Teknisk beskrivning SCIP V

De viktigaste områdena inom SCIP V omfattas av fyra uppgifter.

Uppgift 1 är inriktad på bränsle under slutförvaringsförhållanden och syftar till att studera bränsle- och klädselprestanda i samband med mellanlagring. Bränslekrypning, hydridutfällning och omorientering, klädselglödgning vid långvarig torrlagring och behandling av defekt bränsle är de områden som undersöks.

I uppgift 2 studeras frågor som rör olyckor med kylvätskeförlust (LOCA). Syftet är att studera bränsle- och kapselbeteende i LOCA-scenarier, med fokus på både standardbränsle och icke-standardbränsle, transient fissionsgasutsläpp, axiell gaskommunikation samt mikrostruktur och mikrokemiska processer relaterade till bränslefragmentering.

Uppgift 1 och uppgift 2 utgör en fortsättning och utvidgning av det arbete som utförts inom SCIP IV avseende back-end- och LOCA-frågor.

Uppgift 3, olyckssäker bränsle (ATF), är ett nytt område för SCIP och efterfrågades av flera medlemmar. Huvudfokus ligger på ATF-klädselns respons på mekaniska tester och LOCA-typtester av ballongbildning och sprängning.

I uppgift 4 ger deltagarna stöd till experimentplaneringen och dataanalysen genom modellering, vilket kommer att stimulera förståelsen för viktiga mekanismer relaterade till bränsleprestanda och torrlagring.

Uppgift 1: Backend

Deluppgift 1.1 – Bränslekrypning

Medan många kryp- och hydridomorienteringstester av obestrålad klädsel har utförts, finns det knappt några data tillgängliga om de termiska krypeegenskaperna hos bestrålade bränslestavar med bränslepellets inuti. I SCIP IV utvecklades en ny testanordning för att utföra kryptester med pellets inuti, och en första testserie genomfördes. I bränslestavar med hög förbränning kan bindningen mellan bränsle och klädsel begränsa klädselns krypning. Förutom effekterna på krypningsbeteendet kan bindningen också påverka hydridomorienteringsbeteendet i höljet, vilket leder till lokala spänningskoncentrationer som gynnar lokal hydridomorientering och skapar potentiella punkter för sprickbildning och sprickutbredning under långvarig torrlagring. Möjliga effekter på grund av bindningen mellan bränsle och hölje i bränslestavar med hög förbränning kommer att undersökas. Krypningsegenskaperna hos stavsegment med bränsle inuti kommer att jämföras med egenskaperna hos urbrända höljen. Testmaterial och testförhållanden väljs för att utvidga och komplettera resultaten från SCIP IV.

Deluppgift 1.2 – Hydridutfällning

Under hantering i slutet av processen och torrlagring kommer bränslekapslingens temperatur att vara tillräckligt hög för att hydriderna ska lösas upp till en fast lösning igen. När temperaturen senare sjunker kommer vätet att fällas ut igen. Om kapslingen utsätts för tillräckligt hög ringformig spänning kommer de utfällda hydriderna att orienteras i radiell riktning, vilket påverkar övergången från duktil till spröd hos det aktuella kapslingsmaterialet. Nuvarande modeller för hydridutfällning i zirkoniumlegeringar baseras normalt på den klassiska uppfattningen att det finns separata terminala fasta löslighetslinjer för utfällning (TSSP) och upplösning (TSSD). Nya experimentella data som erhållits med olika temperatur-tid-profiler och nya metoder väcker frågor om den klassiska beskrivningen. Resultaten från det senaste decenniet visar att redan existerande hydrider och kylningshastigheter påverkar den nödvändiga underkylningen (övermättnad) för hydridkärnbildning. Syftet med denna deluppgift är att studera effekten av redan existerande hydrider, bestrålning och kylningshastigheter på de fasta löslighetslinjerna för hydridupplösning och -utfällning. Den metod som ska tillämpas är in situ-differentialskanningkalorimetri med hjälp av utrustning för samtidig termisk analys (STA), en testteknik som nyligen installerats i hetcellslaboratoriet i Studsvik.

