Zuverlässige Tests von Transport- und Lagerbehältern für radioaktive Abfälle

Behälter für radioaktive Abfälle müssen enormen Belastungen standhalten, etwa Erschütterungen oder Verkehrsunfällen beim Transport oder erhöhten Temperaturen bei der Lagerung. Sie unterliegen daher strengen Sicherheitskriterien. Für gewöhnlich sind sie aus ferritischem Gusseisen gefertigt: Es ist eher weich, verformbar und zeigt ein gutes Dämpfvermögen. Materialbelastungstests sind für den Praxiseinsatz Pflicht, bislang jedoch sehr aufwändig und verbrauchen viele Ressourcen.

Forschende an der Materialprüfungsanstalt (MPA) der Universität Stuttgart wollen in Kooperation mit der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Rahmen des Projekts „Untersuchung der Master-Curve für ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit unter dynamischer Beanspruchung“ (MCGUSS-2) eine bereits validierte Methode zur zuverlässigen Prüfung von sicherheitsrelevanten Stahlbauteilen auf ferritische Gusseisenwerkstoffe übertragen. Das Bundesministerium für Umwelt, Klimaschutz, Naturschutz und nukleare Sicherheit (BMUKN) fördert das Vorhaben mit 840.000 Euro. Bei einem Besuch der MPA überreichte die Parlamentarische Staatssekretärin Rita Schwarzelühr-Sutter den Förderbescheid an Anna Steiger, Kanzlerin der Universität Stuttgart, Professor Stefan Weihe, Leiter der MPA und Marcel Holzwarth, Projektleiter von MCGUSS-2.

„Deutschland arbeitet konsequent daran, für die hochradioaktiven Abfälle den Endlagerstandort mit der bestmöglichen Sicherheit auszuwählen. Wir sind einer Lösung des Atommüllproblems bereits heute näher als viele andere Staaten mit Atomkraftwerken. Zudem wollen wir das Verfahren beschleunigen“, sagt Rita Schwarzelühr-Sutter. „Bei der dennoch notwendigen Verlängerung der Zwischenlagerung steht Sicherheit aber natürlich an erster Stelle. Mit dem gemeinsamen Forschungsprojekt tragen die Materialprüfungsanstalt Stuttgart und die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung dazu bei, die Beständigkeit der in den Behältern verwendeten Materialien gemäß höchsten Sicherheitsstandards zu beschreiben.“

„Die Materialprüfungsanstalt der Universität Stuttgart steht seit Jahrzehnten für höchste Sicherheitsstandards und praxisnahe Lösungen an der Schnittstelle von Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft. Mit ihrer Arbeit leisten die Forscherinnen und Forscher der MPA einen substantiellen Beitrag zum Schutz von Mensch und Umwelt“, sagt Anna Steiger, Kanzlerin der Universität Stuttgart. „Projekte wie MCGUSS-2 zeigen, wie wir durch wissenschaftliche Exzellenz und interdisziplinäre Zusammenarbeit konkrete Lösungen für gesellschaftliche Herausforderungen entwickeln. Die Förderung durch das Bundesumweltministerium spornt uns an, unsere Forschung zu noch höheren nuklearen Sicherheitsstandards weiter zu vertiefen.“

„Derzeit gibt es keine validierte Methode für eine eindeutige und zuverlässige Sprödbruchbewertung von ferritischen Gusseisen“, sagt Professor Stefan Weihe, Leiter der MPA. Aufwändige Belastungstests mit realen Fallversuchen seien die gängige Praxis. Dabei gehen zahlreiche Behälter zu Bruch, die zuvor in einem energieintensiven Verfahren gefertigt wurden. „Wir wollen eine ressourcenschonende und höchst zuverlässige Methode bereitstellen, die nur wenige Versuche in der Praxis erfordern.“

Weihe und sein Team an der MPA wollen dazu die Master-Curve-Methode zur Sprödbruchbewertung von Stahl auf ferritisches Gusseisen übertragen. Mit dieser Methode nehmen die Forschenden vor allem die Bruchzähigkeit in den Blick. Sie gibt Aufschluss über den Widerstand eines Materials, wenn Kräfte von außen auf es wirken. Materialien wie zum Beispiel Glas oder Eis brechen dabei sofort in tausend Einzelteile. Stahl oder auch Gusseisen können dagegen Widerstand leisten – sichtbar wird dies zum Beispiel durch Risse im Material. „Diesen Risswiderstand temperaturabhängig sicher und eindeutig vorherzusagen, ist das zentrale Ziel unseres Vorhabens“, erklärt Marcel Holzwarth, der das Projekt MCGUSS-2 leiten wird.

Mit der Master-Curve-Methode lassen sich nicht nur Ressourcen und aufwändige Tests sparen, sondern auch geltende hohe Sicherheitsstandards effektiver bewerten. Die Forschenden könnten die Abhängigkeit der Bruchzähigkeit von der Temperatur über einen breiten Bereich abbilden. Gerade bei der Zwischen- und Endlagerung von radioaktiven Abfällen ist dies besonders wichtig, da die Behälter extreme Temperaturen von mehreren hundert Grad Celcius ausgesetzt sind. „Wenn es uns gelingt, die Master-Curve auf die Bruchbewertung ferritischer Gusseisen zu übertragen, wäre das ein wichtiger Schritt, internationaler Standards für die nukleare Sicherheitsforschung weiterzuentwickeln“, sagt Weihe.

Über das Projekt MCGUSS-2 
Das Projekt MCGUSS-2 (Untersuchung der Master-Curve für ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit unter dynamischer Beanspruchung) wird durch das Bundesministerium für Umwelt, Klimaschutz, Naturschutz und nukleare Sicherheit mit 840.000 Euro über eine Laufzeit von 3 Jahren gefördert. Im Rahmen des Projekts entwickeln Forschende eine Methode zur bruchmechanischen Bewertung ferritischer Gusseisenwerkstoffen für Transport- und Lagerungsbehälter für radioaktiven Abfall. Das Ziel ist es, für eine ressourcenschonende und effizientere Bewertung die bewährte Master-Curve Methode zur Bruchbewertung von Stahl auf Gusseisen zu übertragen. Am Projekt MCGUSS-2 beteiligt sich unter Federführung der Materialprüfungsanstalt (MPA) der Universität Stuttgart die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Projektträgerin ist die Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) gGmbH.