Fortschritte hin zu geschlossenem nuklearen Brennstoffkreislauf und reduzierter Radiotoxizität
Zu den minoren Actinoiden (MA) gehören Elemente mit langer Halbwertzeit wie Americium (Am), Neptunium (Np) oder Curium (Cm), die sich vor allem in verbrauchten Brennelementen finden. Nun wird daran gearbeitet, diese MA-Radionuklide in der Partitionierungsphase der HLLW-Aufbereitung abzutrennen und dann im Kernkraftwerk in radioaktive Elemente mit kürzerer Halbwertzeit umzuwandeln, um die Langzeitradiotoxizität der verbleibenden Abfälle deutlich zu reduzieren. Hierfür arbeitete das EU-finanzierte Projekt PELGRIMM mit bestrahlten nuklearen Brennstoffen und verfolgte zwei Ansätze: Bei der homogenen MA-Rezyklierung wird ein geringer Anteil der MA in Uran-Plutonium-Oxid (U,Pu)O2 und heterogener MA-Rezyklierung gelöst, wobei MA in UO2-Brennstoffen konzentriert sind und sich im radialen Blanket des Kerns befinden. PELGRIMM musste zunächst mehrere Aufgaben lösen, etwa die Vorbereitung und Umsetzung des neuen Bestrahlungstests MARINE für (U, Am)O2-Brennstoffe im Hochflussreaktor in Petten, Niederlande. Brennstoffe für homogene und heterogene Rezyklierung Für die homogene Rezyklierung von MA untersuchte PELGRIMM in einem Bestrahlungsexperiment das Verhalten von (U,Pu,Am)O2, um die bestehende Datenbank zu ergänzen und zu erweitern, und entwickelte Modelle für die Aktualisierung von Codes. Bei der heterogenen Rezyklierung wurden hervorragende Ergebnisse mit bestrahlten (Am,U)O2-Brennstoffen erzielt, der neue Bestrahlungstest von MARINE erfolgreich abgeschlossen und neue Modelle zum Bestrahlungsverhalten der Brennstoffe entwickelt. Projektkoordinatorin Dr. Fabienne Delage erklärt hierzu, dass "erst seit kurzem beide Rezyklierungsformen für MA-Brennstoffe untersucht werden". Experimentelle Analysen seien bislang auf die Produktion im Labormaßstab, wenige Out-of-Pile-Erprobungen und wenige Bestrahlungsexperimente beschränkt gewesen. Ein weiterer Aspekt des Projekts waren Forschungen an Brennstoffen, die nicht die herkömmliche Form von Pellets haben, sondern kleine Kugeln (Spherepac) sind. Die Spherepac-Technologie ist für MA-haltige Brennstoffe geeignet und vereinfacht die Fertigung, da mehrere Prozessschritte wie Fräsen, Pressen und Schleifen (Pulver- und Staubbildung) wegfallen und der Herstellungsprozess kompakter wird. Zudem ließe sich möglicherweise die Brennstoffleistung der bestrahlten Kugeln optimieren. Grund ist die bessere Aufnahme fester Quellmittel und besseres Management des durch Bestrahlung erzeugten Heliums, was aber noch nicht getestet wurde. Und Dr. Delage erläutert weiter: "Ein bedeutender Beitrag von PELGRIMM zu beiden Arten der MA-Rezyklierung ist die Verkürzung zeitaufwändiger, mehrstufiger Analysen der Brennstoffleistung und Begrenzungseinschätzungen. Diese dauern in der Regel länger als die übliche drei- bis vierjährige Projektlaufzeit. Auf früheren Erfolgen aufbauen PELGRIMM baute auf früheren EU-finanzierten Projekten wie FAIRFUELS und ACSEPT zur effizienten Schließung des nuklearen Brennstoffkreislaufs auf, was letztlich Menge und radioaktiven Gehalt von nuklearen Abfällen mit langer Halbwertzeit reduzieren soll, um sie dann in geologischen Formationen endlagern zu können. Für die Zukunft erläutert Dr. Delage die nächsten Schritte im Bereich Forschung und Entwicklung und betont: "Wir müssen die Zahl der Bestrahlungsergebnisse erhöhen, indem erstens Nachbestrahlungsuntersuchungen an bereits vorhandenen bestrahlten Brennstoffen erfolgen und abgeschlossen werden. Zweitens müssen die Brennstoffe im Reaktorbetrieb und außerhalb der normalen Bedingungen getestet werden. Weitere Schwerpunktthemen sind Delage zufolge die Erweiterung der Datenbank für Brennstoffparameter, weitere Entwicklung prädiktiver Codes für die Brennstoffausbeute, Weiterentwicklung vom Labor- zum Pilotmaßstab, genauere Forschungen zur Physik, Konstruktion und Sicherheit des Reaktors und schließlich Management sekundärer Abfallströme.
Schlüsselbegriffe
Radiotoxizität, nuklear, minore Actinoide, abgebrannter Kernbrennstoff, Bestrahlung, nuklearer Brennstoffkreislauf, nukleare Abfälle, geologische Endlager, Treibstoff
