Ausgewählte Forschungsresultate des Bereichs „Kernenergie und Sicherheit“

Tiefenlager-Sicherheit

Bei der Entwicklung eines Software-Pakets für die Bestimmung der thermodynamischen Gleichgewichte in komplexen (geo-)chemischen Systemen mittels im „GEMS TM collaborative project“ kommt dem PSI eine Führungsrolle zu. GEMS TM wird weltweit von etwa 300 Forschungsgruppen eingesetzt. Dieses Programm, das auf dem Prinzip der Minimierung der Gibbs-Energie basiert, eignet sich besonders für Situationen mit mehreren nicht-idealen Lösungsphasen (wässrige Elektrolyte, Gase, Festkörperlösungen, Sorption), wenn die anfänglichen Redox-Zustände unbekannt sind. Thermodynamische Datenbanken sind dabei von grosser Wichtigkeit, und der Anschluss von externen Datenbanken ist durch ein Plugin gewährleistet. GEMS spielt bei der geochemischen Modellierung für die NAGRA eine sehr wichtige Rolle. So konnten mit dem gekoppelten Programm (OpenGeoSys-GEM) Simulationen des Transports über eine reaktive Grenzschicht erfolgreich durchgeführt werden, wobei GEMS die Löslichkeitsgrenzen der transportierten Stoffe ermittelte. In Kalzium-Silikat-Hydrat (C-S-H) Systemen konnte neuerdings (unter Verwendung eines fortgeschrittenen thermodynamischen Modells) mit GEMS die mittlere Länge der Silikat-Kette berechnet werden in Funktion des Verhältnisses Ca/Si, bei guter Übereinstimmung mit den experimentellen Daten.

Im Beitrag „Lattice Boltzmann pore-level modelling of dissolution-precipitation processes in porous media“ werden Untersuchungen zum reaktiven Transport in porösen Medien (Ton) für das Beispiel eines Modellsystems Barite-Cölestit beschrieben. Dieses Modell-System, das die Wechselwirkung von geochemisch unterschiedlichen Barriere-Materialien in vereinfachter Konfiguration darstellt, ist von Bedeutung für die Rückhaltung von Radium in tiefenlager-relevanten geologischen Medien. Durch die Ausfällung von Baryt verändern sich die Strömungspfade, was einen Einfluss auf den Stofftransport und die Wirkung der Barriere hat. Dieses Modellsystem ist einfachen Experimenten zugänglich. Durch Struktur-Untersuchungen wurden zwei Hauptmechanismen identifiziert: Homogene Nukleation (Keimbildung), die nanokristallines Baryt erzeugt sowie heterogene Nukleation, die auf den Oberflächen der Cölestit-Kristalle einen Barytsaum bildet. Die experimentellen Daten sind für die Absicherung der Transportrechnungen (multi-skalige Lattice-Boltzmann-Methode) unabdingbar. Der Vergleich der Simulationsresultate mit den experimentellen Daten zeigte klar die Notwendigkeit der präzisen Darstellung der Vorgänge auf dem Niveau einzelner Poren: Es handelt sich um ein sog. multi-skaliges Problem, bei dem die Strömungsvorgänge eng mit den chemischen Vorgänge gekoppelt sind. Trotz dieser Schwierigkeiten ist es gelungen, die Ergebnisse der Modellexperimente auf einem mikroskopischen Massstab erfolgreich zu reproduzieren.

Neue Reaktoren

Seit einigen Jahren befasst sich der NES mit dem Konzept des Salzschmelze-Reaktors (MSR). Dieses Reaktorkonzept erlaubt Auslegungen mit thermischem und auch schnellem Neutronenspektrum. Der Beitrag “Molten Salt Reactor – revolutionary safety and fuel cycle features“ beschreibt vergleichende neutronische Untersuchungen für ein Konzept mit schnellem Neutronenspektrum. Salzschmelzen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung (⁷LiF-BeF₂, ⁷LiF, ⁷LiF-NaF, NaF-BeF₂, NaF-KF, Na^natCl und Na³⁷Cl , wobei ⁷Li und ³⁷Cl isotopisch angereichert wurden) werden mit dem Brennstoff-Salz zu einer eutektischen Mischung (mit tiefem Schmelzpunkt) zusammengefügt. Für die zwei Fälle eines Thorium- und eines Uran-Brennstoffkreislaufes wurden die verschiedenen Beiträge zur Reaktivität ermittelt. Dabei zeigte sich, dass das ⁷LiF-Salz die besten Ergebnisse liefert. Dieses Salz dient als Referenz im europäischen MSR-Projekt SAMOFAR (Horizon 2020).

Auf der Basis der Open-Source Software-Bibliothek OpenFOAM® wurde ein neues Rechenprogramm entwickelt, das sowohl für Reaktoren mit schnellem wie auch mit thermischem Neutronenspektrum anwendbar ist, wie im Beitrag „A new-generation modeling tool for the new-generation reactors“ beschrieben. Es erlaubt, auch die für die Simulationen von Reaktoren mit schnellem Neutronensprektrum wichtigen Kern-Verformungen und die sich daraus ergebenden Reaktivitätseffekte darzustellen.