Von Stopfen, Strahlen und einer ganz speziellen Maschine

Dieser Dienstag während der Wartungspause ist ein besonderer Tag am FRM II: die Experimentierhalle ist schon seit einigen Tagen gesperrt, eine ganz spezielle Maschine steht zwischen den Versuchsaufbauten an der Reaktorbeckenwand und mehrere Techniker und Ingenieure in orange-farbigen Anzügen laufen geschäftig umher. Der Strahlrohrstopfenwechsel steht an. Die Vorbereitungen für diese Millimeterarbeit laufen seit zweieinhalb Jahren, und am kommenden Tag soll es endlich soweit sein: Im ersten wesentlichen Teil des Gesamtprojekts wird der Stopfen gezogen.

„Der Grund für den Austausch liegt nicht an der Fehlerhaftigkeit des alten Stopfens“

Bei einem Strahlrohrstopfen handelt es sich tatsächlich um einen Verschluss. Denn um die Neutronen aus dem Reaktorbecken zu den verschiedenen Experimenten leiten zu können, führen insgesamt zehn mit Helium gefüllte Strahlrohre in das Reaktorbecken. Die Strahlrohrstopfen verschließen diese Rohröffnungen in der 1,80 m dicken Beckenwand. „Der Grund für den Austausch liegt nicht an der Fehlerhaftigkeit des alten Stopfens“, stellt Dr. Herbert Reithmeier, Leiter der Abteilung Infrastruktur am FRM II, klar. Vielmehr handelt es sich beim alten Stopfen um einen Blindstopfen, der das Strahlrohr noch komplett verschließt. Denn das einzige horizontal durchgängige Strahlrohr wurde bisher noch nicht für die Forschung genutzt. Um nun auch hier die dafür vorgesehenen Experimente anschließen zu können, bedarf es eines neuen speziellen Stopfens mit einem Zentralkanal. Dieser soll in Zukunft einmal den Weg für ultrakalte Neutronen frei machen.

Ein wichtiger Schritt im UCN-Projekt

Der Stopfenwechsel ist damit ein wichtiger Schritt, der die Inbetriebnahme der Ultrakalten Neutronenquelle vorantreibt, wodurch das Forschungsspektrum am FRM II künftig erweitert werden soll. Ultrakalte Neutronen (UCN) bewegen sich extrem langsam, etwa mit der Geschwindigkeit eines gemütlichen Fahrradfahrers (<10 m/s) und lassen sich dadurch sehr genau untersuchen. Die wissenschaftlichen Anwendungen ultrakalter Neutronen sind vielfältig. Sie reichen von Grundlagenforschung über die genauen Eigenschaften eines Neutrons bis hin zu möglichen Erklärungen über das Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie im Universum.

Die eigentliche Prozedur des Stopfenwechsels, die insgesamt nur knappe 45 Minuten dauern soll, wurde lange im Voraus geplant, vorbereitet und geübt. Elbio Calzada, Maschinenbauingenieur am FRM II, ist der verantwortliche Projektleiter des Stopfenwechsels und hat mit seinem Team alle technischen Inhalte erarbeitet, die einem genauen Ablauf folgen:
Der Stopfen wird per Fernsteuerung mit einer Strahlrohrwechselmaschine langsam aus dem Strahlrohr gezogen, so weit, bis sich die Stahltüren vor dem offenen Strahlrohr schließen lassen. Anschließend bewegt sich der Stopfen ein weiteres gutes Stück nach hinten, um Platz für die Trägervorrichtung mit der Abschirmflasche zu schaffen, die von oben abgelassen wird. Daraufhin ändert die Strahlrohrwechselmaschine die Richtung und schiebt den Stopfen nun auf das Tragegestell und in die Abschirmflasche hinein. Stopfen und Abschirmvorrichtung werden von der Maschine entkoppelt, auf dem Gestell gesichert und schließlich mit dem Hallenkran in einen geeigneten Transportbehälter verbracht. Der neue Stopfen wird dann wenige Tage später eingesetzt.

Das A und O bei einem derartigen Projekt ist ein Team, das sich blind aufeinander verlassen kann.

„Die Komplexität ergibt sich aus den vielen kritischen Pfaden“

Die große Herausforderung beim Stopfenwechsel besteht unter anderem darin, dass der fünf Tonnen schwere Koloss während seiner Einsatzzeit aktiviert wurde. In seiner unmittelbaren Umgebung weist der Stopfen nun eine Ortsdosisleistung von bis zu 5 Sv/h auf nachdem er sich über ein Jahrzehnt in relativer Nähe zum Brennelement befand. Kritisch ist dabei vor allem eine nur fünf Millimeter dünne Stahl-Platte, die sich ganz vorn an der Nase des Stopfens befindet und in der sich 99 Prozent der gesamten Aktivität des Stopfens konzentriert. Und was genau geschieht mit diesem strahlenden Bauteil nach dem Wechsel? „Da nur der vordere Bereich radioaktiv ist, wird der Stopfen von unseren externen Partnern in Karlsruhe in zwei Teile geteilt“, erläutert Reithmeier. „Den größeren und inaktiven Teil nehmen wir zurück, beim Rest handelt es sich um radioaktiven Abfall, der entsprechend behandelt und zwischengelagert wird; später landet er dann im Bundesendlager Schacht KONRAD“.

