Minimale Oberflächen sind in der Natur allgegenwärtig, beispielsweise Blasenfilme und Schmetterlingsflügel, die innerhalb bestimmter Grenzen eine minimale Oberfläche aufweisen. Forscher des Idaho National Laboratory (INL) untersuchen ein Kernbrennstoffdesign auf Basis von dreifach periodischen Minimalflächen (TPMS) – den sogenannten INFLUX-Brennstoff (Interlaced Nuclear Fuel Lattice) – mit dem Ziel, die Leistung von Kernbrennstoffen durch die Simulation komplexer, in der Natur vorkommender geometrischer Strukturen deutlich zu verbessern.

Der INFLUX-Brennstoff verzichtet auf die traditionelle zylindrische Brennstabform und verwendet stattdessen eine TPMS-Form, um eine komplexe Gitterstruktur zu bilden, die den Wärmeaustausch effektiv verbessert. Forscher Nicholas Woolstenberg beschreibt TPMS anschaulich als „Sinuswelle im dreidimensionalen Raum“, deren sich kontinuierlich wiederholende Oberflächen ein verschränktes Gitter bilden und so die Wärmeübertragungseffizienz steigern. Experimente zeigen, dass diese Geometrie den Wärmeübergangskoeffizienten im Vergleich zu herkömmlichem stabförmigem Brennstoff verdreifacht und sich somit direkt auf die Leistungsdichte der Brennstäbe und die Wirtschaftlichkeit des Reaktors auswirkt.

Computermodelle zeigen, dass eine verbesserte Wärmeübertragung nicht nur die Brennstoffwärmeproduktion steigert, sondern auch die Brennstoffdicke und -temperatur reduziert. Die komplexe Geometrie der INFLUX-Struktur stellt jedoch eine Herausforderung für die Fertigung dar. Forscher des INL kombinierten kommerzielle additive Fertigungsverfahren mit Heißisostatischem Pressen (HIP), um INFLUX-Strukturen erfolgreich in verschiedenen Materialsystemen herzustellen. Im Vergleich zu herkömmlichen Brennstäben ermöglicht das INFLUX-Brennstoffdesign einen reibungslosen Kühlmittelfluss in einem „glatten Labyrinth“. Dadurch werden eine bessere Durchmischung und Wärmeübertragung erzielt und gleichzeitig übermäßiger hydraulischer Widerstand vermieden, was die Reaktorsicherheit und -stabilität verbessert. Darüber hinaus bietet dieses Design möglicherweise neutronenphysikalische Vorteile, indem es den Neutronenverlust reduziert und die Neutronen-Brennstoff-Wechselwirkung verstärkt.

Trotz der Neuartigkeit des INFLUX-Brennstoffdesigns sind erhebliche Anstrengungen erforderlich, um die Zustimmung von Reaktorentwicklern und Aufsichtsbehörden zu erhalten. Woolstenberg erklärte, dass der am besten geeignete Reaktortyp ermittelt und der hydraulische Widerstand optimiert werden müsse. Mikroreaktoren und gasgekühlte Reaktoren sind potenzielle Kandidaten. Gleichzeitig könnten TPMS-förmige Wärmetauscher auf andere Weise zur Kernenergieindustrie beitragen, beispielsweise durch ihren Einsatz in Wärmetauscherstrukturen, die Dampf oder Kühlwasser erzeugen. Letztendlich bestätigt diese Forschung, dass das TPMS-förmige Kernbrennstoffdesign zur Entwicklung effizienter und kompakter Reaktorkerne beiträgt.