Technische Beschreibung SCIP

Die Hauptbereiche von SCIP 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 Frage nach dem Vorhandensein einer Abbrandschwelle für die Brennstofffragmentierung in LOCA-Szenarien war Gegenstand zahlreicher Studien und Forschungsarbeiten. Angesichts der zunehmenden experimentellen Belege scheint ein hoher Abbrand nur einer von mehreren Faktoren zu sein, die die Anfälligkeit des Brennstoffs für eine Fragmentierung bestimmen. Zur Erklärung dieses Verhaltens wurden mehrere Hypothesen aufgestellt, wie beispielsweise die Auswirkungen der Leistungsgeschichte, die zu Eigenspannungen im Brennstoffpellet führt, oder die Umverteilung des Spaltgasbestands in geschlossene Korngrenzennetzwerke oder Blasenpopulationen, was die Integrität des Brennstoffs bei einem LOCA-Ereignis schwächt. Jüngste Ergebnisse aus SCIP haben einige potenziell sehr wichtige Effekte identifiziert, die mit der Entwicklung der Brennstoffmikrostruktur im Verlauf des Brennstoffbetriebs zusammenhängen. Um die Auswirkungen dieser Phänomene weiter zu untersuchen, wird vorgeschlagen, die im Rahmen von SCIP durchgeführten fortgeschrittenen mikroskopischen Untersuchungen an Brennstoffen mit hohem Abbrand fortzusetzen, die unter LOCA-ähnlichen Bedingungen in großem Umfang zerfallen, sowie Brennstoffe mit hohem Abbrand zu untersuchen, die gegen eine feine Zersplitterung resistent zu sein scheinen.

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

Im Rahmen von SCIP konzentrierten sich die Untersuchungen auf das Verhalten von „Standardbrennstoff“, d. h. UO₂-Brennstoff mit relativ kleinen Körnern, während die Verwendung von großkörnigem Brennstoff mit Dotierungen 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 Datenbasis und das Verständnis der Brennstofffragmentierung, -verlagerung und -ausbreitung auf Brennstofftypen auszuweiten, die bisher weder im Rahmen von SCIP noch anderswo untersucht wurden. Die Daten werden Schätzungen zur Brennstoffausbreitung bei LOCA-Sicherheitsbewertungen durch Energieversorger und Aufsichtsbehörden unterstützen sowie zur Verfeinerung und Erweiterung von Brennstofffragmentierungsmodellen beitragen, die in Brennstoffleistungs- und Transienten-Simulationsprogramme integriert werden sollen.

Teilaufgabe 2.3 – Getrennte Wirkungstests:

Tests im Rahmen von SCIP haben gezeigt, dass bei Brennstoffen, die zur Fein­fragmentierung neigen, sowohl die Temperaturanstiegsrate als auch die Stärke des Druckabfallvorgangs beim Bersten kritische Parameter sein können. Die Möglichkeiten zur Steuerung der Temperaturanstiegsraten waren bei SCIP eher begrenzt. Daher wird vorgeschlagen, einen neuen Ofen zu bauen, um die Temperaturanstiegsrate bei Versuchen ähnlicher Größenordnung wie bei der bestehenden Erhitzungsversuchsanlage (bei denen Material im Umfang weniger Pellets getestet wird) besser steuern zu können. Die Anlage wird mit einer neuen Druckentlastungsvorrichtung kompatibel sein, die das Berstenereignis mit hoher Präzision simulieren kann, einschließlich einer Expansionskammer zum Auffangen und Sammeln der herausgeschleuderten Brennstofffragmente für weitere Untersuchungen.

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 das Brechen von Brennstoffkorngrenzen oder die Diffusion und Vernetzung von Spaltgasblasen. Das Verständnis des vorübergehenden Verhaltens von Spaltgas ist wichtig, um Faktoren wie den Anstieg des Innendrucks im Brennstab sowie die Sicherheitsmargen bis zum Hüllenbruch und zum Verlust der Brennstabintegrität zu bestimmen. Die Kenntnis der vorübergehenden Freisetzung von Spaltgasen ermöglicht zudem eine genauere Bestimmung des Quellterms in einem Unfallszenario. Um die Auswirkungen der vorübergehenden Freisetzung von Spaltgas auf den lokalen Druck sowie auf das Aufblähen und den Berstvorgang angemessen bewerten zu können, ist es wichtig, die axiale Gasverbindung innerhalb des Brennstabs zu kennen. Als Fortsetzung einer begrenzten Anzahl von Versuchen, die im Rahmen von SCIP durchgeführt wurden, wird vorgeschlagen, eine parametrische Untersuchung der axialen Gasverbindung in Abhängigkeit von Abbrand und Temperatur durchzuführen. Die Ergebnisse werden zur Verbesserung der Brennstoffleistungs-Codemodelle für die Gasverbindung unter transienten Bedingungen beitragen.

