Infrastruktur | 20. November 2023

Weltweit einzigartiger Einsatz eines Industrieroboters im Paul Scherrer Institut

ABB-Roboter bew├Ąhrt sich im PSI-Hotlabor bei der Analyse von Brennstabh├╝llrohren

Im Paul Scherrer Institut wird die Integrit├Ąt der H├╝llen von Brennst├Ąben aus den Kernkraftwerken G├Âsgen und Leibstadt analysiert. F├╝r das Handling der radioaktiven Proben setzt das Team im Hotlabor einen Industrieroboter von ABB ein ÔÇô eine einzigartige Applikation.

Der IRB 120 wiegt nur 25 Kilogramm. Er ist einer der kleinsten und leichtesten Industrieroboter von ABB. Im Paul Scherrer Institut (PSI) im aargauischen W├╝renlingen arbeitet er in einer rund sechs Tonnen schweren, gasdichten, mit viel Blei ummantelten Zelle. Das Team des Hotlabors setzt ihn daf├╝r ein, Proben von Brennstabh├╝llen auf deren Spr├Âdigkeit zu testen. ┬źUnseres Wissens ist das der weltweit einzige Industrieroboter, der im nuklearen Bereich radioaktive Stoffe handhabt┬╗, so Holger Wiese, Entwicklungsingenieur am PSI, der den IRB 120 f├╝r diesen Zweck selbst programmiert hat.

Brennstab-H├╝llrohre aus Zirkoniumlegierung
Brennstoffe f├╝r Kernkraftwerke befinden sich in H├╝llrohren. Sie m├╝ssen im Betrieb hohen Temperaturen sowie Druck standhalten und d├╝rfen auch nach Entnahme der abgebrannten Brennst├Ąbe keine Risse kriegen. Diese H├╝llrohre ÔÇô typischerweise vier Meter lang, mit einem Durchmesser von einem Zentimeter und einer Wandst├Ąrke von 0,6 Millimetern ÔÇô werden aus einer Legierung gefertigt, die zu 98 Prozent aus dem Metall Zirkonium besteht. Das ist ├╝beraus korrosionsbest├Ąndig, schmilzt erst bei ├╝ber 1800┬░ Celsius ÔÇô und ist gewissermassen ┬źdurchsichtig┬╗ f├╝r Neutronen, gew├Ąhrt so die Kernspaltung in den Brennst├Ąben, die sie umh├╝llen.

Wasserstoff kann H├╝llrohre verspr├Âden
┬źDie Legierungen f├╝r diese H├╝llrohre werden laufend weiterentwickelt┬╗, so Rudolf Schwarz, Techniker im Hotlabor. ┬źZiel ist es, das Eindringen von Wasserstoff in die H├╝llrohre so weit wie m├Âglich zu verhindern.┬╗ Durch Radiolyse im Reaktor wird das dort als Tr├Ągermedium f├╝r die freigesetzte Energie und K├╝hlmittel eingesetzte Wasser teilweise in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespaltet. Weiterer Wasserstoff wird frei durch die Oxidation der Aussenwand des H├╝llrohres. Der freie Wasserstoff kann zum Teil ┬áins H├╝llrohrinnere wandern ÔÇô wodurch das Rohr mechanisch geschw├Ącht, spr├Âde zu werden droht.

Rudolf Schwarz (links) und Holger Wiese vor der gut abgeschirmten Roboterzelle mit dem IRB 120, der im Hotlabor des PSI f├╝r die Analyse der Brennstabh├╝llrohre eingesetzt wird.

Vormals manuelles Handling der H├╝llrohrtests
┬źEs ist Teil unserer Aufgaben hier, die H├╝llrohre der Brennst├Ąbe aus den Kernkraftwerken G├Âsgen und Leibstadt auf Spr├Âdigkeit zu testen. Also zu analysieren, wie viel Wasserstoff sie enthalten┬╗, erkl├Ąrt Wiese. Daf├╝r werden Proben der H├╝llrohre genommen, von Brennst├Ąben unterschiedlichen Alters mit jeweils spezifischen Zirkonium-Legierungen. Diese Proben werden eingeschmolzen und von Helium durchstr├Âmt, um anschliessend den Wasserstoffgehalt im eingesetzten Heliumvolumen zu . Die Resultate werden an die Betreiber der Kraftwerke und die Materialhersteller rapportiert, welche gegen├╝ber der Aufsichtsbeh├Ârde den sicheren Betrieb nachweisen m├╝ssen. ┬áDa die H├╝llrohrproben radioaktiv sind, geschah das im PSI in sehr grossen, mit Blei und dickem Panzerglas abgeschirmten Zellen. Das zust├Ąndige Personal handhabte die Proben und die kleinen Schmelztiegel ├╝ber mechanische Greifer, was anstrengend war und viel Geschick erforderte.

