Technische Beschreibung SCIP-IV

Die Hauptbereiche von SCIP IV werden in vier Aufgaben behandelt.

Aufgabe 1 konzentriert sich auf Brennstoff unter Endlagerbedingungen. Untersucht werden Kriechen und Hydrid-Umorientierung unter Trockenlagerbedingungen, Brennstoff bei Transport- oder Handhabungsunfällen sowie die Behandlung von beschädigtem Brennstoff.

In Aufgabe 2 werden LOCA-Probleme, insbesondere Brennstofffragmentierung, -verlagerung und -freisetzung, untersucht. Der Schwerpunkt liegt dabei auf nicht standardisiertem Brennstoff, Druck und Mikrostruktur vor der Transiente. LOCA-Transienten im Lagerbecken für abgebrannte Brennelemente werden ebenfalls untersucht.

In Aufgabe 3 werden die Mikrostruktur und die Mikrochemie, die die Ausbreitung von PCI-Rissen beeinflussen, mittels modernster Mikroskopie untersucht.

In Aufgabe 4 wird die Modellierung zur Unterstützung der Versuchsplanung und Datenanalyse von den Teilnehmern bereitgestellt und fördert das Verständnis der Mechanismen, die für die vorübergehende Brennstoffleistung wichtig sind.

Aufgabe 1: Backend

Teilaufgabe 1.1 – Kriechen und Hydrid-Neuorientierung von Brennstäben unter simulierten Trockenlagerungsbedingungen:

Während zahlreiche Kriech- und Hydrid-Reorientierungsversuche an unbestrahlten Hüllrohren durchgeführt wurden, liegen kaum Daten zu den thermischen Kriecheigenschaften bestrahlter Brennstäbe mit Brennstoffpellets vor. 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 würde, die eine lokale Hydrid-Umorientierung begünstigen und potenzielle Stellen schaffen, die unter langfristigen Trockenlagerungsbedingungen anfällig für Rissbildung und -ausbreitung sind. Mögliche Auswirkungen aufgrund der Verbindung zwischen Brennstoff und Hülle in Brennstäben mit hohem Abbrand werden untersucht. Die Kriecheigenschaften von Brennstoffsegmenten mit Brennstoff im Inneren werden mit den Eigenschaften von entbrennstofften Hüllrohren verglichen. Die potenzielle Hydrid-Umorientierung wird bewertet und die mechanischen Eigenschaften der Hüllrohre vor und nach der Kriechprüfung werden bestimmt.

Teilaufgabe 1.2 – Hydrid-Neuorientierung:

Während der Endlagerung und Trockenlagerung sind die Temperaturen der Brennstoffhüllrohre hoch genug, um Hydridausscheidungen wieder in die feste Lösung aufzulösen. Wenn die Temperatur später sinkt, fällt erneut Wasserstoff 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. Die Bedingungen und der Mechanismus für die Hydrid-Neuorientierung in bestrahltem Hüllmaterial werden bestimmt, um sowohl die Hydrid-Neuorientierung als auch das Verhalten des Materials beim Übergang von duktil zu spröde auf der Grundlage des Verständnisses dieser Parameter vorherzusagen.

Teilaufgabe 1.3 – Transport und Handhabung abgebrannter Brennstäbe sowie Unfallszenarien:

Unabhängig vom Backend-Konzept werden Brennelemente gehandhabt, in Transportbehälter geladen und entladen oder in Trockenlagerbehältern gelagert, wenn sie aus dem Lagerbecken für abgebrannte Brennelemente vor Ort entfernt werden. Weltweit wurde bereits eine sehr große Anzahl von Transporten erfolgreich durchgeführt. Nur bei besonderen Transportbedingungen oder Unfallsituationen besteht ein erheblicher Bedarf, das Verhalten der abgebrannten Brennelemente und ihre Eignung für die weitere Lagerung zu überprüfen. Diese Teilaufgabe konzentriert sich auf drei Bereiche. Sie zielt darauf ab, wertvolle experimentelle Daten über das mechanische Verhalten bestrahlter Brennstäbe unter Transportunfallbedingungen zu generieren. Die Daten werden analytische Modelle für die behördliche Unfallbewertung unterstützen. Darüber hinaus werden sie auch für seismische und Schwingungsbewertungen nützlich sein. Um die Analyse der Behälterkontainment und die Definition von Quelltermen für Unfallszenarien zu unterstützen, werden die Partikel charakterisiert, die aufgrund von Aufprallereignissen aus Brennstäben mit hohem Abbrand freigesetzt werden könnten. Schließlich wird die Festigkeit schwacher oder leicht beschädigter Brennstäbe während des Transports und der Handhabung untersucht. Ziel ist es, zu überprüfen, ob schwache oder leicht beschädigte Brennstäbe die Sicherheitsfunktionen des Behälters während des Transports und der Lagerung nicht beeinträchtigen oder gefährden.

