Januar 2019
Nico Vollmer hat an der TU München
Physik studiert und am Forschungsreaktor München –II über hochdichte nukleare
Brennstoffe promoviert. Seit 2006 arbeitet er in verschiedenen Positionen bei
Framatome, wie Neutronik, Materialwissenschaften oder im Defuelling für
Magnoxreaktoren. Seit 2017 ist er verantwortlich für das weltweite Marketing in
der Business Unit Fuel bei Framatome.
Die Brennelemente für Druck- und
Siedewasserreaktoren, die weltweit zu hunderten im Einsatz sind, werden seit
Jahrzehnten mit Urandioxidbrennstoff (UO2) in Brennstäben aus
Zirkoniumlegierungen gefertigt. Nun hört man verstärkt von ganz anderen
Konzepten: Vollmetall-Brennelemente ohne Pellets und Hüllrohre oder so
genannter Accident Tolerant Fuel. Können sie uns kurz einen Überblick über
aktuelle Entwicklungen geben?
1954 ging das erste Kernkraftwerk der Welt in Obninsk, Russland, mit metallischem Brennstoff aus Uran-Molybdän ans Netz. Die hohe Metalldichte und Wärmeleitfähigkeit brachten viele Vorteile. Allerdings gab es auch Nachteile, etwa die relativ niedrige Schmelztemperatur oder das Schwellverhalten. Heutzutage dominieren keramische Brennstoffe: 98 % der von Kernkraftwerken erzeugten Elektrizität wird aus UO2-Tabletten gewonnen. Selbstverständlich wurden und werden auch die keramischen Brennstoffe weiterentwickelt – beispielsweise bereits 1997 mit einer Chromdotierung der UO2-Tabletten. Damit wurde die Plastizität verbessert sowie die Spaltgasfreisetzung verringert.
Durch Fukushima stellte sich ab 2011 die Herausforderung, Brennstoffe und Brennelemente zu entwickeln, die höhere Sicherheitsmargen bei kritischen Ereignissen bieten. Hierfür wurde bei Framatome ein Projekt namens „PROtect“ gestartet. In einem ersten Schritt wurden Hüllrohre mit Chrom-Beschichtung entwickelt und ab 2016 in einem Reaktor getestet. In einem zweiten Schritt soll das bisherige Hüllrohrmaterial gegen eine Siliziumkarbid-Sandwichstruktur (SiCf-SiC) ausgetauscht werden. Alle internationalen Hersteller von Brennelementen arbeiten ebenfalls an Enhanced Accident Tolerant Fuel (EATF).
Ein komplett neuartiges Konzept, wie metallische Brennelemente für Druckwasserreaktoren, verfolgt Framatome in dem Joint Venture „Enfission“ zusammen mit dem US-Unternehmen Lightbridge Corporation. Prototypen werden derzeit außerhalb des Reaktors getestet, erste Tests in einem Leistungsreaktor sind für 2021 vorgesehen.
Welche
Vorteile ergeben sich aus diesen neuen Konzepten und lassen sich innovative
Brennelemente nur in neu errichteten Anlagen nutzen?
PROtect bietet höhere Margen in Bezug auf Versprödung, Wasserstoffaufnahme und soll Unfälle wie Fukushima langfristig verhindern. Das Chrome-Coating wird die sogenannte „Coping Time“, also die Reaktionszeit, in einem ersten Schritt deutlich erhöhen. In einem weiteren Schritt wird die Zirkoniumlegierung der Hüllrohre gegen SiCf-SiC ersetzt, weil es hier keine Zirkonium-Wasserstoffreaktion geben kann. Damit wird eine Freisetzung von Wasserstoff verhindert. Ein neues Reaktor-Design wird nicht benötigt.
Wo
stehen wir heute bei der Umsetzung der Konzepte? Sind das eher Ideen, oder
werden wir bald eine industrielle Fertigung sehen, vielleicht auch in
Deutschland?
PROtect ist nicht nur eine Idee. Seit 2018 haben wir unser Programm zur industriellen Fertigung abgeschlossen. Hüllrohre mit Chromium-Beschichtung und Chromdotierte UO2-Tabletten können bei unserem Tochter-Unternehmen, Advanced Nuclear Fuels, in Lingen hergestellt werden. 2019 werden dann komplette Brennstäbe im Rahmen des PROtect-Programms in Brennelementen in einem kommerziellen Reaktor in Europa und den USA eingesetzt. 2021 folgen ganze Vorläufer-Brennelemente. Ab 2025 könnten wir Nachladungen mit unseren PROtect-Brennstäben anbieten. Wir bei Framatome sind darauf sehr stolz, schließlich ist PROtect das weltweit führende EATF-Programm.
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