Deluppgift 1.3 – Omorientering av hydrider

Ett huvudproblem när det gäller klädselns integritet under mellanlagring är bildandet av radiella hydrider under kylning under inre tryck. Parametriska studier under många år har genererat betydande mängder data om hydridomorientering i de flesta traditionella LWR-klädseltyper. Det finns fortfarande vissa områden där ytterligare data behövs för att fullt ut förstå mekanismen för hydridomorientering och effekten av radiella hydrider på duktiliteten. Sådana områden omfattar omorientering vid mycket långsamma kylningshastigheter, hydridomorientering i bestrålat klädselmaterial med lågt väteinnehåll, kunskap om vilka parametrar som påverkar övergången från duktilitet till sprödhet och mikrostrukturen hos omorienterade hydrider. För att studera dessa områden föreslås omorienteringstester av trycksatta bestrålade klädselrör med kontrollerat tryck och kontrollerade kylningshastigheter. Fokus kommer att ligga på kylningshastighetens inverkan. Testproverna kommer att studeras med hjälp av mikroskopi och ringkompressionstester.

Deluppgift 1.4 – Glödgning av mantel vid långvarig torrlagring

När bränslet har avslutat sin tjänstgöring i reaktorn och kylts ned i bassängen utsätts bränslekapslingen för inre tryck från fyllningsgas och frigjorda fissionsgaser. Det bestrålade kapslingsmaterialet kännetecknas av hög hållfasthet och låg duktilitet jämfört med icke bestrålat material. Under transport och/eller i början av torrlagringen kan det inre trycket öka på grund av en temperaturhöjning till följd av bränsleförfallvärme. Om temperaturökningen är betydande kan materialet glödgas, vilket minskar strålningshärdningen. För bestrålade material kan återhämtning av strålningshärdningen (eller ”mjukning” av materialet) inträffa om krypning sker vid tillräckligt höga temperaturer, där glödgning av strålningsskador kan inträffa. En sådan situation har observerats leda till relativt tidig krypningsacceleration (med ökande krypningshastighet). Syftet med denna deluppgift är att studera de förhållanden som kan leda till krypningsacceleration under torrlagring och den duktilitetsförändring som följer med detta, samt att bestämma krypningshastigheten som en funktion av glödgningsparametern för en given temperatur och spänning. Detta planeras att utföras på bestrålade klädselrör i två steg. Först glödgas provet vid en relativt hög temperatur utan inre tryck till önskad glödgningsnivå. I ett andra steg trycksätts provet och krypningstest utförs vid en typisk temperatur och spänning i samma testutrustning. Den sekundära krypningshastigheten kan sedan bestämmas som en funktion av ringformad spänning, temperatur och glödgningsnivå.

Deluppgift 1.5 – Bränslefel

I de flesta länder har ännu inga standardförfaranden fastställts för hantering av defekt bränsle för mellanlagring och slutförvaring. För en säker långsiktig stabilisering av defekt bränsle måste den radiologiska inneslutningen återställas och geometrin och miljön måste kontrolleras och vara stabil. Det finns olika koncept för att inkapsla skadade och defekta bränslestavar, antingen genom inneslutning i bassängen eller genom konditionering och inkapsling i en het cell. I detta sammanhang är torkning av defekt bränsle avgörande för att undvika gasbildning genom radiolys av kvarvarande vatten och fukt. Förekomsten av syre och vätgas kan få oönskade konsekvenser, såsom oxidation av bränslet, hydrering av höljet, korrosion och tryckuppbyggnad. Medan standarder har fastställts för torkning av intakt använt bränsle i torrförvaringsbehållare, kan dessa standardiserade torkningsförfaranden för defekt bränsle vara otillräckliga för att garantera den fuktnivå som krävs för inkapsling. Därför måste testmetoder för att mäta fuktinnehållet utvecklas och valideras för att bevisa att kriterierna för fuktinnehåll kan uppfyllas. Dessutom måste tillgängliga torkningsprocedurer utvärderas för defekt bränsle och eventuellt optimeras. Inom SCIP IV torkades delar av intakt och skadat använt bränsle i en varmcell med hjälp av en specialtillverkad anläggning för vakuumtorkning. Testerna utfördes på fem olika stavar, med både BWR- och PWR-segment med varierande förbränningsnivåer. Testerna utfördes vid rumstemperatur och vid förhöjda temperaturer. Inom denna deluppgift kommer ytterligare experimentella data om säker inkapsling och lagring av defekta bränslestavar att genereras, vilket utökar resultaten från SCIP IV. Dessutom kommer avancerad karakterisering av defekt bränsle att utföras för att förbättra bestämningen av restvattenhalten, identifiera sekundära faser nära defektpositioner och karakterisera mikrostrukturen hos defekt bränsle.

