Neuigkeiten aus dem Hotlabor

This highlight presents a successful, in-house developed integration of an Electron Beam Ion Source (EBIS) able to ionize gases to high charge states with a customized commercial MC-ICP-MS. The successful joining of the two ion flight paths is a milestone towards comprehensive routine analyses of solids, liquids, and gases using THE SAME MASS SPECTROMETER, the latter analyses free from atmospheric contamination. After implementation of an introduction system for gas mass spectrometry, routine analyses will comprise isotope ratio and relative abundance determinations of fission gases in used nuclear fuel. In addition to the unique versatility of the MC-EBIS-ICP-MS, inclusion of the EBIS furthers opens the little-studied field of mass spectrometry of highly charged ions.

Im Forschungsbereich für Nukleare Energie und Sicherheit am PSI beschäftigt sich Johannes Bertsch mit den sogenannten Hüllrohren, die in Kernkraftwerken zum Einsatz kommen.

Am 21. Februar 2019 erteilte das Eidgenössische Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation (UVEK) die neue Betriebsbewilligung für die Anlage PSI Hotlabor

The investigation of the nuclear fuel at very high burnup is critical for evaluating the safety margin for the evaluated fuel in normal as well as in accidental conditions. PSI is one of the very few hot laboratories which possess access to irradiated UO2 fuel with very high burnup from commercial reactors. The application of relevant tools for the investigation, handling and analysis of those highly irradiated materials emphasize the necessary expertise.

The implementation of Focused Ion Beam instruments in material research laboratories during the last decade has not only strongly improved the preparation of very thin specimens for the Transmission Electron Microscope (TEM), in particular at interfaces, but also led to the development of new analysis methods inside the instrument itself. It became a powerful instrument for the analyses of highly radioactive materials, because it allows for the production and analysis of very small specimens that can be then analyzed with very sensitive detectors without strong interference from the radiation field of the specimen itself.

The hot cell 6 is dedicated to the storage and conditioning of high level solid waste. This cell has been completely refurbished in the period 2015 – 2017. This include the complete dismantling and conditioning of the highly fuel contaminated old infrastructure, the cleaning of the cell and the installation and test of the new improved infrastructure.

The formation and growth of cracks by stress corrosion cracking (SCC)in reactor internals and recirculation pipes due to the highly oxidising environment is a serious issue in boiling water reactors. At first, SCC mitigation was attempted by injecting H₂ into the feed water, where the injected H₂ recombines with the H₂O₂ and O₂ to water and reduces the electrochemical corrosion potential, and consequently the SCC susceptibility. Several disadvantages of the injection of high amounts of H₂, have led to the development of noble metal additions to the reactor feed water. With injection of a much smaller amount of H₂, the noble metal particles of a few nanometres in size, formed in-situ, work as catalysts for the efficient reduction of the oxidizing species formed by radiolysis, and thus lower the ECP and SCC susceptibility.

The AHL accounts, according to internal as well as external regulations, nuclear materials and moderators. For the detection and control of nuclear fuel samples and monitoring with respect to criticality safety, AHL developed a new sample and task management software (IPV).

PSI Hotlab is collecting and radiologically cleaning the entire radioactive waste water from the PSI East side. In the years 2014-2016 a major refurbishment took place, where the old tank farm was decommissioned, and new stainless-steel tanks were installed together with new, modern ultrafiltration systems during normal operation of the lab.

Start der öffentlichen Auflage für eine Erneuerung der Betriebsbewilligung der Forschungsanlage Hotlabor am Paul Scherrer Institut PSIDas Hotlabor am Paul Scherrer Institut PSI ist eine Anlage, in der Forscherinnen und Forscher hoch radioaktive Materialien in speziellen abgeschirmten Kammern – die Hotzellen oder auch Heisse Zellen genannt werden – untersuchen. Die Anlage ist in der Schweiz einzigartig. Sie dient der angewandten Materialforschung an stark radioaktiven Proben aus Kerneinbauten und Brennstäben von Kernkraftwerken, Forschungsreaktoren und den PSI-Bestrahlungseinrichtungen. Mit dem Betrieb des Hotlabors leistet das Paul Scherrer Institut daher auch einen Beitrag zur Sicherheit der Schweizer Kernkraftwerke. Rund 32 Mitarbeitende betreuen die sicherheitstechnische und analytische Infrastruktur des Hotlabors.