Teilaufgabe 1.4 – Ausgefallener Brennstoff:

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 sein. Es gibt verschiedene Konzepte zur Einkapselung beschädigter und defekter Brennstäbe, entweder durch Einlagerung im Becken oder durch Konditionierung 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 abgebrannten Brennstoff in Trockenlagerbehältern Standards festgelegt wurden, reichen diese Standard-Trocknungsverfahren für defekten 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 Brennelemente bewertet und möglicherweise optimiert werden. Im Rahmen dieser Teilaufgabe werden experimentelle Daten zum Thema der sicheren Kapselung und Lagerung defekter Brennstäbe unter Verwendung etablierter Charakterisierungsmethoden und der Bewertung von Restwasser generiert.

Aufgabe 2: LOCA

Teilaufgabe 2.1 – Mikrostruktur im Zusammenhang mit der Fragmentierung von Kraftstoffen:

Die Existenz einer Abbrandschwelle für die Brennstofffragmentierung in LOCA-Szenarien war Gegenstand zahlreicher Studien und Forschungsarbeiten. Angesichts der zunehmenden experimentellen Erkenntnisse scheint ein hoher Abbrand nur einer von mehreren Faktoren zu sein, die die Anfälligkeit des Brennstoffs für Fragmentierung bestimmen. Zur Erklärung dieses Verhaltens wurden mehrere Hypothesen aufgestellt, darunter die Auswirkungen der Leistungsgeschichte, die zu Restspannungen im Pellet führen, oder die Umverteilung des Spaltgasinventars auf geschlossene Korngrenzennetzwerke oder Blasenpopulationen, die die Integrität des Brennstoffs bei einem LOCA-Ereignis schwächen. Jüngste Ergebnisse von SCIP III haben einige potenziell sehr wichtige Effekte im Zusammenhang mit der Entwicklung der Brennstoffmikrostruktur im Laufe des Brennstoffbetriebs identifiziert. Um die Auswirkungen dieser Phänomene weiter zu untersuchen, wird vorgeschlagen, die in SCIP III durchgeführten fortgeschrittenen mikroskopischen Untersuchungen an Brennstoffen mit hohem Abbrand, die unter LOCA-ähnlichen Bedingungen in hohem Maße fragmentieren, fortzusetzen und hochabgebrannte Brennstoffe zu untersuchen, die gegen eine feine Fragmentierung resistent zu sein scheinen.

Teilaufgabe 2.2 – Fragmentierung, Verlagerung und Ausbreitung von Brennstoff in nicht standardisiertem Brennstoff:

In SCIP III konzentrierten sich die Untersuchungen auf die Leistung von „Standardbrennstoff“, d. h. UO2-Brennstoff mit relativ kleinen Körnern, während die Verwendung von Brennstoff mit großen Körnern und Dotierstoffen oder Additiven immer häufiger geworden ist. Darüber hinaus könnte sich die Mikrostruktur von Nicht-Standardbrennstoff während des Reaktorbetriebs im Vergleich zu Standardbrennstoff auch anders entwickeln. Die im Rahmen dieser Teilaufgabe durchzuführenden Arbeiten zielen darauf ab, die Datenbank und das Verständnis der Brennstofffragmentierung, -verlagerung und -verteilung auf Brennstofftypen auszuweiten, die bisher weder im Rahmen von SCIP III noch anderweitig untersucht wurden. Die Daten werden die Schätzungen der Brennstoffverteilung in LOCA-Sicherheitsbewertungen unterstützen, die von Versorgungsunternehmen und Aufsichtsbehörden durchgeführt werden, sowie die Verfeinerung und Erweiterung von Brennstofffragmentierungsmodellen, die in Brennstoffleistungs- und Transientencodes integriert werden sollen.

