Atomenergie: Neue Messmethode erkennt verborgene Schäden Reaktoren

Momentan wird ein Comeback der Atomkraft diskutiert. Zumindest ein vorübergehendes. Vor dem Hintergrund der Energiekrise gerät es ein wenig in den Hintergrund, dass das Problem der Endlagerung von Atommüll immer noch nicht gelöst ist. Eine begrenzte Laufzeitverlängerung der verbliebenen Kernkraftwerke in Deutschland könnte die drohende Energieknappheit zumindest teilweise auffangen. Allerdings sind diese Atomkraftwerke Jahrzehnte alt. Eine feinmaschige Überwachung ist daher unvermeidbar. Ein Team rund um Charles Hirst vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat ein Verfahren entwickelt, das diese Überwachung sowie die frühzeitige Erkennung von Schadstellen verbessern soll.

Alter Kernkraftwerke sind gefährlich

Problematisch ist bei derart alten Kraftwerken die Materialermüdung. Die Druckbehälter, Kühlleitungen und andere Bauteile waren jahrzehntelang radioaktiver Strahlung ausgesetzt. Schäden sind dabei unausweichlich. „ Die Bestrahlung verändert Materialien, weil sie Defekte in ihrer Struktur verursacht“, so Hirst. Die sich daraus ergebende Materialermüdung führt zu Rissen und im Extremfall zu Lecks.

Die Überwachung der Kraftwerke erfolgt in der Regel über visuelle Inspektionen sowie durch die Analyse von Materialproben mittels Transmissionselektronenmikroskopie, Leitfähigkeitsmessungen sowie Positronen-Annihilations-Spektroskopie (PAS). Aber auch diese Methoden können kleinste Schäden nicht immer erkennen.

Neues Verfahren zur Materialüberwachung

Das Team rund im Hirst hat daher ein neues Verfahren entwickelt. „Wir schlagen vor, solche Defekte über die von ihnen freigesetzte Energie zu detektieren und zu quantifizieren“, so die Forscher:innen. Wenn in der atomaren Struktur eines Materials ein Defekt auftritt, dann verändert dieser deren energetischen Zustand. „Für jeden Defekt gibt es eine charakteristische Aktivierungsenergie und eine bei der Umwandlung der Struktur freigesetzte Transformationsenergie“, erläutert das Team.

Mittels der dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC) lässt sich diese Energiefreisetzung messen. Die Forscher:innen konnten das Konzept bereits in einem Experiment mit Proben aus einem Titanbolzen testen, der im Versuchsreaktor des MIT über einen längeren Zeitraum radioaktiver Strahlung ausgesetzt war. Um die Messung durchführen zu können, wird die Probe in einer speziellen Messkammer erhitzt. „Wir erhöhen dafür die Temperatur stetig um rund 50 Grad pro Minute, von Raumtemperatur auf bis zu 600 Grad“, erläutert Hirst das Verfahren. Während dieser Temperaturerhöhung wird das Maß sowie die Geschwindigkeit der Erwärmung der Probe gemessen.

Ungleichmäßige Erwärmung deutet auf Defekte hin

Der Verlauf der Erwärmung zeigt, ob die Probe strahlenbedingte Defekte zeigt. Ist dies der Fall, zeigen sich Sprünge in der Temperatur. Diese entstehen, wenn sich die atomaren Strukturen durch das Erhitzen verändern und die Defekte „herausgeheizt“ werden. „In unserem Fall zeigte sich eine deutliche Energiefreisetzung, als die Defekte rekombiniert wurden. Dadurch heizt sich die Probe vorübergehend stärker auf“, so Hirst.

„Im Experiment zeigen unsere bestrahlten Proben eine exothermische Energieabgabe bei 380 bis 470 Grad und dann noch einmal bei 500 bis 590 Grad“, erläutern die Forscher:innen. Daraus lasse sich auf zwei unterschiedliche Prozesse schließen, in denen Defekte ausgeheilt werden. Wenn die Ergebnisse mit denen intakter Vergleichsproben verglichen werden, lässt sich auch das Ausmaß der Schäden abschätzen.

Mehr Sicherheit für Kernkraftwerke?

Die Forscher:innen hoffen, mit ihrer Methode zur Sicherheit gerade älterer Reaktoren beitragen zu können. „Wir können diese Atomkraftwerke nur dann am Netz lassen, wenn wir sicher sein können, dass sie weiterhin korrekt arbeiten“, so Michael Short vom MIT, Seniorautor der Studie. Die dynamische Differenzkaliometrie kann dazu beitragen, die Sicherheit der Reaktoren zu gewährleisten. Es reiche bereits aus, eine winzige Materialprobe aus kritischen Bauteilen des jeweiligen Reaktors zu untersuchen. Zudem funktioniere die Methode sowohl bei Metall als auch bei keramischen Materialien oder Halbleitern. Die Messung bei Metallen ist dabei am schwierigsten, weshalb das Team Titan für das Experiment ausgewählt hat. „ Wenn es damit funktioniert, dann geht es auch mit allem anderen. Diese Methode ist damit nahezu überall anwendbar“, erklärt Short.

via MIT