Die BGZ ist bei dem vom BMWi geförderten und von der GRS geleiteten Verbundvorhaben SpizWurZ (Spannungsinduzierte Wasserstoffumlagerung in Brennstabhüllrohren während der längerfristigen Zwischenlagerung) der GRS (Förderkennzeichen RS1586A) und KIT (Förderkennzeichen 1501609B) als Beobachter involviert.
In dem Verbundvorhaben wird mit experimentellen und theoretischen Methoden der Einfluss des Wasserstoffs auf Hüllrohrmaterialien unter Bedingungen der verlängerten Zwischenlagerung untersucht. Der Wasserstoff übt prinzipiell einen versprödenden Effekt auf zirkoniumbasierte Werkstoffe aus. In gelöster Form ändert der im Hüllrohr eingelagerte Wasserstoff unter Einfluss von Temperatur, Konzentrations- und Spannungsgradienten durch Diffusion seine Verteilung innerhalb des Hüllrohrs.
In der Literatur gibt es keine vollständige Beschreibung des Wasserstoffflusses unter Berücksichtigung aller relevanten Parameter. Dies wäre jedoch für eine belastbare Bewertung der Brennstabintegrität nötig. Das Vorhaben erweitert das qualitative und quantitative Verständnis der Wasserstoffdiffusion auf makro- und mikroskopischer Ebene zur Vorhersage der Ausbildung von Hydridstrukturen in zirkoniumbasierten Hüllrohrwerkstoffen.
Ein Schwerpunkt des Vorhabens ist die experimentelle Bestimmung und Beschreibung der Löslichkeit und Diffusion von Wasserstoff in Hüllrohrmaterialien unter Bedingungen der verlängerten Zwischenlagerung. Dazu werden die qualitative und quantitative Beschreibung der Wasserstoffdiffusion auf makro- und mikroskopischer Ebene zur verbesserten Vorhersage der Ausbildung von Hydridstrukturen in zirkoniumbasierten Hüllrohrwerkstoffen und der resultierenden Materialversprödung untersucht. Anschließend werden für die theoretische Modellierung die Einzeleffekt-Ergebnisse zu einer konsistenten Beschreibung realer Hüllrohrmaterialien unter Bedingungen der verlängerten Zwischenlagerung mit Bezug auf Bestrahlung und langsame Abkühlraten zusammengeführt.
Das Ziel ist unter anderem die Bestimmung des chemischen Potenzials und der Diffusionskoeffizienten des Wasserstoffs in elastisch beanspruchten Zirkoniumlegierungen. Im Rahmen des Vorhabens wird ein BlindBenchmark zur Bewertung des bestehenden Rechencodes zur Simulation von Brennelementen in Transport- und Lagerbehältern erstellt und durchgeführt.
Konkret werden dazu Bündelversuche in der QUENCH-Anlage am Karlsruhe Institute of Technology (KIT) zur Bestimmung des makroskopischen Wasserstoffflusses im Hüllrohr durchgeführt. Dazu werden verschiedene Hüllrohrmaterialien (Zry4, ZIRLO®, Duplex) mit Wasserstoff beladen und individuelle Innendrücke und Wasserstoffkonzentrationen eingestellt. Anschließend werden die unbestrahlten Hüllrohrproben von Temperaturen um 370 °C mit einer Abkühlrate von circa 1 K/d in einem mehrmonatigen Versuch abgekühlt und die Wasserstoffverteilung in den Hüllrohren unter anderem mittels Neutronenradiografie bestimmt.
Ebenfalls untersucht und quantifiziert wird der mikroskopische diffusionsbedingte Wasserstofffluss in Abhängigkeit von Orientierung, Morphologie und mechanischer Spannung in Zirkoniumlegierungen. Dazu werden Untersuchungen zur Wasserstoffdiffusion an Hüllrohrwerkstoffen von zuvor genau analysierter Werkstofftextur an voroxidierten Materialproben sowie eine In- und Ex-situ-Untersuchung des Spannungseinflusses (mittels Zugproben) auf die Konzentrationsverteilung in Zircaloy durchgeführt.
In den Heißen Zellen des Institutes für Nukleare Entsorgung (KITINE) werden experimentelle Bestimmungen der realen elastischen Dehnung im Brennstabhüllrohr nach über 30 Jahren Lagerung durch Herauslösen des Brennstoffes und Vermessen des Hüllrohrdurchmessers durchgeführt. Bei der Probe handelt es sich um eine Zircaloy-4-Hüllrohrprobe mit UO2 (Probenabbrand von 50,4 GWd/tSM) aus dem DWR Obrigheim. Die Bestrahlungshistorie der in den 1980er-Jahren bestrahlten Proben ist sehr gut bekannt. Das Projekt ist mit einer dreijährigen Laufzeit 2020 gestartet.