Teilaufgabe 2.3 – Getrennte Wirkungstests:

Tests im Rahmen von SCIP III haben gezeigt, dass bei Brennstoffen, die zu einer feinen Fragmentierung neigen, sowohl die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit als auch das Ausmaß des Druckabfalls beim Bersten kritische Parameter sein können. Die Möglichkeit, die Temperaturanstiegsgeschwindigkeiten zu steuern, war in den SCIP-III-Heiztests eher begrenzt. Daher wird vorgeschlagen, einen neuen Ofen zu bauen, um die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit in Tests ähnlicher Größe wie bei den bestehenden Heiztests (bei denen wenige Pellets getestet werden) besser kontrollieren zu können. Die Anlage wird mit einer neuen Druckentlastungsvorrichtung kompatibel sein, mit der sich das Bersten mit hoher Genauigkeit simulieren lässt, einschließlich einer Expansionskammer, in der die herausgeschleuderten Brennstofffragmente für weitere Untersuchungen aufgefangen werden können.

Teilaufgabe 2.4 – Vorübergehende Freisetzung von Spaltgas und axiale Gasverbindung:

Bei einem Kühlmittelverlustunfall 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. 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. Als Fortsetzung einer begrenzten Anzahl von Tests, die im Rahmen von SCIP III durchgeführt wurden, wird vorgeschlagen, eine parametrische Studie zur axialen Gasverbindung in Abhängigkeit von Abbrand und Temperatur durchzuführen. Die Ergebnisse werden zur Verbesserung der Brennstoffleistungscode-Modelle der Gasverbindung unter transienten Bedingungen beitragen.

Teilaufgabe 2.5 – LOCA im Lagerbecken für abgebrannte Brennelemente:

Der Verlust von Kühlmittel in einem Lagerbecken für abgebrannte Brennelemente, verbunden mit einer Hochtemperaturoxidation der Hüllrohre in einem Luft-Dampf-Gemisch sowie Transienten, die zu einer Aufblähung und zum Bersten der Brennstäbe führen, kann schwerwiegende Folgen haben. Im Rahmen von SCIP III wurden nur zwei LOCA-Tests unter simulierten Lagerbeckenbedingungen durchgeführt. Darüber hinaus war der Umfang der Untersuchungen nach den Tests eher begrenzt. Daher werden in dieser Teilaufgabe zusätzliche LOCA-Tests für Lagerbecken durchgeführt, die ein breiteres Spektrum potenzieller Bedingungen abdecken. Der Umfang der Untersuchungen nach den Tests wird erweitert, um zusätzliche Daten zur Definition des Quellterms der Spaltprodukte für diese Art von Ereignissen zu liefern.

Teilaufgabe 2.6 – Fragmentierung, Verlagerung und Ausbreitung von Brennstoff in Standardbrennstoff:

Die Teilaufgabe 2.6 wurde im Laufe von SCIP IV erstellt, zum einen aufgrund einiger Schwierigkeiten beim Zugriff auf Material mit relevanter Abbrandrate und Typ für die Teilaufgabe 2.2 und zum anderen, um dem Interesse der Mitglieder an einer weiteren Untersuchung einiger Fragen im Zusammenhang mit LOCA-Ereignissen in Standardbrennstoff Rechnung zu tragen. In dieser Unteraufgabe wird der Abbrandschwellenwert für FFRD in Standardbrennstoff weiter untersucht, ebenso wie die Auswirkungen einer niedrigeren Spitzenmanteltemperatur und eines geringeren Plenumvolumens auf FFRD. Die im Rahmen dieser Unteraufgabe durchgeführten Arbeiten zielen darauf ab, die Datenbank zu erweitern und das Verständnis von FFRD in Standardbrennstoff mithilfe von integralen LOCA-Tests und Erwärmungstests zu verbessern.

Aufgabe 3: PCI

Teilaufgabe 3.2 – Mikrostruktur und Mikrochemie:

Die Bedeutung chemisch aktiver Substanzen für Spannungsrisskorrosion ist allgemein anerkannt, doch die Wirkungsweise dieser Substanzen, ihr Weg zum und ihre Verteilung am Ort des Geschehens, ihre chemische und physikalische Form und viele andere Aspekte sind noch nicht vollständig geklärt. Die Zusammenarbeit von SCIP III mit der Universität Manchester führte zu vielversprechenden Ergebnissen. Im Rahmen dieser Teilaufgabe werden die Mikrostruktur und die Mikrochemie innerhalb von Rissen und an der Rissspitze von bestrahlten Mantelproben, die Spannungsrisskorrosion erfahren haben, mithilfe fortschrittlicher Techniken in Zusammenarbeit mit externen Partnern untersucht.

Aufgabe 4: Modellierung

Diese Aufgabe zielt darauf ab, SCIP IV mit Vor- und Nachberechnungsmodellen für Tests und Experimente 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.