Uppgift 2: LOCA

Deluppgift 2.1 – Bränslefragmentering, omlokalisering och spridning av standardbränsle

I tidigare SCIP-faser genomfördes undersökningar av bränslefragmentering, omlokalisering och spridning (FFRD) för att förstå prestandan hos ”standardbränsle”. Ett stort antal uppvärmningstester och många LOCA-tester visade att graden av FFRD inte bara beror på förbränningen. Många faktorer påverkar FFRD under en LOCA. Viktiga parametrar är bland annat plenumstorlek och gastryck, temperaturstigningshastighet, höljespåning och storleken på sprängöppningen. Övergående fissionsgasutsläpp kan också påverka höljespåningen under en LOCA-övergång. Vissa områden som kräver ytterligare undersökningar identifierades under SCIP IV, samt i ett nyligen publicerat forskningsinformationsbrev från U.S.NRC och i en vitbok från EPRI. Mängden tillgänglig gas i plenumet påverkar fragmenteringen. Temperaturökningen kan påverka både mängden fin fragmentering och den övergående fissionsgasutsläppet. Plenumtemperaturen kan också påverka FFRD. I tester utanför reaktorn värms inte gasen i plenumet upp. Efter sprängningen strömmar denna gas genom den heta bränslekolonnen och värms upp. Slutligen är antalet tester med provutbränning under eller nära utbränningströskelområdet fortfarande begränsat. Arbetet som ska utföras inom denna deluppgift syftar till att utöka databasen och förbättra förståelsen för FFRD i standardbränsle med hjälp av integrerade LOCA-tester och uppvärmningstester.

Deluppgift 2.2 – Bränslefragmentering, omlokalisering och spridning av icke-standardbränsle

I tidigare SCIP-program utfördes undersökningar av FFRD huvudsakligen för att studera prestandan hos ”standardbränsle”, dvs. UO2-bränsle med en kornstorlek i storleksordningen 10–15 μm. I SCIP IV utvidgades fokus till icke-standardbränsletyper (t.ex. dopat bränsle, Gd-bränsle, MOX-bränsle). Mer data behövs för att förstå fragmenteringsbeteendet hos dessa bränsletyper. Man har observerat att ökad förbränning i sig inte är orsaken till fin fragmentering. Istället är det mikrostrukturella förändringar i bränslet eller andra faktorer som avgör om bränslet är känsligt för fin fragmentering eller inte. Tillsatser och andra förändringar som görs i standard-UO2 kan alltså förändra bränslets utveckling under bestrålning och därmed också fragmenteringsbeteendet. Arbetet som ska utföras inom denna deluppgift syftar till att utöka databasen och förbättra förståelsen av FFRD i bränsletyper som ännu inte har undersökts inom SCIP III och IV eller på annat håll. De testmetoder som används kommer att vara desamma som för standardbränsle.

Deluppgift 2.3 – Tillfällig fissiongasutsläpp och axiell gaskommunikation

Under en LOCA-händelse kan snabba och stora temperaturförändringar orsaka tillfällig frigöring av fissionsgas från bränslet genom mekanismer såsom sprickbildning i bränslekornens gränser eller diffusion och sammankoppling av fissionsgasbubblor. Förståelse för det tillfälliga beteendet hos fissionsgas är viktigt för att fastställa faktorer såsom ökning av stångens inre tryck och marginaler för mantelbrott och förlust av stångens integritet. Kunskap om den tillfälliga frigöringen av fissionsgas möjliggör också en mer exakt bestämning av källtermen i ett olycksscenario. Studier av tillfällig frigöring av fissionsgas kommer att genomföras inom denna deluppgift. För att korrekt kunna bedöma effekterna av tillfällig frigöring av fissionsgas på lokalt tryck, uppblåsning och sprängning är det viktigt att känna till den axiella gaskommunikationen inuti bränslestaven. I SCIP IV genomfördes en testserie för att mäta axiell gaskommunikation mot förbränning och temperatur. SCIP V syftar till att fortsätta detta arbete genom att lägga till mer data som kompletterar de befintliga testerna. Resultaten kommer att stödja förbättringen av bränsleprestandakodmodeller för gaskommunikation under övergående förhållanden.

