Auf dem Weg zu einem niedriger angereicherten Brennstoff

Hsin-Yin Chiang am MLZ. Hsin-Yin Chiang bei der Forschung zu einem neuen niedriger angereicherten Brennstoff am MLZ. © Volker Lannert / DAAD

Hsin-Yin Chiang bei der Forschung zu einem neuen niedriger angereicherten Brennstoff am MLZ. © Volker Lannert / DAAD

Uran-Molybdän (UMo) ist ein vielversprechender Kandidat für die Entwicklung eines neuen Brennstoffs mit niedrigerer Anreicherung. Allerdings vermindert eine Diffusionsreaktion zwischen den beiden Materialien Aluminium und UMo während der Bestrahlung die Leistungsfähigkeit. Sie muss deshalb unterbunden werden. Hsin-Yin Chiang vom MLZ hat verschiedene Beschichtungen als Diffusionsbarrieren getestet und die am besten geeignete Materialkombination herausgefunden.

Um eine niedrigere Anreicherung des Uran-235 im Brennstoff für Forschungsreaktoren zu erreichen, sollen Uran-basierte Brennstoffe mit hohen Dichten angewendet werden, um den Verlust an Anreicherung im Brennelement zu kompensieren. Die Legierung aus UMo ist ein vielversprechender Kandidat, weil es die Spaltgase zurückhält und eine Urandichte von bis zu 8g/cm³ in UMo-Pulver dispergiert in Al oder bis zu 17 g/cm³ in monolithischen UMo-Folien ermöglicht. Während der Bestrahlung bildet sich jedoch zwischen Al und UMo eine Interdiffusionsschicht, die die Leistungsfähigkeit des UMo erheblich einschränkt. Eine Lösung, um diese unerwünschte Schicht zu verhindern, ist eine Diffusionsbarriere zwischen UMo und Al einzubauen.

Für ihre Doktorarbeit testete Hsin-Yin Chiang vier verschiedene Beschichtungen des UMo auf ihre Effektivität als Diffusionsbarrieren: Titan, Zirkon, Niob und Molybdän. Sie wendete am Maier-Leibnitz Laboratorium (MLL) die schnelle Schwerionenbestrahlung an und simulierte so die Strahlenschäden während der Bestrahlung im Reaktor. Dabei fand die Materialwissenschaftlerin der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz heraus, dass Niob und Molybdän bei Bestrahlung eine hervorragende Stabilität aufweisen, während Zirkon und Titan das UMo destabilisieren.

Weitere Analysen mit Nano-Röntgendiffraktion am Deutschen Elektronen Synchroton DESY in Hamburg und Rutherford Rückstreu-Spektroskopie am Max Planck Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching bestätigten diese Ergebnisse. Das am besten geeignete Material ist Molybdän, weil es eine stabile Schicht mit Aluminium bildet und sich nicht mit UMo oder Al vermischt. Basierend auf Chiangs Ergebnissen schlagen die Brennstoffentwicklungs-Wissenschaftler des MLZ für den nächsten internationalen Testzyklus für Brennstoffe mit hoher Dichte vor, Proben mit Molybdän als Diffusionsbarriere mit einzubeziehen.