Technische Beschreibung SCIP V

Die Hauptbereiche von SCIP V werden in vier Aufgaben behandelt.

Aufgabe 1 konzentriert sich auf Brennstoff unter Backend-Bedingungen und zielt darauf ab, Fragen der Brennstoff- und Hüllrohrleistung im Zusammenhang mit der Zwischenlagerung zu untersuchen. Zu den untersuchten Bereichen gehören Brennstoffkriechen, Hydridausfällung und -neuorientierung, Hüllrohrglühen bei langfristiger Trockenlagerung und die Behandlung von defektem Brennstoff.

In Aufgabe 2 werden Fragen im Zusammenhang mit Unfällen mit Kühlmittelverlust (LOCA) untersucht. Ziel ist es, das Verhalten von Brennstoff und Hüllrohre in LOCA-Szenarien zu untersuchen, wobei der Schwerpunkt sowohl auf Standard- als auch auf Nicht-Standard-Brennstoff, vorübergehender Freisetzung von Spaltgas, axialer Gasverbindung sowie Mikrostruktur und Mikrochemie im Zusammenhang mit Brennstofffragmentierung liegt.

Aufgabe 1 und Aufgabe 2 stellen eine Fortsetzung und Erweiterung der in SCIP IV durchgeführten Arbeiten zu Backend- und LOCA-Themen dar.

Aufgabe 3, unfalltoleranter Brennstoff (ATF), ist ein neues Gebiet für SCIP und wurde von mehreren Mitgliedern beantragt. Der Schwerpunkt liegt auf der Reaktion der ATF-Hülle auf mechanische und LOCA-Typ-Tests hinsichtlich Ballooning und Bersten.

In Aufgabe 4 wird die Modellierung zur Unterstützung der Versuchsplanung und Datenanalyse von den Teilnehmern bereitgestellt und fördert das Verständnis wichtiger Mechanismen im Zusammenhang mit der Brennstoffleistung und der Trockenlagerung.

Aufgabe 1: Backend

Teilaufgabe 1.1 – Kraftstoffkriechen

Während zahlreiche Kriech- und Hydrid-Reorientierungsversuche an unbestrahlten Hüllrohren durchgeführt wurden, liegen kaum Daten zu den thermischen Kriecheigenschaften bestrahlter Brennstäbe mit Brennstoffpellets vor. Im Rahmen von SCIP IV wurde eine neue Versuchsvorrichtung entwickelt, um Kriechversuche mit Pellets durchzuführen, und eine erste Versuchsreihe wurde durchgeführt. In Brennstäben mit hohem Abbrand könnte die Verbindung zwischen Brennstoff und Hüllrohr das Kriechen des Hüllrohrs einschränken. Zusätzlich zu den Auswirkungen auf das Kriechverhalten könnte die Verbindung auch das Hydrid-Umorientierungsverhalten in der Hülle beeinflussen, was zu lokalen Spannungskonzentrationen führen könnte, die eine lokale Hydrid-Umorientierung begünstigen und potenzielle Stellen für Rissbildung und -ausbreitung bei langfristiger Trockenlagerung schaffen. Mögliche Auswirkungen aufgrund der Verbindung zwischen Brennstoff und Hülle in Brennstäben mit hohem Abbrand werden untersucht. Die Kriecheigenschaften von Stabsegmenten mit Brennstoff werden mit den Eigenschaften von entbrennstofften Hüllen verglichen. Die Testmaterialien und Testbedingungen werden so gewählt, dass sie die Ergebnisse von SCIP IV erweitern und ergänzen.

Teilaufgabe 1.2 – Hydridausfällung

Während der Backend-Behandlung und der Trockenlagerung sind die Temperaturen der Brennstoffhüllrohre hoch genug, um Hydride wieder in eine feste Lösung aufzulösen. Wenn die Temperatur später sinkt, fällt Wasserstoff erneut aus. Wenn die Hüllrohre einer ausreichend hohen Umfangsspannung ausgesetzt sind, orientieren sich die ausgefällten Hydride in radialer Richtung, was sich auf das Verhalten des betreffenden Hüllrohrmaterials beim Übergang von duktil zu spröde auswirkt. Aktuelle Modelle zur Hydridausscheidung in Zirkoniumlegierungen basieren in der Regel auf dem klassischen Verständnis, dass es getrennte terminale Löslichkeitsgrenzen für die Ausscheidung (TSSP) und die Auflösung (TSSD) gibt. Aktuelle experimentelle Daten, die mit unterschiedlichen Temperatur-Zeit-Profilen und neuartigen Methoden gewonnen wurden, stellen diese klassische Beschreibung in Frage. Erkenntnisse aus den letzten zehn Jahren zeigen, dass bereits vorhandene Hydride und Abkühlungsgeschwindigkeiten die erforderliche Unterkühlung (Übersättigung) für die Hydridkeimbildung beeinflussen. Das Ziel dieser Teilaufgabe ist es, den Einfluss bereits vorhandener Hydride, der Bestrahlung und der Abkühlungsgeschwindigkeiten auf die Feststofflöslichkeitslinien für die Hydridauflösung und -ausscheidung zu untersuchen. Die anzuwendende Methode ist die In-situ-Differential-Scanning-Kalorimetrie unter Verwendung der Simultaneous Thermal Analysis (STA)-Ausrüstung, einer Testtechnik, die kürzlich im Heißzellenlabor in Studsvik installiert wurde.