Der Umgang mit einer relativ hochaktiven Komponente bringt viele Fragen mit sich, die zum Teil schon Monate im Voraus geklärt, genehmigt und vorbereitet werden müssen. Was passiert, wenn die Hubeinrichtung im entscheidenden Moment versagt? Wie reagieren bei Stromausfall? Wer kann die Aufgabe eines möglicherweise erkrankten Teammitglieds übernehmen?
„Die Komplexität dieses Projekts ergibt sich auch aus dessen vielen kritischen Pfaden, die jeder für sich den Zieltermin in Frage stellen oder zum Teil auch ernste technische Probleme auslösen können“, erklärt Reithmeier. Mit technischen Lösungen wie zum Beispiel einem redundanten Hubsystem und exakter Planung des Sicherheits- und Notfallkonzepts werden die sicherheitstechnischen Risiken Zug um Zug minimiert. Das erarbeitete Umsetzungskonzept zum Stopfenwechsel und der detaillierte Schrittfolgeplan werden im Einzelnen über sogenannte Änderungsanzeigen von der Aufsichtsbehörde geprüft und genehmigt. Dasselbe gilt auch für die Fertigung wichtiger Hilfsmittel wie zum Beispiel das Krantransportgestell oder Änderungen am Baubestand in der Experimentierhalle selbst. Für den Kernphysiker sind diese aufwändigen und genauen Vorbereitungen selbstverständlich, denn die Sicherheit der Mitarbeiter steht für ihn jederzeit an erster Stelle.

Üben, Üben und Vertrauen in die Anderen

Vor allem aber wird der Stopfenwechsel geübt, geübt und nochmal geübt, bis jeder Handgriff erprobt, optimiert und im Schrittfolgeplan bis ins Detail festgeschrieben ist. „Unser Ziel ist es, dass der Standardfall so gut funktioniert, dass man Unvorhergesehenes in Ruhe überdenken kann und sich den dafür nötigen Freiraum im Kopf schafft“, erklärt Herbert Reithmeier zu den vielen Übungseinheiten, die zunächst zahlreiche Male in einem Nebengebäude und schließlich direkt vor Ort unter Realbedingungen durchgeführt wurden. Das A und O bei einem derartigen Projekt ist ein Team, das sich blind aufeinander verlassen kann, gegenseitig vertraut und respektiert. Das betont auch der Projektleiter des Stopfenwechsels, Elbio Calzada: „Jeder hat eine bestimmte Aufgabe, aber in unserem Team kann trotzdem jeder alles. Die Kommunikation und gegenseitige Wertschätzung sind enorm wichtig und funktionieren sehr gut. Dafür bin ich sehr dankbar.“

Projektleiter Elbio Calzada überprüft jede einzelne Schraube. © W. Schürmann / TUM

„Feinmechanik trotz schwersten Equipments“

Ganz entscheidend für das Gelingen des Projekts ist die äußerst präzise Ausrichtung der Strahlrohrwechselmaschine. Diese spezielle und einzigartige Apparatur muss einerseits behutsam zwischen den eng beieinander stehenden Messinstrumenten in der Experimentierhalle positioniert werden, andererseits aber auch akkurat am Stopfen ausgerichtet werden. Einige Experimentieranlagen werden zu diesem Zweck teilweise ab- und umgebaut. Dabei ist Fingerspitzengefühl und Millimeterarbeit gefragt, der Platz ist sehr begrenzt. „Trotz schwersten Equipments handelt es sich hier um Feinmechanik“, bemerkt Reithmeier treffend.
Calzada trägt die Verantwortung für die acht Meter lange und zehn Tonnen schwere Strahlrohrwechselmaschine. Ihm obliegt es, das Gerät maßgenau zu positionieren, denn ein Nachbessern ist während der “heißen Phase” nicht möglich. Die Bewegung der Strahlrohrwechselmaschine erfolgt später nur entlang einer Geraden, nach hinten oder vorne – ziehen oder schieben. Damit sich der Stopfen in seiner passgenauen Einbaulage dabei nicht verklemmt, müssen dessen Achse und die der Maschine also perfekt aneinander ausgerichtet sein. Die Toleranz liegt dabei unter zwei Millimeter. Beim Justieren ist voller Körpereinsatz gefragt, denn Platz ist Mangelware: Calzada und seine Kollegen prüfen jede einzelne Schraube und klemmen sich hinter die Maschine, denn jedem ist die Wichtigkeit dieser Arbeit klar. Und auch wenn die Aufbauten auf den ersten Blick bunt und unübersichtlich erscheinen: jedes Kabel hat hier seinen festen Platz, nichts ist dem Zufall überlassen.
Während und direkt nach dem Ziehen des Stopfens darf aufgrund des radiologischen Arbeitsschutzes so lange niemand in dessen unmittelbare Nähe, bis sich die massive Abschirmhaube auf dem vorderen Bereich des Stopfens befindet und die Ortsdosisleistung in seiner unmittelbaren Umgebung auf gut vertretbare Werte unter 50 µSv/h reduziert wird. Die Zeitspanne, während der der Stopfen frei im Raum steht, ist die “heiße Phase”. Das Team, das die Maschine bedient, befindet sich deshalb während der gesamten Prozedur hinter einer Abschirmmauer, die allerdings auch den direkten Sichtkontakt zu Maschine und Stopfen versperrt. Um trotzdem jederzeit genau zu wissen, in welcher Position sich das Gerät befindet, haben die Techniker insgesamt acht Videokameras an wichtigen Punkten installiert und die entscheidenden Soll-Positionen exakt markiert. Die Bilder werden in Echtzeit auf mehrere Bildschirme übertragen, sodass die Wissenschaftler hinter der Schutzmauer die Maschine per Fernsteuerung zielsicher bedienen können.

