Weltweit einzigartiger Einsatz eines Industrieroboters im Paul Scherrer Institut

Der IRB 120 wiegt nur 25 Kilogramm. Er ist einer der kleinsten und leichtesten Industrieroboter von ABB. Im Paul Scherrer Institut (PSI) im aargauischen Würenlingen arbeitet er in einer rund sechs Tonnen schweren, gasdichten, mit viel Blei ummantelten Zelle. Das Team des Hotlabors setzt ihn dafür ein, Proben von Brennstabhüllen auf deren Sprödigkeit zu testen. «Unseres Wissens ist das der weltweit einzige Industrieroboter, der im nuklearen Bereich radioaktive Stoffe handhabt», so Holger Wiese, Entwicklungsingenieur am PSI, der den IRB 120 für diesen Zweck selbst programmiert hat.

Brennstab-Hüllrohre aus Zirkoniumlegierung
Brennstoffe für Kernkraftwerke befinden sich in Hüllrohren. Sie müssen im Betrieb hohen Temperaturen sowie Druck standhalten und dürfen auch nach Entnahme der abgebrannten Brennstäbe keine Risse kriegen. Diese Hüllrohre – typischerweise vier Meter lang, mit einem Durchmesser von einem Zentimeter und einer Wandstärke von 0,6 Millimetern – werden aus einer Legierung gefertigt, die zu 98 Prozent aus dem Metall Zirkonium besteht. Das ist überaus korrosionsbeständig, schmilzt erst bei über 1800° Celsius – und ist gewissermassen «durchsichtig» für Neutronen, gewährt so die Kernspaltung in den Brennstäben, die sie umhüllen.

Wasserstoff kann Hüllrohre verspröden
«Die Legierungen für diese Hüllrohre werden laufend weiterentwickelt», so Rudolf Schwarz, Techniker im Hotlabor. «Ziel ist es, das Eindringen von Wasserstoff in die Hüllrohre so weit wie möglich zu verhindern.» Durch Radiolyse im Reaktor wird das dort als Trägermedium für die freigesetzte Energie und Kühlmittel eingesetzte Wasser teilweise in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespaltet. Weiterer Wasserstoff wird frei durch die Oxidation der Aussenwand des Hüllrohres. Der freie Wasserstoff kann zum Teil  ins Hüllrohrinnere wandern – wodurch das Rohr mechanisch geschwächt, spröde zu werden droht.

Vormals manuelles Handling der Hüllrohrtests
«Es ist Teil unserer Aufgaben hier, die Hüllrohre der Brennstäbe aus den Kernkraftwerken Gösgen und Leibstadt auf Sprödigkeit zu testen. Also zu analysieren, wie viel Wasserstoff sie enthalten», erklärt Wiese. Dafür werden Proben der Hüllrohre genommen, von Brennstäben unterschiedlichen Alters mit jeweils spezifischen Zirkonium-Legierungen. Diese Proben werden eingeschmolzen und von Helium durchströmt, um anschliessend den Wasserstoffgehalt im eingesetzten Heliumvolumen zu . Die Resultate werden an die Betreiber der Kraftwerke und die Materialhersteller rapportiert, welche gegenüber der Aufsichtsbehörde den sicheren Betrieb nachweisen müssen.  Da die Hüllrohrproben radioaktiv sind, geschah das im PSI in sehr grossen, mit Blei und dickem Panzerglas abgeschirmten Zellen. Das zuständige Personal handhabte die Proben und die kleinen Schmelztiegel über mechanische Greifer, was anstrengend war und viel Geschick erforderte.

Testlauf automatisiert und mit RobotStudio selbst programmiert
«Das könnte doch auch ein Roboter leisten», dachte sich Holger Wiese schon vor Jahren. Der Weg zur zuverlässig arbeitenden Roboterzelle im Hotlabor war lang, da absolutes Neuland. Die Wahl des Roboters fiel auf einen IRB 120 von ABB. «Er sollte möglichst klein sein, um die Zelle kompakter und leichter gestalten zu können. Mit seinen sechs Achsen können wir jeden Punkt in der Zelle ansteuern. Vor allem überzeugte uns auch die Software RobotStudio von ABB, mit der wir ihn wirklich einfach selbst programmieren können», so Wiese. Den Roboter setzten sie zuerst drei Monate einer gewissen Strahlung aus, um zu sehen, ob er den Einsatz in radioaktivem Umfeld überhaupt aushält.

So handhabt der Roboter die Proben der Brennstabhüllrohre – 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 Wände 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 verlängert, so dass seine Steuerplatine ausserhalb der Zelle montiert werden konnte. Sie wird durch eine Schicht Wolfram geschützt; 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 zugeführten, in Aluminiumtiegeln liegenden Proben der Hüllrohre auf, legt sie auf eine Waage und kippt sie dann in den Zuführstutzen des Elektrodenofens. Den leeren Alutiegel stellt er noch einmal auf die Waage und legt ihn in die Zuführhalterung zurück. Dann holt er einen Graphittiegel, der von aussen über ein Rohrsystem in die Zelle zugeführt wird. In der Roboterzelle herrscht Unterdruck. Diesen Tiegel setzt der Roboter in den Elektrodenofen ein, wo er mit der Probe befüllt wird, die dann bei rund 2200° Celsius schmilzt. Sie wird mit Helium als Trägergas durch ein Analysegerät auf den Wasserstoffgehalt getestet. Anschliessend entnimmt der IRB 120 den Tiegel mit der Probe und platziert ihn in einen Werkstückhalter.

Service aus naheliegenden Gründen ausgeschlossen
«Wir haben zuerst sehr viele Testdurchläufe ausgeführt, ehe wir überzeugt waren, dass der Prozess für die Analyse von radioaktiven Proben passt», so Schwarz. Wichtig ist auch die Zuverlässigkeit des eingesetzten Roboters. «Service lässt sich bei einem Roboter in radioaktivem Umfeld nicht durchführen.»

Rund hundert Analysen jährlich
Heute führt das PSI mit dieser einzigartigen Roboterzelle rund 100 Analysen von Hüllrohren aus den Schweizer Kernkraftwerken durch. Es hilft somit, deren sicheren Betrieb weiter zu gewährleisten – aber auch, um die Entwicklung des Materials zu noch höherer Sicherheit zu treiben.