Forschende entwickeln neues Verfahren zur Prüfung von Brennstäben
Oxidschicht der Hüllrohre von Kernreaktor-Brennstäben lässt sich mit einem neuen 3D-Bildgebungsverfahren untersuchen.
Die Hüllrohre der Brennstäbe in Kernreaktoren müssen dicht bleiben – trotz drohender Korrosion durch das umgebende Kühlwasser und trotz der Strahlenbelastung im Betrieb. Daher ist es wichtig zu wissen, wie schnell Korrosionsschichten entstehen und wie porös sie sind. Forschende am Paul Scherrer Institut konnten nun erstmals mit einer neuen Methode diese Veränderungen des Hüllrohr-Materials dreidimensional mit einer Auflösung im Nanometerbereich sichtbar machen. Ein weiteres Alleinstellungsmerkmal: Sie untersuchten Proben von Hüllrohren, die tatsächlich im Reaktor im Einsatz gewesen waren. Dabei zeigte sich, dass die Rohre der Belastung standhalten: Sie waren weiterhin dicht.
Die neuen Untersuchungen entstanden in einer Zusammenarbeit dreier Forschungszentren des PSI: dem Zentrum für Nukleare Technologien und Wissenschaften, dem Zentrum für Photonenforschung sowie dem Zentrum für Neutronen- und Myonenforschung. Im „Hotlabor“ am PSI – einer einzigartigen Anlage zur Untersuchung hochradioaktiver Stoffe – schnitten Mitarbeitende des Zentrums für Nukleare Technologien und Wissenschaften in abgeschirmten Zellen und mit speziellen Feinsägen hauchdünne Proben aus den Hüllrohren ausgedienter Brennstäbe. Anschließend formten sie diese mit einem fokussierten Ionenstrahl zu zylindrischen Proben.
Die Proben stammten aus der Oberfläche der Hüllrohre – aufgrund der Oxidation im Betrieb handelt es sich hier um eine Schicht aus Zirkoniumoxid. „Am Ende hatte unsere winzige Zirkoniumoxidsäule nur noch einen Durchmesser von zwanzig Mikrometern; das ist mit dem bloßen Auge kaum mehr sichtbar“, erklärt Okan Yetik, Erstautor der neuen Studie. Er hatte diese Forschung im Rahmen seiner mittlerweile abgeschlossenen Promotion am Zentrum für Nukleare Technologien und Wissenschaften sowie am Zentrum für Neutronen- und Myonenforschung am PSI durchgeführt.
Wie genutzte Brennstäbe altern
Nadeln unter der Neutronenlupe
Sichere Zwischenlagerung von Brennelementen
„In dieser winzigen Größe emittiert das Probenstück nur sehr wenig ionisierende Strahlung“, ergänzt Liliana Duarte, Forscherin am Zentrum für Nukleare Technologien und Wissenschaften des PSI und eine der Betreuerinnen von Yetiks Dissertation. „Dadurch lagen wir unter dem Grenzwert, bis zu dem solche Untersuchungen außerhalb speziell abgeschirmter Laborzellen durchgeführt werden dürfen.“
So wurde es möglich, die Probe an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS am PSI zu untersuchen; mittels der hier entwickelten ptychografischen Röntgen-Computertomografie (PXCT). Die Probe wird dabei mit einem Röntgenstrahl punktweise aus verschiedenen Winkeln abgetastet und es entstehen besonders hochaufgelöste dreidimensionale Bilder der inneren Materialstruktur. „Damit konnten wir sogar Poren erkennen, die nur achtzig Nanometer klein waren“, sagt Andreas Menzel vom Zentrum für Photonenforschung am PSI, ein weiterer Mitautor der Studie.
„Die Messungen an der SLS zeigten uns, dass die schützenden Oxidschichten der Hüllrohre selbst nach Jahren im Einsatz noch dicht bleiben und ihren Zweck erfüllen“, sagt Duarte.
Zum Vergleich untersuchten die Forschenden zudem Proben von unbestrahlten Hüllrohren, wie sie bisher für Qualitätsprüfungen verwendet werden: In einem Autoklaven werden Proben gezielt Druck, Temperatur und Wasser ausgesetzt. Dabei zeigte sich: Die Dichte der tatsächlich im Einsatz gewesenen Hüllrohre und jene der autoklavierten Hüllrohrproben waren praktisch identisch. Daraus lässt sich schließen, dass die üblichen Materialtests mit nicht radioaktiven Proben aus dem Autoklaven durchaus aussagekräftige Ergebnisse liefern. [PSI / dre]
Weitere Informationen
- Originalveröffentlichung
O. Yetik, L. I. Duarte, M. G. Makowska, et al., Density Measurement of Irradiated and Non-Irradiated Zirconium Oxide by Ptychographic X-Ray Computed Tomography (PXCT), Adv. Eng. Mater., e202503145, 11. Oktober 2026; DOI: 10.1002/adem.202503145 - Hydrides and Embrittlement (Okan Yetik), Laboratory for Neutron Scattering and Imaging, PSI Center for Neutron and Muon Sciences CNM, Villigen
