anzupassen. Die Technologie eröffnet die Möglichkeit ähnlicher detaillierter Untersuchungen für kleine modulare Reaktoren und Fusionsreaktoren.
Die Forschenden haben ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift 'Advanced Engineering Materials' veröffentlicht.
Auswirkungen der neuen Röntgentechnik auf die Kernenergiesicherheit
Der Einsatz neuer Röntgenbildgebungstechnik zur Untersuchung der Korrosion von Kernbrennstoffhüllen ist für die Sicherheit der Kernenergie von entscheidender Bedeutung. Diese Studie bestätigt nicht nur die Wirksamkeit des Hüllmaterials, sondern liefert auch eine neue Methode zur Sicherheitsbewertung von Kernbrennstäben. Angesichts wachsender Nachfrage nach Kernenergie wird der sichere Reaktorbetrieb immer wichtiger. Die Ergebnisse zeigen, dass herkömmliche Korrosionstests möglicherweise nicht ausreichen, um die tatsächlichen Verhältnisse widerzuspiegeln, was die Branche veranlasst, Materialprüfstandards zu überdenken. Zudem erstreckt sich das Anwendungspotenzial dieser Technik nicht nur auf bestehende Reaktoren, sondern auch auf kleine modulare Reaktoren und Fusionsreaktoren, was den Weg für die zukünftige Entwicklung der Kernenergie ebnet.