Teilaufgabe 2.5 – LOCA im Lagerbecken für abgebrannte Brennelemente:

Ein Kühlmittelverlust in einem Lagerbecken für abgebrannte Brennelemente, der mit einer Hochtemperaturoxidation der Hüllrohre in einem Luft-Dampf-Gemisch sowie mit transienten Vorgängen einhergeht, die zu einer Aufblähung und zum Bersten der Brennstäbe führen, kann schwerwiegende Folgen haben. Im Rahmen von SCIP wurden lediglich zwei LOCA-Versuche unter simulierten Lagerbeckenbedingungen durchgeführt. Zudem war der Umfang der Nachuntersuchungen eher begrenzt. Daher werden im Rahmen dieser Teilaufgabe zusätzliche LOCA-Versuche im Lagerbecken für abgebrannte Brennelemente durchgeführt, die ein breiteres Spektrum potenzieller Bedingungen abdecken. Der Umfang der Nachuntersuchungen wird erweitert, um zusätzliche Daten zur Bestimmung des Spaltprodukt-Quellterms für diese Art von Ereignissen zu gewinnen.

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

Die Teilaufgabe 2.6 entstand im Rahmen von SCIP , zum einen aufgrund einiger Schwierigkeiten beim Zugang zu Material mit dem für die Teilaufgabe 2.2 relevanten Abbrandgrad und Typ und zum anderen, um dem Interesse der Mitglieder an einer weiteren Untersuchung einiger Fragen im Zusammenhang mit LOCA-Ereignissen bei Standardbrennstoff Rechnung zu tragen. In dieser Teilaufgabe werden die Abbrandsschwelle für die FFRD bei Standardbrennstoff sowie die Auswirkungen einer niedrigeren Spitzenhüllrohrtemperatur und eines geringeren Plenumvolumens auf die FFRD näher untersucht. Die im Rahmen dieser Teilaufgabe durchgeführten Arbeiten zielen darauf ab, die Datenbank zu erweitern und das Verständnis der FFRD bei Standardbrennstoff mithilfe von integralen LOCA-Versuchen und Erwärmungsversuchen zu verbessern.

Aufgabe 3: PCI

Teilaufgabe 3.2 – Mikrostruktur und Mikrochemie:

Die Bedeutung chemisch aktiver Substanzen für die Spannungsrisskorrosion ist allgemein anerkannt, doch die Wirkungsweise dieser Substanzen, ihr Weg zum betroffenen Bereich und ihre Verteilung dort, ihre chemische und physikalische Form sowie viele weitere Aspekte sind noch nicht vollständig geklärt. Die Zusammenarbeit im Rahmen von SCIP mit der Universität Manchester führte zu vielversprechenden Ergebnissen. Im Rahmen dieser Teilaufgabe werden die Mikrostruktur und die Mikrochemie im Inneren von Rissen sowie an der Rissspitze bestrahlter Hüllrohrproben, an denen Spannungsrisskorrosion aufgetreten ist, mithilfe modernster Verfahren in Zusammenarbeit mit externen Partnern untersucht.

Aufgabe 4: Modellierung

Diese Aufgabe zielt darauf ab, SCIP durch Modellberechnungen vor und nach Tests und Experimenten unter Verwendung verschiedener Codes und Modelle zu unterstützen. Konkret bestehen die Ziele darin, Beiträge zur Gestaltung von Testmatrizen und zur Auswahl von Testparametern zu leisten, die Auswertung und Interpretation der Versuchsergebnisse zu verbessern, die Grundlage für die Validierung bestehender Modelle zu erweitern sowie Modellverbesserungen und den dafür erforderlichen Datenbedarf zu ermitteln.