Sicherere und nachhaltigere Kernenergie dank neuem Material?
Am 11. März 2011 wurde Japan von einem Erdbeben der Stärke 9,0 und einem Tsunami heimgesucht. Folge war die Nuklearkatastrophe von Fukushima mit schweren Störfällen im Kernkraftwerk Fukushima Daiichi. Dieser katastrophalste nukleare Unfall seit der Nuklearkatastrophe von Tschernobyl ist erst der zweite, der jemals auf der Internationalen Bewertungsskala für nukleare Ereignisse der Stufe 7 zugerechnet wurde. Eine der Ursachen der Katastrophe war, dass die Primärbrennstoffhülle des Reaktors keinen ausreichenden Schutz bot und deshalb im Verlauf des Erdbebens dramatisch beschädigt wurde. Um in Europa ähnliche Unfälle zu verhindern, entwickelt das EU-finanzierte Projekt PLASTICERA eine neue nanokeramische Beschichtung. Die Lösung birgt das Potenzial, in einem konventionellen Leichtwasserreaktor die Chancen auf einen Unfall drastisch senken zu können. Laut PLASTICERA-Projektkoordinator Fabio Di Fonzo ist die Kernenergie eine der skalierbaren Schlüsseltechnologien, die uns im Kampf gegen den Klimawandel zu Verfügung stehen. „Aber bevor wir diese Technologie tatsächlich nutzen können, müssen wir sicherere und nachhaltigere Wege der Kernenergieerzeugung finden“, wie er betont. „PLASTICERA ist ein großer Schritt in Richtung dieses Ziels.“ Di Fonzo, Verfahrenstechniker und Gruppenleiter des Labors für Nanomaterialien für Energie und Umwelt am Zentrum für Nanowissenschaften und -technologie des Istituto Italiano di Tecnologia betreute die Arbeit des Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiaten Erkka Frankberg, einem aufsteigenden Stern der Forschung in den Werkstoffwissenschaften. Die Forschung wurde im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahme unterstützt.
Vom Konzept zur Realität
Noch steht PLASTICERA als Konzept auf dem Papier. Es sieht den Einsatz amorpher dünner Oxidschichten vor, welche die Primärbrennstoffhülle bei einem nuklearen Unfall vor Beschädigung schützen. „Die Idee besteht darin, dass die dünne Oxidschicht eine einzigartige Kombination aus starker Sauerstoffdiffusionssperre und der Fähigkeit zur Aufnahme der plastischen Dehnung darstellt, die durch die Wärmeausdehnung des Brennelements entsteht“, erklärt Frankberg. Diese funktionelle Beschichtung sollte dann den Beginn der unkontrollierbaren Zersetzung der Primärbrennstoffhülle erheblich verzögern. „Dann wären eine rechtzeitige Notkühlung und eine drastische Eindämmung der Bildung von explosivem Wasserstoffgas innerhalb des Reaktors möglich. Die Entstehung dieses Gases ist die größte Gefahr für jedes Kernkraftwerk, bei dem Wasser als Kühlmittel und Zirkonium als Brennstoffhülle eingesetzt werden“, fügt Di Fonzo hinzu. Di Fonzo und Frankberg beabsichtigten, dieses Konzept mit Unterstützung von EU-Finanzmitteln in die Realität umzusetzen. Sie begannen damit, mithilfe einiger revolutionärer Werkstofffertigungsverfahren keramische Materialien wie beispielsweise amorphe Oxide herzustellen, die eine Voraussetzung für plastische Verformbarkeit bei niedrigen Temperaturen darstellen. Anschließend führten sie im Rahmen einer Leichtwasserreaktorsimulation unter Bedingungen, die sowohl dem Normal- als auch dem Notfallbetrieb ähnelten, Tests zu den mechanischen Eigenschaften und Korrosionsmerkmalen dieser Werkstoffe durch.
Weiter auf der Suche
Di Fonzo zufolge hat das Forschungsteam möglicherweise den Heiligen Gral der Werkstoffwissenschaften gefunden: eine dehnbare amorphe Keramik bzw. duktiles Glas. „Auch wenn wir noch keine endgültige Lösung für die mit den Leichtwasserreaktoren verbundenen Probleme gefunden haben, konnten wir vorführen, dass nanokeramische Materialien mit beispiellosen mechanischen Eigenschaften wie zum Beispiel plastischer Verformbarkeit hergestellt werden können“, berichtet er. „Besonders beachtenswert ist unser Nachweis, dass Aluminiumoxidgläser unter Spannung dehnbar sind, was bei Keramik ein absolutes Novum darstellt.“ Da sich Aluminiumoxid jedoch unter den in einem Leichtwasserreaktor herrschenden Bedingungen auflöst, geht für PLASTICERA die Suche weiter. „Gegenwärtig arbeiten wir an weiteren Nano- und amorphen Keramiken, welche die gleichen mechanischen Eigenschaften wie Aluminiumoxid zu bieten haben, aber den rauen Bedingungen im Leichtwasserreaktor standhalten können“, erläutert Frankberg abschließend.
Schlüsselbegriffe
PLASTICERA, Kernenergie, nuklearer Unfall, Nuklearkatastrophe von Fukushima Daiichi, Tschernobyl, Brennstoffhülle, nanokeramische Beschichtung, Leichtwasserreaktor