Teilaufgabe 1.3 – Hydrid-Neuorientierung

Ein Hauptproblem hinsichtlich der Integrität der Hüllrohre während der Zwischenlagerung ist die Bildung radialer Hydride während der Abkühlung unter Innendruck. Langjährige Parameterstudien haben umfangreiche Daten zur Hydrid-Reorientierung in den meisten herkömmlichen LWR-Hüllrohrtypen geliefert. Es gibt jedoch noch einige Bereiche, in denen zusätzliche Daten erforderlich sind, um den Mechanismus der Hydrid-Neuorientierung und die Auswirkungen radialer Hydride auf die Duktilität vollständig zu verstehen. Dazu gehören die Neuorientierung bei sehr langsamen Abkühlungsgeschwindigkeiten, die Hydrid-Neuorientierung in bestrahltem Hüllmaterial mit niedrigem Wasserstoffgehalt, Erkenntnisse darüber, welche Parameter den Übergang von duktil zu spröde beeinflussen, sowie die Mikrostruktur neuorientierter Hydride. Um diese Bereiche zu untersuchen, werden Neuorientierungsversuche an unter Druck stehenden bestrahlten Hüllrohren mit kontrolliertem Druck und kontrollierten Abkühlungsgeschwindigkeiten vorgeschlagen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf dem Einfluss der Abkühlungsgeschwindigkeit. Die Testproben werden mittels Mikroskopie und Ringdruckversuchen untersucht.

Teilaufgabe 1.4 – Glühen von Cladding in Langzeit-Trockenspeichern

Am Ende seiner Nutzungsdauer im Reaktor und nach dem Abkühlen im Becken steht die Brennstoffhülle unter Innendruck durch Füllgas und freigesetzte Spaltgase. Das bestrahlte Hüllenmaterial zeichnet sich im Vergleich zu unbestrahltem Material durch hohe Festigkeit und geringe Duktilität aus. Während des Transports und/oder zu Beginn der Trockenlagerung kann der Innendruck aufgrund eines Temperaturanstiegs durch die Nachzerfallswärme des Brennstoffs ansteigen. Bei einem erheblichen Temperaturanstieg kann es zu einer Temperung des Materials kommen, wodurch die Strahlungshärtung verringert wird. Bei bestrahlten Materialien kann es zu einer Wiederherstellung der Strahlungshärtung (oder einer „Erweichung” des Materials) kommen, wenn die Kriechung bei ausreichend hohen Temperaturen stattfindet, bei denen eine Temperung der Strahlungsschäden auftreten kann. Es wurde beobachtet, dass eine solche Situation zu einer relativ frühen Beschleunigung der Kriechung (mit einer zunehmenden Kriechrate) führt. Das Ziel dieser Teilaufgabe ist es, die Bedingungen zu untersuchen, die zu einer Kriechbeschleunigung während der Trockenlagerung und der damit einhergehenden Veränderung der Duktilität führen können, und die Kriechrate als Funktion des Glühparameters für eine bestimmte Temperatur und Spannung zu bestimmen. Dies soll in zwei Schritten an bestrahlten Hüllrohren durchgeführt werden. Zunächst wird die Probe bei einer relativ hohen Temperatur ohne Innendruck auf ein gewünschtes Glühniveau geglüht. In einem zweiten Schritt wird die Probe dann unter Druck gesetzt und eine Kriechprüfung bei einer typischen Temperatur und Spannung in derselben Prüfvorrichtung durchgeführt. Die sekundäre Kriechrate kann dann als Funktion der Umfangsspannung, der Temperatur und des Glühgrades bestimmt werden.