Deluppgift 2.4 – Mikrostruktur relaterad till bränslefragmentering

Resultaten från tidigare SCIP-faser har identifierat den potentiellt viktiga effekten av mikrostrukturell omvandling som leder till bildandet av underkorn även i bränslepellets inre del. Underkornstrukturen verkar påverka fragmenteringen och var fokus för de avancerade mikroskopistudierna i SCIP IV. Merparten av karakteriseringen i SCIP IV utfördes på prover som inte hade genomgått transienta tester. I SCIP V kommer liknande studier att genomföras, inklusive fler mikroskopistudier på transienttestade standardbränsleprover. Kornbegränsningsporositeten har visat sig utvecklas olika i additivbränslen. Eftersom tidigare studier av bränslefragmentering har visat att bildandet av underkorn och fissionsgasinnehållet på kornbegränsningarna är viktiga drivkrafter för bränslefragmentering, är det möjligt att bränsle med additiv kommer att bete sig annorlunda än standardbränsle. Av denna anledning planeras det att komplettera makroskopiska LOCA- och uppvärmningstester på dessa bränsletyper med detaljerade mikroskopiska studier. Av denna anledning kommer mikrostrukturen hos icke-standardbränsle att studeras före och efter LOCA-transienter och jämföras med resultaten från standardbränsle. Studierna kommer att genomföras med hjälp av svepelektronmikroskopi (SEM) tillsammans med elektronbakspridningsdiffraktion (EBSD) och våglängdsdispersiv röntgenspektroskopi (WDS) för att undersöka lokala förändringar i mikrostruktur och kemisk sammansättning. Laserablation i kombination med induktivt kopplad plasmamasspektrometri (ICP-MS) kommer att användas för att bestämma fissionsgasinnehållet före och efter testerna.

Uppgift 3: Olyckssäker bränsle

Deluppgift 3.1 – Mekaniska egenskaper hos ATF-beklädnad

Hittills har testningen av nya beläggningar fokuserat på beläggningens vidhäftning, friktionsbeteende och upplösning. Det finns mindre data om de mekaniska egenskaperna, särskilt för bestrålad klädsel. En fråga som behöver behandlas är bestrålningens inverkan på beläggningen, såsom bestrålningshärdning, sprickbildning eller lokal delaminering, antingen som en direkt effekt av bestrålningen eller indirekt som en effekt av mekanisk interaktion mellan pellet och klädsel (PCMI). Syftet med denna deluppgift är att testa de mekaniska egenskaperna hos beläggningen och klädseln i bestrålad belagd ATF-klädsel. Kapslingens integritet och beläggningens skick kommer att studeras med hjälp av mikroskopi. Därefter kommer olika typer av mekaniska tester och undersökningar efter testerna att genomföras. De mekaniska testerna kommer att utföras med hjälp av befintliga testmetoder för bestrålad kapsel. De testade proverna kommer att karakteriseras med hjälp av detaljerad mikroskopi. Fokus kommer att ligga på beläggningens inverkan på kapselns mekaniska egenskaper och på hur beläggningen och dess sammanhållning påverkas av testerna.

Deluppgift 3.2 – ATF-ballongflygning och sprängning

Olycksbeständiga bränslekoncept såsom Cr-belagd Zr-baserad legering eller FeCrAl-klädsel har utformats för att förbättra prestandan vid normal drift och ge ökad hanteringstid vid designbaserade olyckor (DBA) och olyckor som överskrider DBA. Det är troligt att ballong- och sprängbeteendet påverkas jämfört med standardklädselmaterial. Om ballongen är mindre minskar risken för flödesblockering i reaktorn. Det skulle sannolikt också minska fragmenteringen och omlokaliseringen av bränsle inuti bränslestaven. En annan potentiell fördel skulle vara en liten sprängöppning. Därför innefattar denna deluppgift att undersöka ballong- och sprängegenskaperna hos ATF-klädseltyper, i jämförelse med standardklädselrör av Zr-baserad legering. Detta kommer att göras genom att utföra integrerade LOCA-tester för ballongbildning och sprängning.

Uppgift 4: Modellering

Denna uppgift syftar till att stödja SCIP V med modellberäkningar före och efter test av tester och experiment med hjälp av olika koder och modeller. Mer specifikt är målen att bidra till utformningen av testmatriser och valet av testparametrar, att förbättra utvärderingen och tolkningen av experimentella resultat, att utvidga grunden för valideringen av befintliga modeller och att identifiera modellförbättringar och databehov för sådana förbättringar.