Wissen für morgen aus den „heissen Zellen“

In den heissen Zellen des Hotlabors am Paul Scherrer Institut PSI werden regelmässig die abgebrannten Brennstäbe aus den Schweizer Kernkraftwerken materialwissenschaftlich untersucht. Hier werden zum Beispiel Effekte wie die mögliche Versprödung und Oxidierung der Brennstabhüllen, visuelle und geometrische Veränderungen der Brennstäbe sowie Veränderungen der Eigenschaften des Brennstoffs selbst genauestens unter die Lupe genommen. Die gewonnenen Erkenntnisse helfen den KKW-Betreibern, die Effizienz und Sicherheit ihrer Kraftwerke zu optimieren. Neben dieser Dienstleistung für die Kernkraftwerke beteiligt sich das Hotlabor an internationalen Forschungsprojekten.

Neutronenquelle der Zukunft

Ein gutes Beispiel hierfür ist das Projekt MEGAPIE (Megawatt Pilot Experiment), an dem Wissenschaftler renommierter Forschungseinrichtungen aus der EU, den USA, Japan und der Schweiz teilnehmen. Das PSI trägt mit mehreren Einheiten(*) massgeblich zum Erfolg des Projekts bei. Die wesentlichen Ziele von MEGAPIE sind die Demonstration, Genehmigung und der sichere Betrieb sowie die anschliessende Untersuchung und Entsorgung eines Hochleistungstargets aus flüssigem Blei-Wismut für die Erzeugung eines starken Neutronenstrahls durch den Prozess der Spallation. Beim Prozess der Spallation werden Protonen auf eine Zielscheibe (Target) aus Schwermetallen geschossen, um die Schwermetallkerne zu zertrümmern und dabei Neutronen aus ihnen herauszuschlagen. Der Vorteil eines Flüssig-Blei-Wismut-Targets besteht in der höheren Intensität des daraus erzeugten Neutronenstrahls, die gemäss theoretischen Berechnungen um rund 80 Prozent höher ausfällt als bei konventionellen wassergekühlten Feststoff-Targets. Ein höherer Neutronenfluss ermöglicht kürzere Messzeiten für wissenschaftliche Experimente und somit ein erweiterter Zugang zu diesen von Forschern verschiedener Disziplinen stark gefragten Neutronenquellen.

Bei MEGAPIE hat man erstmals den Dauerbetrieb eines flüssigen Blei-Wismut-Targets unter sehr intensiver Protonenbestrahlung demonstriert. Während vier Monaten, vom August bis Dezember 2006, wurde das flüssige Blei-Wismut-Target vom weltweit stärksten Protonenstrahl des Protonenbeschleunigers HIPA am PSI unter Beschuss genommen. Die dabei erhaltene Neutronenausbeute bestätigte die theoretischen Prognosen. Damit ist ein beachtlicher Fortschritt in Richtung Dauerbetrieb eines solchen flüssigen Hochleistungstargets erreicht. Zum Vergleich: an der Neutronenspallationsquelle des PSI (SINQ) beträgt die Betriebsdauer des Standard-Spallationstargets aus Blei 2 Jahre.

Materialwissenschaftliche Untersuchungen zum Abschluss von MEGAPIE

Nach dem Erfolg beim viermonatigen Testlauf des Blei-Wismut-Targets sind nun die Materialwissenschaftler an der Reihe. Sie wollen wissen, inwiefern das Target durch die enorme Strahlendosis belastet worden ist. Erste Untersuchungen zielten bisher auf die am stärksten geforderte Komponente: das Strahlfenster, durch das der Protonenstrahl ins Target eintrat. Durch zerstörungsfreie Prüfung hat man zwei äusserst wichtige Erkenntnisse gewonnen: erstens sind keine Risse oder auch nur Rissvorläufer im Stahl des Strahlfensters gefunden worden; und zweitens blieb auch die Dicke der Stahlwand, von nur rund 2 Millimeter, praktisch unverändert. All dies trotzt der sehr intensiven Protonenbestrahlung, der das Target ausgesetzt war.

Targetzerlegung im Hotlabor

Diese Tests stärken die Hoffnung der Wissenschaftler in die Robustheit des MEGAPIE-Targets. Doch ein belastbarer Befund wird weitere, destruktive Untersuchungen des Targetmaterials erfordern. Zu diesem Zweck ist das Target von Wissenschaftlern, Ingenieuren und Technikern des PSI-Hotlabors bereits zerlegt worden, nachdem es im benachbarten ZWILAG (Zwischenlager für radioaktive Abfälle aus den Schweizer Kernkraftwerken) zunächst in 21 Teile zersägt worden war. Die sichere und präzise Manipulation eines solch hochradioaktiven Materials ist eine Aufgabe, die in der Schweiz nur am PSI zu gutem Erfolg gebracht werden kann. Zuerst musste das Blei-Wismut-Gemisch ausgeschmolzen werden, denn ausser Betrieb erkaltet die Schwermetallmischung unter ihren Schmelzpunkt. Erhitzt werden durfte das Blei-Wismut aber nur gerade genug für das Ausschmelzen, denn man wollte nicht durch Überhitzung den noch zu untersuchenden Zustand der Stahlhülle verändern. Daher bauten Forscher der Gruppe für Targetentwicklung, der Abteilung Maschinen-Ingenieurwissenschaften und des Hotlabors unter der Leitung des MEGAPIE-Projektleiters Michael Wohlmuther einen eigens für diese Aufgabe ausgelegten Schmelzofen.

War das flüssige Blei-Wismut einmal ausgeschmolzen, ging es an das Zerschneiden der Targethülle. Auch hier war äusserste Vorsicht geboten. Die Trennscheibe der Fräsmaschine frass sich mit einem Vorschub von nur wenigen Millimetern pro Minute durch den Stahl. „Hier galt es die Temperatur der Targethülle unterhalb von 200 Grad Celsius zu halten, um deren Integrität für die kommenden Tests zu bewahren“, erklärt Daniel Kuster, der die Zerlegung des Targets im Hotlabor mit seiner Gruppe Hotzellenexperimente durchführte. Nachdem man rund 800 Proben hergestellt hat, steht dem MEGAPIE-Target nun die endgültige Bewährungsprobe bevor. Dessen Belastbarkeit unter Biege- oder Zugspannung nach der stürmischen Bestrahlungskampagne wird in den kommenden Monaten von den am Projekt beteiligten Partnern untersucht. Rund die Hälfte der gewonnen Proben wird am PSI unter der Leitung von Yong Dai, Materialwissenschaftler in der Gruppe für Nuklearmaterialien, untersucht, während die zweite Hälfte von Wissenschaftlern aus der EU, Japan und den USA unter die Luppe genommen werden. Die Ergebnisse werden für Ende 2014 erwartet.

Text: Leonid Leiva

(*) Neben dem Hotlabor aus dem Bereich Nukleare Energie und Sicherheit (NES) beteiligen sich folgende PSI-Einheiten am Projekt MEGAPIE: der Bereich Forschung mit Neutronen und Myonen (NUM), der Bereich Grossforschungsanlagen (Abteilung Beschleunigerbetrieb und -entwicklung) und die Gruppe RadWaste Analytik (Bereich Biologie und Chemie).