Kernkraftwerke haben insbesondere in Deutschland einen schlechten Ruf. Weltweit gibt es jedoch viele von ihnen, und sie stellen hohe technische Anforderungen an Materialien.
Für einige Bereiche werden spezielle Werkstoffe benötigt, so zum Beispiel für Hüllrohre von Brennstäben.
Auf dem Foto sehen wir Brennelemente eines kleinen Kernreaktors für Lehr- und Übungszwecke an der Universität Lausanne in der Schweiz.
Die erforderliche Wärme wird in Kernkraftwerken durch Kernspaltung erzeugt. Der Kernbrennstoff besteht meist aus Urandioxid, das in Form von Tabletten, sogenannten Pellets, eingesetzt wird. In diesen Pellets findet die wärmeerzeugende Kernspaltung statt.
Der Reaktorkern eines Kernkraftwerks setzt sich aus mehreren Hundert Brennelementen zusammen. Diese werden stets als Ganzes gehandhabt und bilden die erste Sicherheitsbarriere in einem Kernreaktor.
Typische Brennelemente sind etwa 4 m lang und bestehen aus ca. 250 Brennstäben, die mithilfe von Abstandshaltern gebündelt werden. Ein Brennstab ist ein metallisches Rohr, das mit Pellets aus Kernbrennstoff gefüllt ist.
Welche Eigenschaften muss ein geeignetes Metall dafür besitzen? Zwei Eigenschaften sind besonders wichtig: eine hohe Durchlässigkeit für thermische Neutronen und eine hohe Korrosionsbeständigkeit.
Die gute Neutronendurchlässigkeit (geringer Einfangquerschnitt für Neutronen) bedeutet, dass ein Material die meisten Neutronen im Reaktor nicht einfängt oder absorbiert, sondern durchlässt. Dadurch stehen mehr Neutronen für die Kernspaltung zur Verfügung, was die Kettenreaktion effizienter macht und ihren stabilen Ablauf gewährleistet.
Gleichzeitig muss das Metall gegenüber der Neutronenbestrahlung beständig sein. Diese darf unter normalen Bedingungen keine zu schnelle Versprödung verursachen.
Brennstäbe werden Temperaturen von über 300 °C sowie hohem Druck ausgesetzt. In den meisten Kernkraftwerken werden sie von Wasser als Wärmeträgermedium umspült. Dieses Wasser transportiert die nutzbare Wärme ab und kühlt gleichzeitig die Brennstäbe.
Das Material der Hüllrohre muss daher einer starken korrosiven Beanspruchung durch schnell fließendes Wasser standhalten.
Weitere Anforderungen: Das Hüllrohr eines Brennstabs soll den Kernbrennstoff sicher einschließen, insbesondere um den Austritt der stark radioaktiven Spaltprodukte zu verhindern.
Da diese teilweise gasförmig sind, muss das Hüllrohr gasdicht verschweißt sein und im Betrieb möglichst dicht bleiben – trotz hoher Betriebstemperaturen, zunehmenden Innendrucks und möglicher struktureller Veränderungen durch intensive Neutronenbestrahlung.
Materialtechnisch erfüllt diese besonderen Anforderungen im Wesentlichen nur ein Metall: Zirkonium. Es hat einen geringen Einfangquerschnitt für thermische Neutronen, d. h. eine hohe Neutronendurchlässigkeit. Die Neutronenabsorption von Zirkonium ist im Vergleich zu Stahl um etwa den Faktor 30 geringer. Hinzu kommen weitere günstige Eigenschaften. Daher wird als Material für die Hüllrohre in thermischen (z. B. wassergekühlten) Kernreaktoren bevorzugt der hafniumfreie Zirkoniumwerkstoff Zircaloy verwendet.
Mit Zircaloy (auch Zirkaloy, Zircalloy oder Zircaloy) werden Legierungen bezeichnet, die zu mehr als 90 % aus Zirkonium bestehen.
Warum muss das Material jedoch hafniumfrei sein? Die Antwort ist eindeutig: Hafnium ist im Gegensatz zu Zirkonium ein starker Neutronenabsorber.
Zusätzlich bietet Zircaloy eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber Wasser und Dampf bei hohen Temperaturen, mechanische Festigkeit sowie Hitzebeständigkeit unter extremen Reaktorbedingungen. Es ermöglicht die Herstellung gasdichter Hüllrohre für Brennstäbe, die radioaktive Spaltprodukte sicher einschließen.
Problematisch ist allerdings, dass Zirkonium bei starker Überhitzung der Brennstäbe mit Wasserdampf reagieren kann, wobei explosiver Wasserstoff entsteht.
Dies kann nur dann auftreten, wenn ein Kühlsystem ausfällt und die Brennstäbe nicht mehr ausreichend gekühlt werden. Eine nennenswerte Wasserstoffbildung ist ab etwa 450 °C zu erwarten.
Bei diesen hohen Temperaturen und in Gegenwart von Wasserdampf oxidieren die Zircaloy-Hüllen. Dabei werden große Mengen Wasserstoff freigesetzt, was bereits zu Explosionen in Reaktorgebäuden geführt hat, beispielsweise bei den Katastrophen von Tschernobyl und Fukushima. Diese unvermeidliche Korrosion begrenzt die Einsatzdauer der Brennelemente auf etwa drei bis fünf Jahre.
Neben Zirkonium gibt es weitere Metalle mit hoher Neutronendurchlässigkeit:
Aluminium – wird vor allem in der Reaktortechnik und in Experimenten verwendet, da es Neutronen nur schwach absorbiert.
Magnesium – ist ebenfalls relativ „transparent“ für Neutronen.
Beryllium – besitzt eine sehr gute Neutronendurchlässigkeit und wirkt zusätzlich als Moderator (streut Neutronen effektiv). Es wird jedoch aufgrund seiner Sprödigkeit und seiner Anfälligkeit gegenüber Neutronenschädigung kaum verwendet.
In jüngerer Zeit wurden neue Brennstäbe entwickelt, bei denen ebenfalls Zirkonium zum Einsatz kommt. Diese unterscheiden sich jedoch von konventionellen Brennstäben:
Hier besteht der Kernbrennstoff nicht aus gesintertem Uranoxid, sondern aus einer Uran-Zirkonium-Legierung, deren Vorteil in einem verbesserten Wärmetransport liegt.<<