Die Generalprobe ist erfolgreich

Am Tag vor dem tatsächlichen Termin führt das kleine Team von Ingenieuren und Technikern, das den Wechsel vorbereitet und abwickelt, nocheinmal einen letzten Übungslauf durch. Dabei arbeiten sie unter Realbedingungen und bewegen einen speziell angefertigten Dummy-Stopfen, der dem Original in Größe und Gewicht genau gleicht. Jeder einzelne Punkt im Schrittfolgeplan wird durchgeführt und abgehakt. Mit sicherer Hand steuert Calzada seine Maschine, die monatelangen Übungen zahlen sich aus, alles klappt wie am Schnürchen und der harmlose aber imposante rote Dummy wird routiniert gesichert und abgeschirmt.
Die Stunde der Wahrheit schlägt einen Tag später: Haben sich die akribischen Vorbereitungen gelohnt? Wird alles wie geplant funktionieren? Die Experimentierhalle ist komplett gesperrt, selbst Dr. Reithmeier befindet sich unter den Zuschauern außerhalb der Experimentierhalle. Nur acht Personen halten sich zu diesem Zeitpunkt in der Experimentierhalle auf, darunter Elbio Calzada mit seinem Team, je ein Sachverständiger der Genehmigungs- und Aufsichtsbehörden und zwei Strahlenschutztechniker. Um den Stopfenwechsel mitzuerleben und daraus für ihre eigenen Projekte zu lernen, sind für diesen Tag Kollegen anderer Forschungseinrichtungen eigens aus der Schweiz und aus Schweden angereist. Gemeinsam mit dem Vertreter der Aufsichtsbehörde verfolgen sie das Spektakel live per Videoübertragung.

Spannung im Übertragungsraum

Um Punkt neun Uhr ist es soweit. Die Mannschaft von Elbio Calzada hat zu diesem Zeitpunkt mehr als 100 Übungseinheiten hinter sich – die Atmosphäre im Übertragungsraum ist dementsprechend zuversichtlich. Dennoch wird es kurz still, als der Stopfen komplett aus dem Strahlrohr gezogen ist und sich die Stahltüren vor der Rohröffnung langsam schließen. Stimmen die Berechnungen der zu erwartenden Strahlendosis? Die Wissenschaftler in der Halle prüfen die Strahlendosis über eine vorinstallierte Messsonde, die sich in drei Metern Entfernung zum blanken Stopfen befindet. Als sie die Anzeige des Messgerätes in die Kamera halten, macht sich Spannung breit: Die Kamera zoomt auf die Anzeige, stellt scharf und endlich sehen auch die Beobachter im Übertragungsraum die tatsächlichen Werte: 6,5 mSv/h. Begeisterung macht sich breit. „Yeah!“, entfährt es Reithmeier begeistert, „exactly like the simulation!“ und auch die Kollegen sind sichtlich beeindruckt: “Great, Amazing“, „sehr gut“. Viele anerkennende Blicke werden gewechselt, denn die tatsächlichen Werte liegen ganz knapp unter dem berechneten Ergebnis. Die Erleichterung ist Herbert Reithmeier anzusehen.
Das Team in der Halle arbeitet konzentriert jeden weiteren Punkt im Schrittfolgeplan ab. Die Trägervorrichtung mit der Abschirmhaube wird abgelassen – die Hubeinrichtung funktioniert. Spannend wird es noch einmal, als der Stopfen in die blaue Abschirmung geschoben wird. Ist alles richtig justiert? Die Techniker steuern den Stopfen langsam in Richtung Abschirmhaube und – es passt! Entscheidend ist nun noch die Messung des Strahlenschutzes. Zum ersten Mal erscheinen jetzt Personen im Arbeitsbereich. Mit Dosimetern und Teleskopmessgeräten nähern sich die Strahlenschutztechniker vorsichtig dem Stopfen, kurz danach geben sie ihr Okay. Herbert Reithmeier packt jetzt schnell alle wichtigen Dokumente zusammen und eilt in Begleitung des Aufsichtsbehörden-Mitarbeiters in Richtung Experimentierhalle – der Stopfen ist gesichert und verpackt, die “heiße Phase” vorbei, beim Kranen will er selbst wieder vor Ort mit dabei sein.