Teilaufgabe 1.5 – Ausgefallener Treibstoff

In den meisten Ländern gibt es noch keine Standardverfahren für die Zwischenlagerung und Endlagerung von beschädigtem Brennstoff. Für eine sichere langfristige Stabilisierung von beschädigtem Brennstoff muss die radiologische Einschließung wiederhergestellt und die Geometrie und Umgebung kontrolliert und stabil gehalten werden. Es gibt verschiedene Konzepte zur Einkapselung beschädigter und defekter Brennstäbe, entweder durch Einlagerung im Becken oder durch Aufbereitung und Einkapselung in einer Heißzelle. In diesem Zusammenhang ist die Trocknung von beschädigtem Brennstoff unerlässlich, um die Gasbildung durch Radiolyse von Restwasser und Feuchtigkeit zu vermeiden. Das Vorhandensein von Sauerstoff und Wasserstoffgas könnte unerwünschte Folgen haben, wie z. B. Oxidation des Brennstoffs, Hydrierung der Hülle, Korrosion und Druckaufbau. Während für die Trocknung von intaktem abgebranntem Brennstoff in Trockenlagerbehältern Standards festgelegt wurden, reichen diese Standardtrocknungsverfahren für beschädigten Brennstoff möglicherweise nicht aus, um den für die Einkapselung erforderlichen Feuchtigkeitsgehalt zu gewährleisten. Daher müssen Testmethoden zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts entwickelt und validiert werden, um nachzuweisen, dass die Kriterien für den Feuchtigkeitsgehalt erfüllt werden können. Darüber hinaus müssen die verfügbaren Trocknungsverfahren für defekte Brennstäbe bewertet und möglicherweise optimiert werden. Im Rahmen von SCIP IV wurden intakte und beschädigte abgebrannte Brennstäbe in einer Heißzelle unter Verwendung einer speziell angefertigten Anlage zur Vakuumtrocknung getrocknet. Die Tests wurden an fünf verschiedenen Stäben durchgeführt, wobei sowohl BWR- als auch PWR-Segmente mit unterschiedlichen Abbrandgraden verwendet wurden. Die Tests wurden sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhten Temperaturen durchgeführt. Im Rahmen dieser Teilaufgabe werden weitere experimentelle Daten zum Thema der sicheren Kapselung und Lagerung von defekten Brennstäben generiert, wodurch die Ergebnisse von SCIP IV erweitert werden. Darüber hinaus wird eine erweiterte Charakterisierung von defektem Brennstoff durchgeführt, um die Bestimmung des Restwassergehalts zu verbessern, sekundäre Phasen in der Nähe von Defektstellen zu identifizieren und die Mikrostruktur von defektem Brennstoff zu charakterisieren.

Aufgabe 2: LOCA

Teilaufgabe 2.1 – Fragmentierung, Verlagerung und Ausbreitung von Standardbrennstoff

In früheren SCIP-Phasen wurden Untersuchungen zur Brennstofffragmentierung, -verlagerung und -verteilung (FFRD) durchgeführt, um die Leistung von „Standardbrennstoff“ zu verstehen. Zahlreiche Erwärmungstests und viele LOCA-Tests haben gezeigt, dass der Grad der FFRD nicht nur vom Abbrand abhängt. Viele Faktoren beeinflussen die FFRD während eines LOCA. Zu den wichtigen Parametern zählen unter anderem die Größe des Plenums und der Gasdruck, die Temperaturanstiegsrate, die Belastung der Hülle und die Größe der Berstöffnung. Auch die vorübergehende Freisetzung von Spaltgas kann die Belastung der Hülle während eines LOCA-Transienten beeinflussen. Einige Bereiche, die weiterer Untersuchungen bedürfen, wurden während SCIP IV sowie in einem aktuellen Forschungsinformationsschreiben der US-amerikanischen NRC und in einem EPRI-Weißbuch identifiziert. Die Menge des im Plenum verfügbaren Gases beeinflusst die Fragmentierung. Die Temperaturanstiegsrate kann sich sowohl auf den Grad der Feinzerkleinerung als auch auf die vorübergehende Freisetzung von Spaltgas auswirken. Auch die Plenumtemperatur kann die FFRD beeinflussen. Bei Tests außerhalb des Reaktors wird das Gas im Plenum nicht erhitzt. Nach dem Bersten strömt dieses Gas durch die heiße Brennstoffsäule und wird erwärmt. Schließlich ist die Anzahl der Tests mit einem Abbrand unterhalb oder nahe dem Abbrandschwellenbereich noch begrenzt. Die im Rahmen dieser Teilaufgabe durchzuführenden Arbeiten zielen darauf ab, die Datenbank zu erweitern und das Verständnis der FFRD in Standardbrennstoff mithilfe von integralen LOCA-Tests und Erhitzungstests zu verbessern.

