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Kernkraftwerke : Reaktoren unter Dauerbeschuss

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Der Reaktordruckbehälter des ehemaligen Kernkraftwerks Greifswald Bild: Foto Energiewerke Nord

Die Kernkraftwerke sollen länger laufen. Wie wirkt sich das auf die Materialien nahe der Brennstäbe aus? Werden sie spröde? An ausgedienten Behältern wird das jetzt getestet.

          Sollten die Laufzeiten der Kernkraftwerke in Deutschland im Schnitt um zwölf Jahre verlängert werden, wie es die Regierungskoalition anstrebt, würden die siebzehn laufenden deutschen Anlagen dann jeweils etwa 40 Jahre lang in Betrieb sein. In anderen Ländern wie den Vereinigten Staaten oder Frankreich, wo derzeit ebenfalls über verlängerte Laufzeiten debattiert wird, sind sogar Gesamtbetriebszeiten von 60 oder 80 Jahren im Gespräch. An der Laufzeitverlängerung entzündet sich aber nicht nur politischer Streit, sie wirft auch wissenschaftliche Fragen auf. So ist unklar, wie sich der längere Betrieb auf die Reaktormaterialien auswirkt, wenn sie dadurch einer höheren Strahlenbelastung ausgesetzt sind. Antworten darauf soll ein EU-Projekt liefern, das von Wissenschaftlern des Forschungszentrums Dresden-Rossendorf koordiniert wird. Im Fokus von "Longlife", so der Name des Projekts, steht dabei der Reaktordruckbehälter. Dessen Stahlhülle wird im Betrieb permanent von energiereichen Neutronen bestrahlt und dadurch allmählich spröde.

          Der Reaktordruckbehälter ist die zentrale Komponente eines Kernkraftwerks. Der aus mächtigen Schmiederingen zusammengeschweißte Stahlzylinder enthält den Kernbrennstoff, aus dem in Folge der Kernspaltungsprozesse einerseits Wärme entsteht, andererseits energiereiche Neutronen entweichen. Dieser andauernde Neutronenbeschuss verändert den Stahl, der mit fortwährender Bestrahlung an Zähigkeit verliert: Er wird allmählich spröde und dadurch mechanisch weniger belastbar. Die Ursache sind Störungen im Kristallgitter des Materials. Treffen die Neutronen auf Eisenatome, stoßen sie diese von ihren angestammten Gitterplätzen fort. Jedes herausgeschlagene Eisenatom verdrängt seinerseits Nachbaratome von deren Plätzen, und so kommt es zu einer regelrechten Stoßkaskade, in deren Verlauf sich Cluster von Defekten bilden.

          Kontrollproben

          Diese Phänomene sind gut verstanden und untersucht worden. Die für Reaktordruckbehälter genutzten Legierungen sind der Strahlungsbelastung gewachsen. Somit kann ausgeschlossen werden, dass durch Versprödung ein Riss in der Reaktorwand entsteht - selbst unter extremen Bedingungen, wenn etwa in dem bei 300 Grad arbeitenden Reaktor aufgrund von Überhitzung plötzlich kaltes Wasser eingespeist werden müsste und dadurch thermische Spannungen im Material aufträten. Längere Laufzeiten für die Kernkraftwerke bedeuten jedoch eine höhere Neutronendosis und damit für das Material eine stärkere Belastung, als es ursprünglich ausgelegt war. Die Wissenschaftler des EU-Projekts wollen nun untersuchen, ob dadurch zusätzliche Effekte in den Stählen auftreten.

          Üblicherweise erfolgt die Kontrolle des Materialzustands mit sogenannten Voreilproben. Diese bestehen aus dem gleichen Stahl wie das Reaktordruckgefäß. Die Proben werden in spezielle Kanäle dicht am Reaktorkern plaziert, wo sie einer intensiveren Strahlung ausgesetzt sind als die Wand. Sie altern also schneller - ihr Zustand eilt gewissermaßen der Beschaffenheit der Behälterwand voraus. Die Materialproben werden mitunter auch in speziellen Forschungsreaktoren bestrahlt, wo sie einer deutlich höheren Intensität ausgesetzt sind als die Voreilproben nahe dem Reaktorkern. Man erzielt hierbei Strahlungsdosen, die typisch für den Langzeitbetrieb sind. Dabei bleibt der sogenannte Flusseffekt allerdings unberücksichtigt. So können Materialien, die über einen kurzen Zeitraum einem hohen Neutronenbeschuss ausgesetzt waren, auf atomarer Ebene andere Veränderungen zeigen als solche, die über lange Zeit eine weniger intensive Strahlung erfahren haben. Die durchschnittliche Größe der Defektcluster wächst nämlich bei längerer Bestrahlungszeit. Es gibt allerdings Hinweise, dass dieser Effekt nur wenig Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Stahls hat.

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