12.05.2020

Entwicklung eines neuen Brennstoffs aus Uran-Molybdän

Die Technische Universität München (TUM) und die französische Brennelemente-Herstellerin Framatome arbeiten gemeinsam an der Entwicklung eines neuen Brennstoffs, das aus schwach angereichertem Uran-Molybdän (U-Mo) bestehen soll. Er ist für die Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibniz (FRM II) bestimmt.

Der Vertrag zwischen der TUM und der Framatome sieht ein gemeinsames Pilotprojekt zur Fertigung eines monolithischen U-Mo-Brennstoffs mit einer Anreichung von 19,75% vor. Es beinhaltet die Entwicklung einer Pilot-Fertigungslinie sowie damit die Herstellung von Brennstoffplatten für Bestrahlungsversuche. Diese Versuche seien zentraler Bestandteil der Qualifizierung des neuen Brennstoffs speziell für Forschungsreaktoren in Europa, schreibt die TUM.

«Wir haben bereits viele Jahre Forschungsarbeit investiert», sagte TUM-Präsident Prof. Thomas F. Hofmann. «Mit diesem Projekt machen wir uns auf den Weg in die Zukunft. Wir wollen die Grundlage schaffen für den Einsatz sicherer, niedrig angereicherter Forschungsneutronenquellen in der Wissenschaft sowie für medizinische und industrielle Anwendungen.»

Fertigung monolithischer U-Mo-Brennstoffe

Zur Fertigung eines monolithischer U-Mo-Brennstoffs wird zunächst mittels Legieren aus Uran und Molybdän die U-Mo-Legierung im gewünschten Mischungsverhältnis hergestellt und diese anschliessend mittels Walzen in Folienform gebracht. Zur Vermeidung unerwünschter Diffusion zwischen U-Mo und Aluminium wird diese Folie vor der Aufbringung des Claddings mit einer Diffusions-Sperrschicht überzogen.

Die Fertigung monolithischer U-Mo-Brennstoffe findet im Verbund mit internationalen Kooperationspartnern statt. Während U-Mo-Folien derzeit aus amerikanischer Fertigung bezogen werden und das Cladding bei der Framatome-CERCA mittels des sogenannten C2TWP-Verfahrens aufgebracht wird, konzentriert sich die TUM auf die Entwicklung eines leistungsfähigen und flexiblen Verfahrens zur Beschichtung der U-Mo-Folien mit Diffusions-Sperrschichten. Hierfür betreibt die TUM ein eigens eingerichtetes Kernbrennstofflabor auf dem Gelände des FRM II.

Beim hierbei zum Einsatz kommenden Verfahren der physikalischen Gasphasen-Abscheidung (physical vapor deposition, PVD) handelt es sich um ein Plasmaverfahren, bei dem das aufzubringende Material (beispielsweise Zirkonium) in einem Niederdruck-Plasma atomar zerstäubt und auf das Substrat (U-Mo) aufgedampft wird.

Fertigungsprozess monolithischer U-Mo-Brennstoffe (vereinfachte Darstellung). Beim U-Mo-Brennstoff handelt es sich um eine massive, metallische Folie aus U-Mo, welche vom Cladding umhüllt ist.
Quelle: Bruno Baumeister, TUM

Erste Ergebnisse für 2022 erwartet

Die Pilot-Fertigung wird am neuen Forschungs- und Entwicklungslabor der Framatome, dem CERCA Research and Innovation Laboratory, in Romans-sur-Isère in Frankreich aufgebaut. Die ersten Brennstoff-Prototypen sollen Anfang 2021 hergestellt werden. Sind die Tests erfolgreich, könnte die Produktion bereits 2022 beginnen.

Zusammenarbeit mit Belgien und Frankreich

Die Bestrahlungsversuche unternehmen die TUM und die Framatome im Rahmen europäischer Projekte, an denen auch das französische Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), das französische Forschungsinstitut Institut Laue-Langevin in Grenoble und das belgische Centre d’étude de l’énergie nucléaire (SCK-CEN) beteiligt sind.

Quelle: 
M.A. nach Framatome, Medienmitteilung, 4. Mai 2020, sowie TUM, Medienmitteilung, 6. Mai 2020