Teilaufgabe 2.2 – Fragmentierung, Verlagerung und Verteilung von nicht standardisiertem Brennstoff

In früheren SCIP-Programmen wurden Untersuchungen zu FFRD hauptsächlich durchgeführt, um die Leistung von „Standardbrennstoff“ zu untersuchen, d. h. UO2-Brennstoff mit einer Korngröße in der Größenordnung von 10–15 μm. In SCIP IV wurde der Fokus auf nicht standardisierte Brennstofftypen (z. B. dotierter Brennstoff, Gd-Brennstoff, MOX-Brennstoff) ausgeweitet. Um das Fragmentierungsverhalten dieser Brennstofftypen zu verstehen, sind weitere Daten erforderlich. Es wurde beobachtet, dass ein erhöhter Abbrand allein nicht der Grund für eine feine Fragmentierung ist. Stattdessen entscheiden mikrostrukturelle Veränderungen im Brennstoff oder andere Faktoren darüber, ob der Brennstoff für eine feine Fragmentierung anfällig ist oder nicht. Daher können Additive und andere Veränderungen an Standard-UO2 die Entwicklung des Brennstoffs während der Bestrahlung und damit auch das Fragmentierungsverhalten verändern. Die im Rahmen dieser Teilaufgabe durchzuführenden Arbeiten zielen darauf ab, die Datenbank zu erweitern und das Verständnis der FFRD bei Brennstoffarten zu verbessern, die bisher weder im Rahmen von SCIP III und IV noch anderweitig untersucht wurden. Die verwendeten Testmethoden werden die gleichen sein wie für Standardbrennstoff.

Teilaufgabe 2.3 – Vorübergehende Freisetzung von Spaltgas und axiale Gasverbindung

Während eines LOCA-Ereignisses können schnelle und starke Temperaturänderungen zu einer vorübergehenden Freisetzung von Spaltgas aus dem Brennstoff führen, beispielsweise durch Mechanismen wie Bruch der Brennstoffkorngrenzen oder Diffusion und Verbindung von Spaltgasblasen. Das Verständnis des vorübergehenden Verhaltens von Spaltgas ist wichtig, um Faktoren wie den Anstieg des Innendrucks der Stäbe und die Grenzen für das Bersten der Hülle und den Verlust der Integrität der Stäbe zu bestimmen. Die Kenntnis der vorübergehenden Freisetzung von Spaltgas ermöglicht auch eine genauere Bestimmung des Quellterms in einem Unfallszenario. Im Rahmen dieser Teilaufgabe werden Untersuchungen zur vorübergehenden Freisetzung von Spaltgas durchgeführt. Um die Auswirkungen der vorübergehenden Freisetzung von Spaltgas auf den lokalen Druck sowie das Aufblähen und Bersten richtig einschätzen zu können, ist es wichtig, die axiale Gasverbindung innerhalb des Brennstoffstabs zu kennen. Im Rahmen von SCIP IV wurde eine Testreihe durchgeführt, um die axiale Gasverbindung in Abhängigkeit von Abbrand und Temperatur zu messen. SCIP V zielt darauf ab, diese Arbeit fortzusetzen und die vorhandenen Tests durch weitere Daten zu ergänzen. Die Ergebnisse werden zur Verbesserung der Brennstoffleistungscode-Modelle der Gasverbindung unter transienten Bedingungen beitragen.

Teilaufgabe 2.4 – Mikrostruktur im Zusammenhang mit der Fragmentierung von Kraftstoff

Die Ergebnisse früherer SCIP-Phasen haben den potenziell wichtigen Effekt der mikrostrukturellen Umwandlung aufgezeigt, die auch im Inneren des Brennstoffpellets zur Bildung von Unterkörnern führt. Die Unterkornstruktur scheint sich auf die Fragmentierung auszuwirken und stand im Mittelpunkt der fortgeschrittenen mikroskopischen Untersuchungen in SCIP IV. Die meisten Charakterisierungen in SCIP IV wurden an Proben durchgeführt, die keinen Transiententests unterzogen worden waren. In SCIP V werden ähnliche Untersuchungen durchgeführt, darunter auch weitere mikroskopische Untersuchungen an transienten getesteten Standardbrennstoffproben. Es hat sich gezeigt, dass sich die Porosität der Korngrenzen bei additivem Brennstoff unterschiedlich entwickelt. Da frühere Untersuchungen zur Brennstofffragmentierung gezeigt haben, dass die Bildung von Unterkörnern und der Gehalt an Spaltgasen an den Korngrenzen wichtige Faktoren für die Brennstofffragmentierung sind, ist es möglich, dass sich Brennstoff mit Additiven anders verhält als Standardbrennstoff. Aus diesem Grund ist geplant, makroskopische LOCA- und Erhitzungstests an diesen Brennstofftypen durch detaillierte mikroskopische Untersuchungen zu ergänzen. Zu diesem Zweck wird die Mikrostruktur von Nicht-Standard-Brennstoff vor und nach LOCA-Transienten untersucht und mit den Ergebnissen von Standardbrennstoff verglichen. Die Untersuchungen werden unter Verwendung von Rasterelektronenmikroskopie (REM) in Verbindung mit Elektronenrückstreubeugung (EBSD) und wellenlängendispersiver Röntgenspektroskopie (WDS) durchgeführt, um lokale Veränderungen der Mikrostruktur und der chemischen Zusammensetzung zu untersuchen. Zur Bestimmung des Spaltgasgehalts vor und nach den Tests wird Laserablation in Kombination mit induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS) eingesetzt.

