Pac-Kügelchen

Der Brennstoff (meist ein Metall-Oxid oder Gemisch von Oxiden) wird als Schüttung aus annähernd kugelförmigen Partikeln in den Brennstab eingefüllt und durch Vibrieren verdichtet. Mit Kugeln in 2 bis 3 verschiedenen Größen mit Durchmessern zwischen etwa 1 % und 10 % des Hüllrohr-Innendurchmessers lassen sich genügende Schüttdichten erzielen. Dieses Verfahren hat verschiedene technische Vorteile gegenüber der konventionellen Methode, bei der das Material in Form von zylindrischen Pellets im Brennstab aufgestapelt wird.

Die Kugelpackungstechnik ist bei jeder Nuklidzusammensetzung des Brennstoffs anwendbar. Sie wurde zunächst zur Herstellung von thoriumhaltigem Brennstoff entwickelt, wird aber auch eingesetzt für MOX-Brennstoff, also Uran-Plutonium-Mischoxid, in dem aus der Wiederaufarbeitung gebrauchter Brennelemente gewonnenes Plutonium verwertet wird. (Dieses Plutonium enthält als Begleitelemente auch kleine Anteile von Americium und Curium. Daher kommt vermutlich der Irrtum, „Pac“ sei eine Abkürzung für „Plutonium-Americium-Curium“.)

Eine Sonderform der Kügelchen sind coated particles („ummantelte Teilchen“). Dieser Kugel-Typ ist umhüllt mit mehreren Schichten aus Graphit, in manchen Fällen zusätzlich auch Siliziumcarbid[1], die den Austritt von Spaltprodukten fast vollständig verhindern sollen[2]. Neuere Untersuchungen weisen jedoch aus, dass diffusionsbedingt bestimmte Radionuklide nicht ausreichend zurückgehalten werden können.[3] Dieser Brennstofftyp wurde, in Graphit eingebettet, in gasgekühlten Reaktoren, insbesondere Kugelhaufenreaktoren (pebble bed reactor) wie z. B. dem Kernkraftwerk THTR-300 mit ausschließlich Kugeln gleicher Größe verwendet.

Wirtschaftlich ist die Kugelpackungstechnologie allgemein dann, wenn das jeweilige Material bei der Verarbeitung wegen seiner Strahlung und der Kontaminationsgefahr fernbedient gehandhabt werden kann. Als Vorteil wird angeführt, dass die Kugeln in einem nasschemischen Verfahren und damit ohne Staubbildung hergestellt werden.

Frisches, noch nicht mit Neutronen bestrahltes Uranoxid kann ohne Einschluss direkt gehandhabt werden. Mit den verwendeten Mischoxiden entfällt dies.

Kleine Kügelchen wurden im Leukämiecluster Elbmarsch verteilt im Boden und auf Häuserdächern gefunden. Das Verhalten von Brennstoffkügelchen war am GKSS theoretisch erforscht worden,[4] für entsprechende Experimente gibt es jedoch keine Belege. Die Vermutung besorgter Bürger sowie von Umweltgruppen, es könnte sich bei den gefundenen Teilchen um radioaktive Pac-Kügelchen handeln, ist somit umstritten.[5][6][7]

1. Luigi Massimo, Physics of High-Temperature Reactors. Oxford usw.: Pergamon, 1976, S. ix
2. Kurt Kugeler und Rudolf Schulten: Hochtemperaturreaktortechnik, Berlin: Springer, 1989, S. 4
3. Rainer Moormann: A safety re-evaluation of the AVR pebble bed reactor operation and its consequences for future HTR concepts (Memento vom 24. Mai 2012 im Internet Archive), 2008.
4. „Die Kondensation von Cäsium in beschichteten Teilchen“, H. Luhleich, K. Penndorf und L. Sütterlin, Institut für Reaktorphysik der Gesellschaft für Kernenergieverwertung in Schiffbau und Schiffahrt, Geesthacht-Tesperhude, Atomkernenergie Jahrgang 13 (1968), Seite 171–175
5. A. Gerdes, Elemental and U-Th-Pu isotope composition of soil and spherical particles from the Elbmarsch, Northern Germany. DMG, Hannover, 24.–26. September 2006, Beih. z. Eur. J. Mineralogy, 18.
6. Stellungnahme der Strahlenschutzkommission (SSK): Bewertung von Messungen der ARGE PhAM zur Radioaktivität in der Elbmarsch S. 48–56 (2003).
7. Wolf Wetzel: Das Rätsel der Kügelchen. In: der Freitag vom 11. Mai 2007.

• G. D. Del Cul et al.: Fuel Fabrication Development for the Surrogate Sphere-Pac Rodlet. Oak Ridge Nat. Lab., Oak Ridge, Tenn., USA, 2005. (PDF; 987 kB)
• K. L. Peddicord et al.: Analytical and Experimental Performance of Sphere-pac Nuclear Fuels. In: Progress in Nuclear Energy Bd. 18, S. 265–299 (1986)