In Kernreaktoren wird an den heissen Brennelementen Wasser aufgespalten, wobei Wasserstoff entsteht. Der Wasserstoff kann in das Hüllrohr, das den eigentlichen Brennstoff umgibt, eindringen und dieses mechanisch schwächen. Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI untersuchen mit Hilfe von Neutronen und Synchrotronstrahlung, wie der Wasserstoff ins Hüllrohr kommt, und welche Wirkung er darin entfalten kann.

Bereits in den 1960er Jahren entstand die Idee, die Brennstoffe für Kernkraftwerke in Form von dicht gepackten Kugeln statt der heutigen üblichen Pellets herzustellen. Man versprach sich davon eine Vereinfachung der Brennstoffherstellung sowie eine deutliche Verminderung der radioaktiven Abfallmenge sowohl bei der Herstellung des Brennstoffs selbst als auch nach dessen Nutzung in einem Kernkraftwerk. Der kugelförmige Brennstoff kam jedoch nie zum Einsatz, weil sich die schnellen Reaktoren, für die er vorgesehen war, nicht durchsetzen konnten. Auch das Paul Scherrer Institut PSI trug in der Vergangenheit zur Erforschung des kugelförmigen Kernbrennstoffes bei. Zurzeit laufen am PSI wieder mehrere, zum Teil EU-finanzierte Projekte, um die Herstellung der Brennstoffkügelchen weiter zu verfeinern. Zum Einsatz kommen könnte diese Art von Brennstoff entweder in speziellen Anlagen zur Reduktion von radioaktivem Abfall (sogenannten ADS-Anlagen) oder in schnellen Reaktoren der vierten Generation, die in einem geschlossenen Zyklus ebenfalls weniger langlebigen Abfall produzieren.

Wie bewegen sich radioaktive Substanzen durch das Wirtsgestein in einem Tiefenlager für nukleare Abfälle? Dieser Frage gehen Forscher der Gruppe für Diffusionsprozesse im Labor für Endlagersicherheit am Paul Scherrer Institut PSI nach. Recht gut bekannt sind die Transporteigenschaften von negativ geladenen Radionukliden, die von den ebenfalls negativ geladenen Oberflächen von Tonmineralien abgestossen werden und somit kaum am Gestein haften. Für positiv geladene und daher stark haftende Radionuklide werden derzeit die entsprechenden Erkenntnisse im Rahmen eines EU-Projekts erarbeitet, an dem sich auch das PSI beteiligt.

Die Manipulation und Untersuchung von bestrahlten und daher radioaktiven Materialien, sei es aus Kernkraftwerken oder aus Forschungsanlagen, erfordert strenge Sicherheitsvorkehrungen. Untersuchungen dürfen nur in sogenannten „heissen Zellen“ durchgeführt werden, hinter deren bis zu einem Meter dicken Beton- und Bleiwänden die Radioaktivität hermetisch eingeschlossen und abgeschirmt wird. In den heissen Zellen des Hotlabors am PSI werden regelmässig die abgebrannten Brennstäbe aus den Schweizer Kernkraftwerken materialwissenschaftlich untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse helfen den KKW-Betreibern, die Effizienz und Sicherheit ihrer Kraftwerke zu optimieren. Neben dieser Dienstleistung für die Kernkraftwerke beteiligt sich das Hotlabor an internationalen Forschungsprojekten.

Materialien, die in Kernkraftwerken eingesetzt werden, sind hohen Anforderungen ausgesetzt. Die Sicherheitsstandards bezüglich Materialauswahl, -einsatz und -überwachung sind sehr hoch. Am PSI wird das Verhalten von langzeitig eingesetzten Teilen untersucht. So interessieren sich die Forschenden für die Bedeutung von Spannungsrisskorrosion in Werkstoffen oder die Auswirkung starker radioaktiver Strahlung auf deren Haltbarkeit.

Radioaktive Abfälle aus Kernkraftwerken sowie aus Medizin, Industrie und Forschung müssen über sehr lange Zeit von der Umwelt und insbesondere dem Lebensraum der Menschen ferngehalten werden. Fachleute am PSI befassen sich seit Jahren mit wissenschaftlichen Fragen zum Sicherheitsnachweis für geologische Endlager. Die PSI-Forschung widmet sich vor allem den physikalisch-chemischen Vorgängen in Endlagersystemen. Sie will zu einer realistischen Beschreibung der mit der Lagerung radioaktiver Abfälle verbundenen Risiken gelangen.