Zu Sicherheitszwecken ist die Überwachung von Kernreaktoren auf der ganzen Welt unerlässlich, um sicherzustellen, dass sie internationale Verträge einhalten. Doch trotz der Effektivität der derzeitigen Überwachungsmethoden beinhalten diese oft invasive Verfahren, die den Betrieb der Reaktoren stören oder ein Sicherheitsrisiko darstellen können.
Darüber hinaus entwickelt sich die Nukleartechnologie ständig weiter, was neue Herausforderungen für die Nuklearüberwachung mit sich bringt. Beispielsweise werden kleine modulare Reaktoren, kurz MRP, häufig an abgelegenen Orten installiert, während herkömmliche Überwachungsmethoden hauptsächlich für größere Anlagen konzipiert sind und möglicherweise nicht ausreichend anpassungsfähig oder sensibel auf den Betrieb von MRPs reagieren.
Ein Team von Forscherinnen und Forschern der EPFL und des Paul Scherrer Instituts (PSI) hat kürzlich eine nicht-invasive und effizientere Technik entwickelt, die Gamma-Rauschen zur Überwachung von Reaktoren nutzt. In einem in der Zeitschrift Scientific Reports veröffentlichten Artikel zeigen sie, dass Gammastrahlung - im Gegensatz zu den bei herkömmlichen Überwachungsmethoden verwendeten Neutronensignalen - genaue und aktuelle Daten über die Kritikalität und die Zusammensetzung des Reaktors liefern kann, ohne dass eine tatsächliche physische Intrusion in den Reaktordruckbehälter erforderlich ist.
Die Studie wurde von Oskari Pakari durchgeführt, einem Wissenschaftler des Labors für Reaktorphysik und Systemverhalten der EPFL und der Abteilung für nukleare Energie- und Sicherheitsforschung (unter der Leitung von Prof. Andreas Pautz) des PSI-Instituts.
Bei ihrer neuen Überwachungsmethode verwendeten die Forscher zwei Wismutgermanat-Szintillatoren, die sie strategisch außerhalb des Forschungsreaktors CROCUS an der EPFL platzierten, um die Gammastrahlung während des Betriebs nicht-invasiv zu überwachen.
Gammastrahlung ist eine der Arten elektromagnetischer Strahlung, die bei der Kernspaltung entsteht, also dem Prozess, der in einem Kernreaktor abläuft. Gammastrahlen übertragen Informationen über den Zustand des Reaktors, wie z. B. Änderungen der Kritikalität und der Zusammensetzung seines Brennstoffs (z. B. Uran), ohne den Betrieb des Reaktors direkt zu beeinträchtigen.
Die neue Methode verwendet auch eine statistische Analyse der Variabilität des Gammastrahlennachweises im Laufe der Zeit. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden, die sich hauptsächlich auf Neutronen stützen, geht es bei der Analyse des Gammarauschens um die Schwankungen der Gammastrahlenzahl, die den Kettenreaktionen der Spaltung entsprechen, die im Inneren des Reaktors ablaufen. Es ist der Grad der Korrelation, der Informationen über den Betriebszustand des Reaktors liefert.
Schließlich kann die Methode innerhalb weniger Minuten wichtige Daten liefern. Dies stellt eine erhebliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen Methoden dar, die in der Regel längere Messzeiten und eine größere Nähe zum Reaktorkern erfordern. Die Gammastrahlenmethode nutzt Computerwerkzeuge, um die räumliche und zeitliche Varianz der detektierten Gammastrahlen zu analysieren, was eine schnelle und genaue Bewertung des Reaktorzustands ermöglicht.
Das Team testete die Methode in umfangreichen Experimenten und demonstrierte erfolgreich ihre Effektivität bei Entfernungen von bis zu mehreren Metern vom Reaktorkern. Durch die Kontrolle der Gammastrahlung konnten die schnellen Zerfallskonstanten mit minimalen Fehlern nachgewiesen werden, wodurch die Notwendigkeit eines direkten Kontakts mit dem Reaktorkern verringert und die Geschwindigkeit und Genauigkeit der Datenerfassung verbessert wurde.
Diese neue Methode ermöglicht eine zuverlässige, nicht-invasive Überwachung verschiedener Typen von Kernreaktoren, darunter auch MRPs. Sie könnte die Protokolle zur nuklearen Sicherheit umgestalten, die Einhaltung internationaler Verträge erleichtern und auf andere Bereiche angewendet werden, in denen eine Strahlungsüberwachung ohne direkten Kontakt mit den Sensoren erforderlich ist.
