Hüllrohrforschung am PSI

Brennstoff-Hüllrohre sind eine von mehreren Barrieren gegen das Austreten von Radioaktivität aus einem Kernreaktor. Für die mehrere Meter langen Rohre wird heutzutage zumeist eine Zirkoniumlegierung eingesetzt. Das Material ist mechanisch belastbar, korrosionsbeständig und hat einen hohen Schmelzpunkt. Doch in Betrieb kann die Aufnahme von Wasserstoff das Hüllrohrmaterial mechanisch schwächen, was seine Schutzfunktion beeinträchtigt. Tests haben gezeigt, dass der Wasserstoff dazu neigt, an die Spitze bestehender Risse im Hüllrohrmaterial zu diffundieren, wo er meistens schnell Metallhydride bildet. Eine Erklärung dazu gab es bisher nicht.

Forschende des Teams um Johannes Bertsch vom Labor für nukleare Materialien haben mit Messungen an der Neutronenquelle SINQ des PSI Hinweise dafür gefunden, dass es Spannungsunterschiede sind, welche die Diffusion von Wasserstoff in den Hüllrohren steuern. Die Forscher nutzten den Umstand, dass Wasserstoff im Gegensatz zu Zirkonium sehr stark Neutronen streut. Indem sie Hüllrohrmaterial mit Neutronen bestrahlten, konnten sie die Diffusion von Wasserstoff in-situ abbilden. «Es ist das erste Mal, dass jemand die Neutronenradiografie in einer Hüllrohrlegierung unter mechanischer Spannung durchführt», erklärte Bertsch. «Nur so konnten wir den Zusammenhang von Spannungsgefälle und Wasserstoffdiffusion zeigen. Der nächste Schritt wird sein, diesen Zusammenhang zu quantifizieren, das heisst herauszufinden, wie die Diffusionsgeschwindigkeit genau vom Ausmass des Spannungsgradienten abhängt.»

Wasserstoff: Ursprung und Auswirkungen

Der Wasserstoff entsteht an der Aussenseite der Brennstäbe. Denn bei den hohen Temperaturen und Drücken, die in einem Kernreaktor herrschen, werden die Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Der Sauerstoff oxidiert die Aussenwand der Hüllrohre, während der Wasserstoff zum Teil durch diese dünne Oxidschicht hindurch ins Hüllrohrmaterial hinein wandern kann. Dabei nehmen nicht alle Zirkoniumlegierungen gleich viel Wasserstoff auf. Die in Siedewasserreaktoren (beispielsweise Leibstadt und Mühleberg) verwendete Legierung Zircaloy-2 ist gemäss PSI empfänglicher als die bei Druckwasserreaktoren (beispielsweise Beznau und Gösgen) übliche Legierung Zircaloy-4. Es scheint, dass Nickelausscheidungen, die in Zircaloy-2, aber nicht in Zircaloy-4 vorkommen, die Wasserstoffaufnahme begünstigen.

Der Anteil des Wasserstoffes an der Gesamtmasse des Hüllrohrs ist gering: Er liegt im Bereich von 100 mg Wasserstoff pro Kilogramm Legierung. Dennoch kann der Wasserstoff die mechanische Stabilität des Hüllrohrs deutlich verschlechtern. Zum einen macht der gelöste, also nicht mit dem Legierungsmaterial chemisch verbundene Wasserstoff, das Hüllrohrmaterial bei hohen Temperaturen anfälliger für plastische Verformungen. Erreicht der Wasserstoff im Hüllrohrmaterial eine zu hohe Konzentration, dann kann er nicht mehr in gelöster Form bleiben und scheidet sich in Form von Hydriden, also Verbindungen von Wasserstoff mit den Metallen der Legierung, aus. Bei 300°C, einer typischen Betriebstemperatur im Kernreaktor, scheidet sich der Wasserstoff ab einer Konzentration um die 120 Millionstel aus. Bei Zimmertemperatur hingegen liegt der gesamte Wasserstoffgehalt in Form von Hydriden vor. Diese machen das Material spröder. Bestehende Risse können zudem durch das Versagen der brüchigen Hydride wachsen. Diese Vorgänge finden nicht nur während des Reaktorbetriebs statt, sondern auch nach der Entladung der ausgedienten Brennelemente in der Phase der Zwischenlagerung bis zum Transport ins Tiefenlager. Laut PSI denkt die amerikanische Nuclear Regulatory Commission (NRC) darüber nach, den Wasserstoffgehalt zu einem der Hauptkriterien für die Festlegung der zulässigen Betriebsdauer von Brennelementen zu machen.

Einsatz von Zirkonium

Schon seit Jahrzehnten werden Zirkoniumlegierungen als Hüllrohrmaterial eingesetzt. Die Wasserstoffproblematik war von Anfang an bekannt, weshalb sich Materialexperten schon früh damit befassten, eine mögliche Schwächung des Hüllrohrs durch Wasserstoffaufnahme in den Griff zu bekommen. Dazu gehören etwa Fertigungsverfahren, die durch gezielte Erzeugung feiner Strukturen im Hüllrohrmaterial die Verteilung und Ausrichtung des Wasserstoffs beziehungsweise seiner chemischen Verbindungen zu beeinflussen suchen.