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Dr. Rosmarie Hengstler-Eger im Interview mit kernenergie.de zu innovativen Methoden der Materialforschung an Brennelement-Hüllrohren

Januar 2015


Dr. Rosmarie Hengstler-Eger
Dr. Rosmarie Hengstler-Eger

Dr. Rosemarie Hengstler-Eger hat an der Technischen Universität München Physik studiert (Diplom 2008) dort in Physik promoviert (Industriepromotion mit AREVA GmbH, 2012). Sie war von 2011 bis 2014 Ingenieurin für Materialentwicklung und Bestrahlungsprogramme bei der AREVA GmbH in Erlangen und ist seit Januar 2015 Ingenieurin für Materialentwicklung bei AREVA NP SAS in Lyon.

Ihre Forschung befasst sich mit den Effekten, die die Neutronen aus der Kettenreaktion in Druckwasserreaktoren auf Brennstab-Hüllrohre und Brennelement-Strukturteile haben. Was treten infolge der Neutronenbestrahlung für Effekte auf und was für Anforderungen bestehen generell für das Material der Hüllrohre bzw. der Strukturteile?

Die Neutronen "kollidieren" mit den Atomen des Materials und stoßen sie von ihrer Position in der Gitterstruktur, in der die Atome im Material angeordnet sind. Das versetzte Atom bewegt sich weiter durch das Material und trifft nun seinerseits auf Atome, so dass eine Versetzungskaskade entsteht. Die Atome lassen Leerstellen im Gitter zurück und kommen selbst auf einem Zwischengitterplatz zur Ruhe. Ein Neutron kann mehrere Tausend Leerstellen und Zwischengitteratome erzeugen. Diese Defekte diffundieren durchs Material und können mit Korngrenzen, Zweitphasen oder miteinander wechselwirken. Insbesondere bilden sie Cluster, die im atomaren Gitter des Hüllrohrmaterials die Form von Versetzungsringen annehmen. Diese führen dazu, dass das Material in einer Gitterrichtung schrumpft und sich in den anderen Richtungen ausdehnt; in Folge dehnen sich die Komponenten und damit die Brennelemente (BE) axial, d. h. der Länge nach aus. Dies muss bei der Auslegung berücksichtigt werden und darf nur in begrenztem Maß auftreten. Davon abgesehen müssen die Strukturmaterialien weitere wesentliche Eigenschaften aufweisen, z.B., einen hohen Schmelzpunkt, einen hohen Korrosionswiderstand, geringe Wasserstoffaufnahme sowie einen geringen Einfangsquerschnitt für thermische Neutronen, damit nicht zu viele Neutronen, die für die Aufrechterhaltung der Kettenreaktion benötigt werden, absorbiert werden.

Worin liegt nun der besondere Ansatz Ihrer Forschung, worin der praktische Nutzen, der sich daraus ergeben kann?

Für die Materialentwicklung besteht die Herausforderung, dass Experimente im Kraftwerk sich über Jahre hinziehen und aufgrund der Aktivierung der Proben hohe Kosten für Transport und Nachuntersuchungen anfallen. Darüber hinaus sind die experimentellen Parameter im Reaktor relativ unflexibel vorgegeben, und man kann die Proben nur während der Revisionen entnehmen. Der Ansatz meiner Arbeit ist, die Strahlenschäden nicht im Reaktor mit Neutronen, sondern außerhalb des Kerns durch Ionenbestrahlung zu erzeugen. Damit überspringt man die erste Kollision zwischen Neutron und Atom und beginnt direkt mit dem ersten versetzten Atom. Da Ionen sehr viel stärker als Neutronen mit dem Material wechselwirken, erzeugt man die für das Ende des Lebens eines Brennelements typischen Effekte in Form der Versetzungsdichten in einigen Stunden. Die Proben werden nicht aktiviert, und die experimentellen Parameter sind frei wählbar. Das Besondere ist jedoch, dass sich die Proben bestrahlen lassen, während sie sich in einem Transmissions-Elektronen-Mikroskop befinden. Damit kann man die Entwicklung der Strahlenschäden live beobachten und untersuchen, wie sich die Defekte mit der Dosis entwickeln. Es ist unmöglich, solche Informationen durch Experimente im Reaktor zu erhalten. Wir können damit den Einfluss von Material- und Umgebungsparametern auf die Strahlenschäden untersuchen. Die Ergebnisse gehen in die Materialoptimierung ein.

Wo liegen aus Ihrer Sicht weitere Innovationspotentiale in der Leichtwasserreaktortechnik und wie sind Forschung und Entwicklung in Deutschland dabei im weltweiten Vergleich positioniert?

Im Bereich LWR-Design sind hier z.B. die Small Modular Reactors zu nennen. In der Brennelement-Entwicklung werden nicht nur die bewährten Strukturmaterialien und Brennstoffe optimiert, sondern auch ganz neue Materialsysteme untersucht. Innovationspotentiale gibt es natürlich auch in der Codeentwicklung, also bei den numerischen Simulationen an Computern. Leider wird die universitäre Forschung im Bereich Kerntechnik in Deutschland deutlich reduziert. Dies steht in keinem Vergleich zu Ländern wie USA und Frankreich. Bezeichnend dafür ist, dass die Anlage, an der ich die Experimente durchführe, nicht zu einem deutschen Institut, sondern zum Argonne National Lab in den Vereinigten Staaten gehört.

Zum Abschluss noch eine allgemeinere Frage: welche Rolle spielt aus Ihrer Sicht heute noch die Exzellenz in der Kerntechnik für die technische und industrielle Kompetenz im Allgemeinen? In der Vergangenheit sind ja von FuE in der Kerntechnik wichtige Impulse auch für andere Gebiete ausgegangen und es wurden industrielle Qualitätsmaßstäbe gesetzt.

Die hohen Sicherheitsstandards in der Kerntechnik erfordern eine kontinuierliche Überwachung der Komponenten ebenso wie eine Integration des aktuellen Stands von Wissenschaft und Technik in die bestehenden Anlagen. Entsprechend werden Entwicklungen in der Materialprüfung, Messtechnik und Robotik vorangetrieben und Verfahren zur Komponentenerneuerung gefunden. Diese sind auch in anderen Bereichen anwendbar, z.B. für Windkraftanlagen oder konventionelle Kraftwerke. Ein weiterer Bereich, der von den Entwicklungen in der Kerntechnik profitiert, ist die Medizin. Der Bedarf an radioaktiven Isotopen für Diagnostik und Therapie und die damit verbundenen Fragen zu Strahlenschutz, Handhabung, Transport und (End-)Lagerung sind Themen, zu deren Lösung die Expertise der Kerntechnik wesentlich beiträgt.


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