Der natriumgekühlte schnelle Reaktor (SFR) der vierten Generation des Koreanischen Atomenergieforschungsinstituts(KAERI) kann metallischen Kernbrennstoff aus abgebranntem Kernbrennstoff verwenden. Allerdings können während der Herstellung ungewöhnliche Reaktionen zwischen dem Behälter (Tiegel) und dem Kernmaterial zu Prozessverlusten führen. Einem südkoreanischen Forschungsteam ist es kürzlich gelungen, ein neues Material zu synthetisieren, das dieses Problem lösen soll.

Am 16. September gab das Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI) bekannt, dass es mit Unterstützung des Advanced Research and Development Program on Spent Nuclear Fuel Processing Technology unter dem Ministerium für Wissenschaft und IKT ein neues Material entwickelt hat, das anormale Reaktionen zwischen dem Behälter und den nuklearen Materialien während des Herstellungsprozesses von metallischem Kernbrennstoff für natriumgekühlte schnelle Reaktoren vollständig verhindern kann.

Die Herstellung von metallischem Kernbrennstoff für natriumgekühlte schnelle Reaktoren umfasst die Gewinnung von Kernmaterial aus abgebranntem Kernbrennstoff, dessen Schmelzen bei hohen Temperaturen und das anschließende Extrudieren in einen Behälter. Nach dem Extrudieren verbleiben mit der aktuellen Technologie etwa 20 % des Kernmaterials. Beim Abkühlen reagiert dieses Material mit dem Behälter und bildet Oxide, was eine weitere Aufbereitung und ein Recycling erforderlich macht. Um dies zu verhindern, wird der Behälter mit einem handelsüblichen Yttriumoxid (Y₂O₃)-basierten Material beschichtet, dessen Schutzwirkung jedoch begrenzt ist.

Als Reaktion darauf entdeckte das Forschungsteam von Dr. Park Sang-kyu in der Abteilung für fortgeschrittene Kernbrennstofftechnologieentwicklung, dass die Zugabe von Lanthaniden zu Yttriumoxid die Reaktivität deutlich reduzieren kann. Nach der Prüfung geeigneter Materialien entwickelten sie ein neuartiges Keramikmaterial – Neodym-Yttrium-Kompositoxid (Nd₂YO₃) –, eine 1:1-Mischung aus Neodymoxid (Nd₂O₃) und Yttriumoxid, die 30 Minuten lang auf 1600 °C erhitzt wurde.

Um die Leistungsfähigkeit des neuen Materials zu überprüfen, erhitzte das Forschungsteam metallisches Kernbrennstoffmaterial (U-Zr-RE) und das neue Material 10 Minuten lang bei 1500 °C (entsprechend dem üblichen Kernbrennstoffherstellungsprozess), kühlte sie anschließend 6 Stunden lang ab und analysierte ihre Reaktivität. Die Ergebnisse zeigten, dass keine anomale Reaktion auftrat, keine Oxide gebildet wurden und lediglich eine etwa 10 µm dicke Infiltrationsschicht aus Seltenerdelementen beobachtet wurde. Im Gegensatz dazu würden handelsübliche Materialien unter denselben Bedingungen eine etwa 150 µm dicke Reaktionsschicht bilden, was darauf hindeutet, dass das neue Material eine ausgezeichnete Wirkung gegen anomale Reaktionen besitzt.

Die Verwendung von mit diesem Material beschichteten metallischen Kernbrennstoffen zur Herstellung von Behältern dürfte die Menge des durch anormale Reaktionen verschwendeten Kernmaterials erheblich reduzieren und eine direkte Verwendung ohne zusätzliche Verarbeitung ermöglichen, wodurch die Effizienz der Herstellungsprozesse von metallischen Kernbrennstoffen verbessert wird.

Die Forschungsergebnisse wurden im Dezember in Scientific Reports, einer internationalen Fachzeitschrift der Nature-Gruppe, veröffentlicht. Das Forschungsteam plant, die Technologie weiterzuentwickeln, sodass das neue Material künftig nicht nur zur Verhinderung von Metallreaktionen in Kernbrennstoffen, sondern auch als nützliches Funktionsmaterial, beispielsweise als neuartige Wärmedämmschicht, eingesetzt werden kann.

Kim Joon-hwan, Leiter der Abteilung für die Entwicklung fortschrittlicher Kernbrennstofftechnologien am Koreanischen Atomenergieforschungsinstitut, sagte: „Diese Technologie wird die Effizienz der Herstellungsprozesse metallischer Kernbrennstoffe revolutionieren und dazu beitragen, die Machbarkeit des Recyclings abgebrannter Kernbrennstoffe sicherzustellen. Zukünftig werden wir uns bemühen, sie auch in verschiedenen anderen Branchen jenseits der Kernenergie anzuwenden.“