Hüllrohrforschung am PSI: Schwerpunkt Wasserstoff

Die Hüllrohre sind so konzipiert, dass sie im Betrieb hohen Temperaturen und Druck standhalten, auch nach der Entnahme der abgebrannten Brennstäbe aus dem Reaktor keine Risse bekommen und unbeschadet den Transport ins Zwischenlager und später einmal in ein Tiefenlager überstehen. Die Hüllrohre bestehen darum aus einer sehr fein austarierten Metall-Legierung: zu 98% Zirkonium kommen geringe Mengen an Chrom, Eisen, Nickel, Niob und Zinn. Diese spezielle Legierung wird nach ebenso speziellen Verfahren hergestellt: geschmolzen, kontrolliert abgekühlt, gewalzt, gehämmert und wärmebehandelt. So entsteht ein Metall, das mikroskopisch betrachtet aus winzigen kristallinen Körnern besteht, deren Grösse ebenso optimiert ist wie ihre innere kristalline Ausrichtung.

Das PSI erklärt, dass dieses Bauteil heute vor allem auf ein Anliegen hin weiter optimiert wird: Wasserstoff soll möglichst wenig ins Metall der Hüllrohre eindringen. Denn dort geht der Wasserstoff mit den Metallatomen Verbindungen ein, die das Material der Hüllrohre schwächen könnten. Der Wasserstoff selbst stammt aus dem Kühlwasser. Er lässt sich also nicht vermeiden. Doch was geschieht, wenn Wasserstoffatome ins Atomgitter der Metalllegierung gelangen?

Wie Zucker im Kaffee

«Zunächst ist der Wasserstoff darin gelöst», erklärt Bertsch. Obwohl es sich um einzelne Atome in einem festen Material handelt, sprechen die Forschenden von einer Lösung. «Das ist tatsächlich wie Zucker im Kaffee», so Bertsch weiter. «Und aus dem Kaffee kennt man das: Wenn es viel zu viel Zucker ist oder wenn der Kaffee zu kalt ist, löst sich der Zucker nicht mehr und sammelt sich am Tassenboden.» Mit dem Tassenboden hört die Analogie auf. Das PSI erklärt die tatsächlichen Abläufe so: Der Wasserstoff bewegt sich nicht mehr frei durch das Material, sondern geht mit den Metallatomen eine chemische Wasserstoff-Metall-Verbindung ein. Er bildet ein Hydrid, wie das Forschende nennen. Das Problem dieser Hydride: Sie bilden im Metall des Hüllrohrs längliche, plättchenartige Strukturen, die kreuz und quer verlaufen. Und das sind Schwachstellen im Material.

Hydride mit Neutronen untersuchen

Die PSI-Forschenden um Johannes Bertsch beschäftigen sich mit allem rund um diese Hydride. Wie verändern sie die Stabilität des Materials? Wie lassen sie sich minimieren? Wie lässt sich sicherstellen, dass alle Hüllrohre jederzeit intakt bleiben? Bertsch und seine Kolleginnen und Kollegen nutzen für ihre Untersuchungen ein Bildgebungsverfahren mittels Neutronen. Das sogenannte Neutronen-Imaging ist ein am PSI perfektioniertes Verfahren, das von einer eigenen PSI-Arbeitsgruppe an der hiesigen Neutronenquelle SINQ mit einem der weltweit besten Neutronenmikroskope regelmässig durchgeführt wird, erklärt das PSI weiter. Verschiedenste Arten von Untersuchungsgegenständen lassen sich damit durchleuchten. Zirkonium ist quasi durchsichtig für Neutronen. Das begründet dessen Einsatz als Hauptbestandteil der Hüllrohre, denn im Kernkraftwerksbetrieb sind freie Neutronen ein erwünschtes Produkt. Zudem erweist sich dies als Vorteil beim Neutronen-Imaging. Denn ganz im Gegensatz zum Zirkonium zeigt sich Wasserstoff in den Neutronenbildern als dunkler Kontrast.

Schutzschicht hilft möglicherweise auch gegen Hydride

In einem ihrer neuesten Forschungsprojekte beschäftigt sich Bertschs Arbeitsgruppe mit der zusätzlichen Schutzschicht von Hüllrohren: Sogenannte Liner werden weltweit und insbesondere in der Schweiz eingesetzt. Sie schützen die Hüllrohre gegen mechanische Beschädigungen sowie gegen Oxidation. Liner haben, so fanden Bertsch und seine Kollegen heraus, nebenbei einen positiven Effekt bei der Vermeidung der Hydride: Hüllrohre, die über eine solche Schutzschicht verfügen, weisen darunter weniger Hydride auf. «Der Wasserstoff dringt vermehrt in diese Beschichtung ein und wird schon dort gestoppt», fasst Bertsch die Untersuchungsergebnisse zusammen.

Da bereits klar ist, dass Hydride die Hüllrohre mechanisch schwächen, wagen die Forschenden nun die vorsichtige Aussage, dass die Beschichtungen, die ursprünglich aus anderen Gründen eingeführt wurden, vermutlich die Hüllrohre auf lange Sicht stabiler machen. «Letztlich ist unser Auftrag, besser zu verstehen, wie der Betrieb sowie die Handhabung von abgebrannten Brennstäben noch sicherer werden», so Bertsch. «Dafür untersuchen wir die Details der Struktur im Inneren des Materials. Wie die Hydride entstehen, wie sie sich verteilen, wie sie das Material schwächen – und vor allem: wie sie sich minimieren lassen.»