Bahnbrechende Berechnungen von Forschenden der TUM
Betrieb des FRM II mit niedrig angereichertem Uran möglich
Erstmals haben Forschende an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz mit aufwändigen Computersimulationen eine Umrüstungsoption identifiziert, die mit einem Brennstoff mit einer Anreicherung unter 20 % des spaltbaren Uran-235 funktionieren soll. Das vorgeschlagene LEU-Brennelement erfüllt die Sicherheitsanforderungen, ist mit dem derzeitigen Brennelement kompatibel und erhält den für die Forschung notwendigen Neutronenfluss des FRM II aufrecht.
Der Präsident der TUM, Prof. Thomas F. Hofmann, betont die große Bedeutung des FRM II für Wissenschaft und Innovation: „Forschende aus aller Welt kommen nach Garching und nutzen die Neutronen für wissenschaftliche Untersuchungen. Dazu gehört zum Beispiel die Analyse von Energiespeichermaterialien und Batterien oder von Werkstoffen für Gasturbinen. Sogar bei der mRNA-Impfstoffentwicklung war der FRM II beteiligt. Ich bin sehr froh, dass nun rechnerisch die Grundlage erbracht ist, den FRM II auf einen LEU-Brennstoff umzurüsten und damit die Basis für einen Weiterbetrieb der Neutronenquelle vorhanden ist.“
Mit Supercomputer und Deep Learning zum Ergebnis
In einer aufwendigen Parameterstudie hat Dr. Christian Reiter, Reaktorphysiker am FRM II und Leiter der Theorie Division des TUM Center for Nuclear Safety and Innovation, mit seiner Gruppe viele mögliche Änderungen am FRM II Brennelement durchgerechnet. Es waren dafür eigene Rechencluster am Leibniz-Rechenzentrum und neu entwickelte Software mit Deep Learning im Einsatz. Das Ergebnis: Ein LEU-Brennelement für den FRM II ist reaktorphysikalisch möglich und lässt sich mit den vorhandenen Systemen betreiben; ein großer Umbau der Neutronenquelle ist nicht erforderlich. „Der Neutronenfluss des vorgeschlagenen LEU-Brennelements wird gemittelt über alle wissenschaftlichen Instrumente und über einen 60 Tage Betriebszyklus nicht mehr als 10% niedriger sein als beim derzeitigen Brennelement“, sagt Reiter.
Die Simulationen der TUM-Forschenden hat das Argonne National Laboratory (ANL) in den USA, das weltweit berits seit 1978 an der Umrüstung von Forschungsreaktoren beteiligt war, unabhängig und mit anderen Computercodes ebenfalls berechnet. Reiter betont, dass er als Voraussetzung für die Berechnungen in seiner Studie von der Annahme ausgeht, dass der neue Brennstoff in Deutschland zulassungsfähig sein muss und die neuen Brennelemente mit den vorgeschlagenen Änderungen hergestellt werden können. Über die tatsächliche technische Erfüllbarkeit dieser Bedingungen trifft die Studie keine Aussage.
Rechtliche Rahmenbedingungen
Eine Nebenbestimmung in der dritten Teilgenehmigung des FRM II sieht eine Umrüstung auf einen „Brennstoff mit höchstens 50% Uran-235 Anreicherung“ vor, „sobald der neue Brennstoff entwickelt, qualifiziert und industriell verfügbar ist“. In einer Vereinbarung aus dem Jahr 2020 haben die Wissenschaftsministerien von Bund und Bayern festgelegt, im Jahr 2023 aufgrund der bis dahin vorliegenden Forschungsergebnisse über die Brennstoffvariante zu entscheiden. Bis 2025 soll das Genehmigungsverfahren für den neuen Brennstoff eingeleitet werden. Der Wissenschaftliche Direktor des FRM II, Prof. Dr. Peter Müller-Buschbaum, sagt: „Wir haben gezeigt, dass es reaktorphysikalisch möglich ist, den FRM II mit einem LEU-Brennelement zu betreiben. Jetzt ist ein Grundstein für die Entscheidung gelegt.“
Die Berechnungen/Simulationen führten Forschende der Technischen Universität München und des Argonne National Laboratory, USA, durch. Die Forschung an der TUM wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und dem Bayerischen Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst (StMWK) finanziert. Die Arbeit des Argonne National Laboratory finanziert das US Department of Energy, Office of Material Management and Minimization in the US National Nuclear Security Administration, Office of Defense Nuclear Nonproliferation.
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Kontakte zum Artikel:
Dr. Christian Reiter
Leiter des TUM Center for Nuclear Safety and Innovation
Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II)
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E-Mail: christian.reiter@frm2.tum.de
