Technologie

Sichere Neutronenquelle

01.12.2022 - Der FRM II kann auch mit niedrig angereichertem Uran betrieben werden.

Die Forschungs-Neutronenquelle (FRM II) der Technischen Universität (TUM) kann aus wissen­schaftlicher Sicht auf ein Brennelement mit niedrig angereichertem Uran (LEU) umgerüstet werden. Das haben Forscher der TUM berechnet, die Ergebnisse wurden von Experten aus den USA unabhängig bestätigt. Damit ist nun die theoretische Grundlage für die Umsetzung der Vorgaben der staatlichen Genehmigungs­behörden vorhanden, auf hoch angereichertes Uran (HEU) als Brennstoff am FRM II in der Zukunft zu verzichten.

 

Die Forscher an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz haben mit aufwändigen Computersimulationen eine Umrüstungs­option identifiziert, die mit einem Brennstoff mit einer Anreicherung unter zwanzig Prozent des spaltbaren Uran-235 funktionieren soll. Das vorgeschlagene LEU-Brennelement erfüllt die Sicherheitsanforderungen, ist mit dem derzeitigen Brennelement kompatibel und erhält den für die Forschung notwendigen Neutronen­fluss des FRM II aufrecht.

Der Präsident der TUM, Thomas F. Hofmann, betont die große Bedeutung des FRM II für Wissenschaft und Innovation: „Forscher aus aller Welt kommen nach Garching und nutzen die Neutronen für wissenschaftliche Untersuchungen. Dazu gehört zum Beispiel die Analyse von Energie­speicher­materialien und Batterien oder von Werkstoffen für Gasturbinen. Sogar bei der mRNA-Impfstoff­entwicklung war der FRM II beteiligt. Ich bin sehr froh, dass nun rechnerisch die Grundlage erbracht ist, den FRM II auf einen LEU-Brennstoff umzurüsten und damit die Basis für einen Weiterbetrieb der Neutronen­quelle vorhanden ist.“

In einer aufwendigen Parameterstudie hat Christian Reiter, Reaktorphysiker am FRM II und Leiter der Theorie Division des TUM Center for Nuclear Safety and Innovation, mit seiner Gruppe viele mögliche Änderungen am FRM II Brennelement durchgerechnet. Es waren dafür eigene Rechencluster am Leibniz-Rechenzentrum und neu entwickelte Software mit Deep Learning im Einsatz. Das Ergebnis: Ein LEU-Brennelement für den FRM II ist reaktor­physikalisch möglich und lässt sich mit den vorhandenen Systemen betreiben; ein großer Umbau der Neutronenquelle ist nicht erforderlich. „Der Neutronen­fluss des vorgeschlagenen LEU-Brennelements wird gemittelt über alle wissenschaftlichen Instrumente und über einen sechzig Tage Betriebs­zyklus nicht mehr als zehn Prozent niedriger sein als beim derzeitigen Brennelement“, sagt Reiter.

Die Simulationen der TUM-Forscher hat das Argonne National Laboratory (ANL) in den USA, das weltweit bereits seit 1978 an der Umrüstung von Forschungs­reaktoren beteiligt war, unabhängig und mit anderen Computer­codes ebenfalls berechnet. Reiter betont, dass er als Voraussetzung für die Berechnungen in seiner Studie von der Annahme ausgeht, dass der neue Brennstoff in Deutschland zulassungsfähig sein muss und die neuen Brennelemente mit den vorgeschlagenen Änderungen hergestellt werden können. Über die tatsächliche technische Erfüllbarkeit dieser Bedingungen trifft die Studie keine Aussage.

Eine Nebenbestimmung in der dritten Teilgenehmigung des FRM II sieht eine Umrüstung auf einen „Brennstoff mit höchstens fünfzig Prozent Uran-235 Anreicherung“ vor, „sobald der neue Brennstoff entwickelt, qualifiziert und industriell verfügbar ist“. In einer Vereinbarung aus dem Jahr 2020 haben die Wissenschafts­ministerien von Bund und Bayern festgelegt, im Jahr 2023 aufgrund der bis dahin vorliegenden Forschungs­ergebnisse über die Brennstoffvariante zu entscheiden. Bis 2025 soll das Genehmigungs­verfahren für den neuen Brennstoff eingeleitet werden. Der Wissenschaftliche Direktor des FRM II, Peter Müller-Buschbaum, sagt: „Wir haben gezeigt, dass es reaktor­physikalisch möglich ist, den FRM II mit einem LEU-Brennelement zu betreiben. Jetzt ist ein Grundstein für die Entscheidung gelegt.“

TUM / DE

 

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