LAGER – Laser Ablation of Gadolinium Evolution Radially

Gadolinium wird in modernen Brennelementdesigns dem Brennstoff einzelner Stäbe zugesetzt, um die Reaktivität des frischen Brennelements zu reduzieren. Vergleichbare Daten sind derzeit kaum verfügbar, und in aktuellen Modellen werden stattdessen indirekt validierte Werte verwendet.

Das Ziel des LAGER-­Projekts ist, detaillierte Daten zur Gd­-Verteilung in ausgewählten axialen Positionen zu ermitteln und die Daten zur Codevalidierung zur Verfügung zu stellen. Weiterhin werden Quelltermdaten ermittelt und die Modellierung der Abbrandberechnungen entsprechend weiterentwickelt. Die experimentell ermittelten Daten werden benötigt, um genaue Modelle für den Gd­-Abbrand weiterzuentwickeln und eine Vorhersage der Reaktivität und der Energieverteilung innerhalb der Brennelemente, insbesondere bei niedrigen Abbränden im Bereich der maximalen Reaktivität, zu ermöglichen. Diese Daten sind für die BGZ von großem Wert, da der zu untersuchende Stab einen weiteren Teil des verwahrten Inventars abdeckt. Im Zuge des sogenannten Atom­-Moratoriums 2011 und der anschließenden Änderung des Atomgesetzes wurden auch in Deutschland SWR­-Brennelemente mit sehr niedrigen Abbränden trocken zwischengelagert.

Der in LAGER untersuchte Brennstab ist ein intakter SWR­-Stab aus einem 10 x 10-Brennelement mit 3,66 Gewichtsprozent 235U­Anreicherung und 4 Prozent anfänglichem Gd­-Gehalt. Der durchschnittliche Stababbrand beträgt circa 9 GWd/tSM mit axialen Werten zwischen 6 und 11 GWd/tSM. Die Bestrahlungshistorie ist typisch für eine SWR-­Bestrahlung für frischen Brennstoff ohne Vorgeschichte eines Steuerstabs, aber mit einem benachbarten teillangen Brennstab. Letzteres führt zu einer axialen Leistungsdivergenz von 5 bis 15 Prozent. Der Betreiber Vattenfall hat die detaillierte Betriebshistorie für das Projekt zur Verfügung gestellt, was es ermöglicht, präzise Vergleichsrechnungen durchzuführen.

Das LAGER-­Projekt wird in den Heißzellenanlagen von Studsvik durchgeführt, wobei sowohl branchenübliche Nachbestrahlungsmethoden als auch einzigartige Techniken zur Quantifizierung lokaler Pelleteigenschaften zum Einsatz kommen. Axiale Positionen für lokale Messungen werden auf der Grundlage von Modellierung und zerstörungsfreien Tests ausgewählt, wobei die LAGER-Projektpartner aktiv in die Auswahl der axialen Proben und der Art der experimentellen Durchführung einbezogen und Entscheidungen konsensual getroffen wurden. Die BGZ begleitet die Untersuchungen durch eigene detaillierte Simulationen und ist so in der Lage, die Qualität der vorhandenen Modelle und Simulationsprogramme zu prüfen und gegebenenfalls Verbesserungsbedarf zu identifizieren.

Gleichzeitig wird ein tieferes Verständnis der lokalen Bestrahlungsprozesse erreicht. Dies ermöglicht wiederum eine genauere rechnerische Bestimmung der Radionuklidzusammensetzung sowie der Restreaktivität des bestrahlten Brennstoffs und hilft, die Unsicherheiten in den Modellen zu quantifizieren. Die Ergebnisse werden im Rahmen von begleitenden Workshops im internationalen Expertenkreis diskutiert und abgeglichen. Für 2025 wird der Abschluss der Messkampagne erwartet.