Wie die tragischen Ereignisse im japanischen Fukushima aller Welt zeigten, muss die Sicherheit von Nuklearreaktoren verbessert werden. Dies kann einerseits durch verstärkte Kontrollen – die so genannten „stress-tests“ – oder durch die Entwicklung besserer Werkstoffe erfolgen. „Beide Vorgehensweisen sind machbar, aber in der klassischen Herangehensweise auch jeweils sehr zeit- und kostenintensiv“, meint Dr. Kiener von der Montanuniversität Leoben. „Zu bedenken ist auch, dass ein Abschalten sämtlicher Reaktoren die Versorgung der medizinischen Industrie mit Radioisotopen und die Forschung in diesen Bereichen schwer beeinträchtigt würde.“

Alternativ zur klassischen Werkstoffprüfung hat Kiener mit einem internationalen Team von Wissenschaftern eine neue Methode entwickelt, um Entwicklung und Prüfung von Reaktorwerkstoffen wesentlich zu verbessern. Dazu bestrahlten die Forscher den Modellwerkstoff Kupfer mit Protonen. Das erzeugte Defekte im Material, wie sie auch in einem Reaktorwerkstoff in realem Einsatz auftreten würden. „Wir konnten zeigen, dass wir an nur ~400 nm großen Proben – 1 nm entspricht einem Milliardstel Meter – mechanische Kennwerte des makroskopischen Werkstoffes ermitteln können“, so Kiener.

Diese Miniaturisierung bietet eine Reihe von Vorteilen: So kann man, wie im konkreten Fall, die Proben für Forschungszwecke mit Protonen bestrahlen und vermeidet damit die Gefahr der Materialaktivierung (Radioaktivität), wie es bei der Verwendung von Neutronen der Fall wäre. Zusätzlich sind diese Proben so winzig, dass man mit speziellen Elektronenmikroskopen die Verformung direkt im atomaren Bereich beobachten kann. „Neben den mechanischen Kennwerten erhält man durch so einen miniaturisierten Versuch, bei dem man im Elektronenmikroskop live zusehen kann, auch gleich den Verformungsmechanismus – der sich im konkreten Fall auf wenige atomare Ebenen beschränkt – frei Haus mitgeliefert“, erklärt Kiener. Dieses mechanistische Verständnis ist ungemein wichtig für die Werkstoffentwicklung.

„Aus den USA zurück in Leoben, waren wir am Lehrstuhl für Materialphysik durch die Unterstützung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und der Montanuniversität Leoben in der Lage, das nötige Spezial-Equipment für derartige Versuche anzuschaffen und im modernsten Transmissionselektronenmikroskop Österreichs zu installieren“, freut sich Kiener auf die Fortsetzung seiner Forschungen.