Promotionsarbeiten

Radiochemische Analysen von Beton- und Metallproben aus einem deutschen Kernkraftwerk, um die Stilllegung zu erleichtern

Maud Zilbermann

Prof. Dr. Thorsten Stumpf, Dr. Astrid Barkleit (HZDR)

Grenzflächenprozesse

04/2024–03/2027

Die Entscheidung Deutschlands, aus der Kernenergie auszusteigen und seine Kernkraftwerke (KKW) stillzulegen, bringt verschiedene Herausforderungen und Chancen in Bezug auf Sicherheit, Umweltschutz und Kostenmanagement mit sich. Es ist notwendig, effiziente und kostengünstige Stilllegungsstrategien und -praktiken zu entwickeln. Beim Rückbau von KKWs fallen große Mengen von Abfällen verschiedener Art an, darunter Millionen von Tonnen an Baumaterialien. Nur ein sehr kleiner Teil der anfallenden Abfälle ist radioaktiv, und da der Lagerraum für radioaktives Material begrenzt ist, ist es entscheidend, die Abfälle vor der Entsorgung zu sortieren. Ein gründliches Verständnis der Radioaktivitätswerte der KKW-Abfälle ist auch notwendig, um die Sicherheit der Arbeiter während der Stilllegung zu gewährleisten.

Der Betrieb eines Reaktors erzeugt Neutronen, die durch die Strukturmaterialien wandern, abgebremst werden und Spurenelemente wie Europium und Kobalt in ihre radioaktiven Isotope ⁶⁰Co, ¹⁵²Eu und ¹⁵⁴Eu aktivieren. Die Bereiche aus Beton und Stahl, die dem Reaktor am nächsten liegen, sind am stärksten aktiviert. Um die Radioaktivität in der gesamten Struktur genau zu kartieren, werden teure und zeitintensive experimentelle Messkampagnen durchgeführt. Um diesen Prozess zu beschleunigen, kann ein numerischer Code entwickelt werden, der die Monte-Carlo-N-Teilchen-Methode verwendet, um die Neutronenfluenzen unter Einbeziehung geometrischer Daten über den Reaktor und seine Umgebung zu berechnen. Anhand dieser Informationen lässt sich abschätzen, wohin sich die Neutronen bewegen und welche Materialien sie aktivieren. Dieser Code muss mit experimentellen Messungen an den Orten mit den höchsten zu erwartenden Aktivitätswerten validiert werden.

Dieses Promotionsprojekt zielt darauf ab, ein umfassendes Inventar der Radioisotope und ihrer Aktivitäten in verschiedenen Teilen der Strukturen rund um den Reaktor eines deutschen KKW zu erstellen. Ziel ist es, die Abfälle zu klassifizieren und zur Verfeinerung eines Berechnungsmodells beizutragen. An mehreren Stellen werden Beton- und Stahlproben entnommen, deren chemische Zusammensetzung und Aktivität experimentell bestimmt wird. Um ein genaues Inventar zu erhalten, werden verschiedene radioanalytische Methoden entwickelt und optimiert, insbesondere um die Aktivität von schwer messbaren Radionukliden (3H, 14C, 55Fe, 63Ni) genau zu bestimmen. Die experimentell ermittelten Aktivitäten werden mit den berechneten Aktivitäten verglichen. Wenn sie gut übereinstimmen, würde dies den Umfang der für den Rückbau erforderlichen Probenahmen und experimentellen Aktivitätsmessungen drastisch reduzieren, was eine enorme Zeit- und Kostenersparnis bedeutet. Darüber hinaus werden Auslaugversuche unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt, um einen besseren Einblick in das Verhalten der Materialien während des Zerlegungsprozesses zu erhalten. Die Doktorarbeit ist Teil des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF, Vertragsnummer 15S9447A) geförderten Projekts EBENE - Experimentell gestützte Berechnungen von Neutronenfeldern und den daraus resultierenden Aktivitäten in reaktorfernen Räumen - und erfolgt in enger Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Dresden, Institut für Kern- und Teilchenphysik, sowie der PreussenElektra GmbH.