┬źVor allem ├╝berzeugte uns auch die Software RobotStudio von ABB, mit der wir ihn wirklich einfach selbst programmieren k├Ânnen.┬╗

Testlauf automatisiert und mit RobotStudio selbst programmiert
┬źDas k├Ânnte doch auch ein Roboter leisten┬╗, dachte sich Holger Wiese schon vor Jahren. Der Weg zur zuverl├Ąssig arbeitenden Roboterzelle im Hotlabor war lang, da absolutes Neuland. Die Wahl des Roboters fiel auf einen IRB 120 von ABB. ┬źEr sollte m├Âglichst klein sein, um die Zelle kompakter und leichter gestalten zu k├Ânnen. Mit seinen sechs Achsen k├Ânnen wir jeden Punkt in der Zelle ansteuern. Vor allem ├╝berzeugte uns auch die Software RobotStudio von ABB, mit der wir ihn wirklich einfach selbst programmieren k├Ânnen┬╗, so Wiese. Den Roboter setzten sie zuerst drei Monate einer gewissen Strahlung aus, um zu sehen, ob er den Einsatz in radioaktivem Umfeld ├╝berhaupt aush├Ąlt.

So handhabt der Roboter die Proben der Brennstabh├╝llrohre – aufgenommen mit einer Kamera, die auf dem Greifer montiert wurde.

Steuerplatine gesondert abgeschirmt
Der IRB 120 ist seitlich an eine der mit viel Blei abgeschirmten W├Ąnde montiert. Der Roboter zeigte Resilienz, aber seine Steuerplatine war der Strahlenbelastung offenbar nicht gewachsen; sie fiel nach einem Jahr aus. Ein zweiter IRB120 wurde beschafft und dessen Kabelbaum verl├Ąngert, so dass seine Steuerplatine ausserhalb der Zelle montiert werden konnte. Sie wird durch eine Schicht Wolfram gesch├╝tzt; ein seltenes Metall, das seiner hohen Dichte wegen Strahlung besonders gut abschirmt.

Handling der Proben nun durch IRB 120
Die Zelle wurde um den Arbeitsbereich des Roboters herum konstruiert. Er setzt eine ganze Reihe von Arbeitsschritten um. Er nimmt zuerst eine der zuvor zugef├╝hrten, in Aluminiumtiegeln liegenden Proben der H├╝llrohre auf, legt sie auf eine Waage und kippt sie dann in den Zuf├╝hrstutzen des Elektrodenofens. Den leeren Alutiegel stellt er noch einmal auf die Waage und legt ihn in die Zuf├╝hrhalterung zur├╝ck. Dann holt er einen Graphittiegel, der von aussen ├╝ber ein Rohrsystem in die Zelle zugef├╝hrt wird. In der Roboterzelle herrscht Unterdruck. Diesen Tiegel setzt der Roboter in den Elektrodenofen ein, wo er mit der Probe bef├╝llt wird, die dann bei rund 2200┬░ Celsius schmilzt. Sie wird mit Helium als Tr├Ągergas durch ein Analyseger├Ąt auf den Wasserstoffgehalt getestet. Anschliessend entnimmt der IRB 120 den Tiegel mit der Probe und platziert ihn in einen Werkst├╝ckhalter.

Das Modell zeigt die Dimensionen der Brennst├Ąbe mit den Uranoxid-Pellets und ihrer H├╝llen.

Service aus naheliegenden Gr├╝nden ausgeschlossen
┬źWir haben zuerst sehr viele Testdurchl├Ąufe ausgef├╝hrt, ehe wir ├╝berzeugt waren, dass der Prozess f├╝r die Analyse von radioaktiven Proben passt┬╗, so Schwarz. Wichtig ist auch die Zuverl├Ąssigkeit des eingesetzten Roboters. ┬źService l├Ąsst sich bei einem Roboter in radioaktivem Umfeld nicht durchf├╝hren.┬╗

Rund hundert Analysen j├Ąhrlich
Heute f├╝hrt das PSI mit dieser einzigartigen Roboterzelle rund 100 Analysen von H├╝llrohren aus den Schweizer Kernkraftwerken durch. Es hilft somit, deren sicheren Betrieb weiter zu gew├Ąhrleisten ÔÇô aber auch, um die Entwicklung des Materials zu noch h├Âherer Sicherheit zu treiben.