Langzeitverhalten zwischengelagerter Brennelemente bei deutlich längerer Zwischenlagerung

So sind zum Beispiel die Brennstabhüllrohre während der gesamten Zeit der trockenen Zwischenlagerung Belastungen ausgesetzt. Sie stehen unter hohem Innendruck, unterliegen radioaktiver Strahlung und kühlen bedingt durch die Nachzerfallswärme nur langsam ab. Unter diesen Randbedingungen stellt sich die Frage, ob sich die Materialeigenschaften verschlechtern können.

Brennelemente enthalten den Kernbrennstoff, der in einem Kernkraftwerk (KKW) kontrolliert gespalten wird. Nach einiger Zeit sind die Brennelemente „abgebrannt“ und sie werden durch neue ersetzt. Die abgebrannten Brennelemente sind hochradioaktiver Abfall und sollen in Deutschland in tiefen geologischen Formationen endgelagert werden. Bis ein solches Endlager gefunden ist, werden die Brennelemente in speziellen Transport- und Lagerbehältern (TLB) in sogenannten Zwischenlagern verwahrt. 

Auch wenn die Suche nach einem Endlager mittlerweile angelaufen ist, so wird es wohl noch Jahrzehnte dauern, bis die Brennelemente dorthin verbracht werden können. Die Genehmigungen für die Zwischenlager und die TLB laufen allerdings je nach Standort zwischen 2034 und 2047 aus – eine Verlängerung über diesen Zeitraum hinaus wird also nötig. Dafür sind belastbare, technisch-wissenschaftliche Erkenntnisse unabdingbar, die nachweisen, dass sämtliche sicherheitstechnische Anforderungen erfüllt werden, auch wenn die abgebrannten Brennelemente deutlich länger zwischengelagert werden, als es die bestehenden Genehmigungen vorsehen. Zudem sind die TLB bisher nicht für die Endlagerung vorgesehen, die Brennelemente müssen also aus den TLB in spezielle Endlagerbehälter umgeladen werden. Dazu müssen sie mechanisch gehändelt werden und auch noch ausreichend stabil sein.

Forscherteam geht dreischrittig vor

Die Wissenschaftler haben daher ein Rechenmodell entwickelt, mit dem sich offene Fragen zum Zustand und Verhalten von Brennelementen bei längerfristiger trockener Zwischenlagerung beantworten lassen. Neben eigenen Berechnungen entwickelten sie Rechenmodelle, die sie in bereits existierende Software-Programme wie KENOREST, TESPA-ROD oder die Freeware COBRA-SFS implementierten. Um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen, waren drei aufeinanderfolgende Schritte nötig, und zwar 

• die Ermittlung des aktuellen Zustands des Kernbrennstoffs, 
• die Berechnung der Temperaturentwicklung in den Behältern sowie 
• die Bestimmung des Brennstabverhaltens.

Im ersten Schritt mussten die in Deutschland gängigen UO2- und Mischoxid-Brennstäbe charakterisiert werden. Dazu zählen unter anderem die Berechnung des Abbrands und der daraus resultierenden Nachzerfallswärmeleistung. 

In  einem zweiten Schritt wurden geeignete Behältermodelle für die Rechenprogramme entwickelt. Die in Schritt 1 ermittelten Werte sowie die daraus resultierenden Temperaturfelder wurden über die Zeit der Zwischenlagerung analysiert. Im dritten Schritt entwickelte und implementierte das Forscherteam Modelle, mit denen sich das Brennstabverhalten abbilden lässt. Hierbei sind vor allem die chemischen, thermischen und mechanischen Wechselwirkungen zwischen Brennstoff und Hüllrohr wichtig. 

Die für die Lösung der Einzelschritte erforderlichen Anwendungen und Rechenprogramme zur Abbrand- und Zerfallsberechnung, zu Wärmeentwicklung und -ausbreitung sowie zum Hüllrohrverhalten sind zu einer Art händischen Rechenkette gekoppelt. Zukünftiges Ziel ist eine Rechenkette, die von einem einzelnen Programm/einer Oberfläche aus bedient werden kann.

Weitere Untersuchungen erforderlich

Neben einer Vielzahl an Erkenntnissen warfen die Arbeiten auch neue Detailfragen auf, beispielsweise wie groß der Einfluss einer langsamen Temperaturabnahme im Hüllrohr auf die Wasserstoffdynamik im Hüllrohr ist. Wasserstoff ist durch Oxidationsprozesse in jedem Hüllrohr vorhanden und bildet bei Konzentrationen oberhalb der Löslichkeitsgrenze feine Hydride, die das umgebende Metallgitter stören und zur Versprödung führen.

Außerdem muss die Belastbarkeit der Ergebnisse einer Rechenkette zur Vorhersage des bestrahlten Materialverhaltens für lange Zeiträume (über 40 Jahre) weiter verbessert werden. Das liegt zum einen daran, dass es kaum direkte Validierungsmöglichkeit für das Brennstabverhalten über diese Zeiträume gibt, da bereits befüllte Behälter geöffnet und deren Inhalt materialwissenschaftlichen Tests unterzogen werden müsste. Zum anderen handelt es sich um multiphysikalische Simulationen mit skalenübergreifenden Modellen von einer mikroskopisch-atomistischen Betrachtungsebene bis hin zur makroskopischen Ebene des gesamten Behälters. Eine detaillierte Unsicherheits- und Sensitivitätsanalyse der Ergebnisse ist daher für eine bessere Einschätzung und Belastbarkeit der Ergebnisse erforderlich.