Aufgabe 3: Unfalltoleranter Brennstoff

Teilaufgabe 3.1 – Mechanische Eigenschaften der ATF-Verkleidung

Bislang lag der Schwerpunkt der Tests mit neuartigen beschichteten Hüllrohren auf der Haftung der Beschichtung, dem Fretting-Verhalten und der Auflösung der Beschichtung. Über die mechanischen Eigenschaften, insbesondere bei bestrahlten Hüllrohren, liegen weniger Daten vor. Ein Thema, das untersucht werden muss, ist die Auswirkung der Bestrahlung auf die Beschichtung, wie z. B. Bestrahlungshärtung, Rissbildung oder lokale Delamination, entweder als direkte Auswirkung der Bestrahlung oder indirekt als Auswirkung der mechanischen Wechselwirkung zwischen Pellet und Hüllrohr (PCMI). Das Ziel dieser Teilaufgabe ist es, die mechanischen Eigenschaften der Beschichtung und des Hüllrohrs in bestrahlten beschichteten ATF-Hüllrohren zu testen. Die Integrität der Hüllrohre und der Zustand der Beschichtung werden mikroskopisch untersucht. Anschließend werden verschiedene Arten von mechanischen Tests und Untersuchungen nach den Tests durchgeführt. Die mechanischen Tests werden unter Verwendung bestehender Testmethoden für bestrahlte Hüllrohre durchgeführt. Die getesteten Proben werden durch detaillierte Mikroskopie charakterisiert. Der Schwerpunkt liegt auf dem Einfluss der Beschichtung auf die mechanischen Eigenschaften der Hüllrohre und darauf, wie die Beschichtung und ihre Kohäsion durch die Tests beeinflusst werden.

Teilaufgabe 3.2 – ATF-Ballonfahrt und -Bersten

Unfalltolerante Brennstoffkonzepte wie Cr-beschichtete Zr-basierte Legierungen oder FeCrAl-Hüllrohre wurden entwickelt, um die Leistung im Normalbetrieb zu verbessern und eine längere Bewältigungszeit bei Auslegungsstörfällen (DBA) und über DBA hinausgehenden Störfällen zu ermöglichen. Es ist wahrscheinlich, dass das Ballon- und Berstverhalten im Vergleich zu Standard-Hüllrohrmaterialien beeinflusst wird. Wenn der Ballon kleiner ist, würde dies das Risiko einer Strömungsblockade im Reaktor verringern. Es würde wahrscheinlich auch die Fragmentierung und Verlagerung des Brennstoffs innerhalb des Brennstoffstabs verringern. Ein weiterer potenzieller Vorteil wäre eine kleine Berstöffnung. Daher umfasst diese Teilaufgabe die Untersuchung der Ballon- und Berst-Eigenschaften von ATF-Hüllrohrtypen im Vergleich zu Standard-Hüllrohren aus Zr-basierten Legierungen. Dies wird durch die Durchführung integraler LOCA-Tests auf Ballonbildung und Bersten erfolgen.

Aufgabe 4: Modellierung

Diese Aufgabe zielt darauf ab, SCIP V mit Vor- und Nachberechnungsmodellierungen von Tests und Experimenten unter Verwendung verschiedener Codes und Modelle zu unterstützen. Genauer gesagt bestehen die Ziele darin, Beiträge zur Gestaltung von Testmatrizen und zur Auswahl von Testparametern zu leisten, die Auswertung und Interpretation von Versuchsergebnissen zu verbessern, die Grundlage für die Validierung bestehender Modelle zu erweitern und Modellverbesserungen sowie den Datenbedarf für solche Verbesserungen zu ermitteln.