EU fördert Entwicklung neuer Brennstoffe

Leu Brennstoff Die γ-Phase von Uran-Molybdän garantiert die Stabilität des Brennstoffs unter Bestrahlung. © Ch. Steyer / FRM II

Die γ-Phase von Uran-Molybdän garantiert die Stabilität des Brennstoffs unter Bestrahlung. © Ch. Steyer / FRM II

Insgesamt über sechs Millionen Euro, davon eine halbe Million Euro allein am FRM II, investiert die EU in die Entwicklung neuer Brennstoffe im Rahmen des Projektes LEU FOREvER (Fuel fOR REsEarch Reactors). Mit im Boot sind sowohl Forschungsinstitute als auch Industriepartner aus fünf Ländern, die TUM ist dabei die einzige Universität.

Der Name des Projekts ist dabei zugleich Programm, denn der Hauptzweck ist, neue niedriger angereicherte Brennstoffe für die europäischen Forschungsreaktoren zu entwickeln, um deren weiteren Betrieb auch in Zukunft sicher zu stellen. Forschungsreaktoren wie der FRM II erfüllen wichtige Aufgaben wie beispielsweise das Testen neuer Materialien für die unterschiedlichsten industriellen Anwendungsgebiete, die Bestrahlung von Metallen zur Herstellung von Halbleitermaterialien oder von Isotopen für die Medizin. Hochleistungs-Neutronenquellen (HPRR) wie der FRM II verwenden in ihren kompakten und spezialisierten Kernen hochangereichertes Uran um einen möglichst hohen Neutronenfluss zu erreichen. Dieser ist Voraussetzung, damit diese Quellen ihre industriell und gesamtgesellschaftlich unentbehrlichen Aufgaben erfüllen können.

Weltweit werden große Anstrengungen unternommen, um die Nutzung von hochangereichertem Uran in zivilen Einrichtungen zu minimieren, und so hat sich auch der FRM II verpflichtet, den bisherigen Brennstoff durch niedriger angereichertes zu ersetzen. Zusammen mit den anderen Betreibern der europäischen Hochleistungs-Neutronenquellen und dem RERTR-Programm des US Department of Energy, das unter anderem die Umrüstung der amerikanischen HPRRs betreut, forschen auch am FRM II Wissenschaftler an einem neuen Brennstoff, der für diesen Zweck eingesetzt werden kann.

Mit Inbetriebnahme der neuen Neutronenquelle 2004 begann auch am FRM II die Forschung an Uran-Molybdän (UMo), dem meistversprechenden Kandidaten für den benötigten hochdichten Brennstoff. UMo wurde in den 60er Jahren bereits mit guten Ergebnissen in Leistungskraftwerken eingesetzt, deshalb war die Fachwelt optimistisch, diesen Brennstoff in näherer Zukunft auch in HPRRs einsetzen zu können. Es zeigte sich jedoch bald, dass die Hürden für die Entwicklung und Qualifizierung von UMo als Brennstoff für HPRRs – bedingt durch die deutlich schärferen Bestrahlungsbedingungen – weit höher lagen als ursprünglich angenommen. Diese Erkenntnis trifft neben dem FRM II auch die anderen Betreiber von weltweit mehr als einem Dutzend HPRRs. Seit 2013 haben die europäischen Betreiber deshalb ihre Ressourcen für die Entwicklung von UMo im HERACLES-Konsortium gebündelt und werden in LEU FOREvER nun bereits zum zweiten Mal von der EU unterstützt.

Parallel zu LEU FOREvER läuft seit 2015 ebenfalls im HORIZON 2020-Rahmenprogramm der EU das Projekt HERACLES-CP, auf dessen Erkenntnissen nun aufgebaut werden kann. Die bevorzugte Lösung zur Umrüstung setzt weiterhin auf eine Uran-Molybdän-Legierung als neuen Brennstoff, entweder verteilt in einer Matrix aus Aluminium oder als eine kompakte Folie. Sollten sich die derzeit noch bestehenden Schwierigkeiten unerwarteter Weise nicht lösen lassen, gibt es nun noch einen Plan B: Dabei wird wie bisher Uransilizid eingesetzt, jetzt aber niedriger angereichertes, was dafür deutlich dichter gepackt wird. Diese Lösung wird im Rahmen von LEU FOREvER nun in einem Bestrahlungsexperiment getestet.

Das Bestrahlungsverhalten und seine wissenschaftliche Erklärung sind eine Seite beim Ersatz von herkömmlichen Brennstoffen, die andere Seite betrifft die anschließende Produktion solcher neuen Brennelemente. Dieser Aspekt wird abgedeckt durch die Teilnahme industrieller Partner, die sich aus den Reihen der Hersteller und Entwickler rekrutieren. Sie schon in diesem frühen Stadium mit einzubeziehen, sichert im Anschluss eine zügige Herstellung neuer Brennelemente und damit auch die Umrüstung auf den neuen Brennstoff, so dass die europäischen Forschungs-Neutronenquellen weiterhin ihre Aufgaben zuverlässig erfüllen können.