Teknisk beskrivning SCIP

De viktigaste områdena inom SCIP behandlas i fyra deluppgifter.

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 utfördes inom SCIP rörande frågor som gäller back-end och LOCA.

Uppgift 3, olyckstolerant bränsle (ATF), är ett nytt område för SCIP har efterfrågats av flera medlemmar. Huvudfokus ligger på hur ATF-klädseln reagerar vid mekaniska tester och LOCA-tester avseende uppblåsning 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

Även om många kryp- och hydridomorienteringsprov har utförts på obestrålad mantel, finns det knappt några data tillgängliga om de termiska krypegenskaperna hos bestrålade bränslestavar med bränslepellets inuti. Inom ramen för SCIP utvecklades en ny provanordning för att utföra krypprov med pellets inuti, och en första provserie genomfördes. I bränslestavar med hög utbränning kan bindningen mellan bränsle och mantel begränsa mantelns krypning utåt. Förutom effekterna på krypbeteendet kan bindningen även påverka hydridomorienteringen i höljet, vilket leder till lokala spänningskoncentrationer som gynnar lokal hydridomorientering och skapar potentiella ställen för sprickbildning och sprickutbredning vid långvarig torrlagring. Möjliga effekter till följd av bindningen mellan bränsle och hölje i bränslestavar med hög utbränning kommer att undersökas. Krypegenskaperna hos stavsegment med bränsle inuti kommer att jämföras med egenskaperna hos höljen utan bränsle. Testmaterial och testförhållanden väljs ut för att utvidga och komplettera resultaten från SCIP .

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 inför mellanlagring och slutförvaring. För en säker långsiktig stabilisering av defekt bränsle måste den radiologiska inneslutningen återställas, och geometrin och miljön måste vara kontrollerade och stabila. Det finns olika metoder för att inkapsla skadade och defekta bränslestavar, antingen genom inkapsling direkt i bassängen eller genom konditionering och inkapsling i en hetcell. 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 torrlagringsbehållare, 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 fuktinnehållet kan uppfyllas. Dessutom måste tillgängliga torkningsförfaranden utvärderas för skadat bränsle och eventuellt optimeras. Inom ramen för SCIP torkades sektioner av intakt och skadat använt bränsle i en hetcell med hjälp av en specialtillverkad anläggning för vakuumtorkning. Testerna utfördes på fem olika stavar, med både BWR- och PWR-segment med varierande utbränningsgrader. Testerna utfördes både vid rumstemperatur och vid förhöjda temperaturer. Inom ramen för denna deluppgift kommer ytterligare experimentella data om säker inkapsling och lagring av defekta bränslestavar att genereras, vilket utvidgar resultaten från SCIP . Dessutom kommer en avancerad karakterisering av defekt bränsle att genomföras för att förbättra bestämningen av restvattenhalten, identifiera sekundära faser nära defektställena och karakterisera mikrostrukturen hos det defekta bränslet.

Uppgift 2: LOCA

Deluppgift 2.1 – Bränslefragmentering, omlokalisering och spridning av standardbränsle

I tidigare SCIP genomfördes undersökningar av bränslefragmentering, omfördelning och spridning (FFRD) för att förstå hur ”standardbränsle” beter sig. Ett stort antal uppvärmningstester och många LOCA-tester visade att graden av FFRD inte enbart beror på utbränningen. Många faktorer påverkar FFRD under en LOCA. Viktiga parametrar är bland annat plenumets storlek och gastrycket, temperaturökningstakten, höljets töjning och storleken på sprängöppningen. Transient utsläpp av fissionsgas kan också påverka höljets töjning under en LOCA-transient. Vissa områden som kräver ytterligare undersökningar identifierades under SCIP , liksom i ett nyligen publicerat forskningsinformationsbrev från U.S.NRC och i en vitbok från EPRI. Mängden tillgänglig gas i plenumet påverkar fragmenteringen. Temperaturökningstakten kan påverka både mängden finfragmentering och den transienta utsläppet av fissionsgas. Temperaturen i plenumet kan också påverka FFRD. Vid 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 provbränning under eller nära tröskelvärdet för bränning fortfarande begränsat. Arbetet som ska utföras inom denna deluppgift syftar till att utöka databasen och förbättra förståelsen av FFRD i standardbränsle med hjälp av integrerade LOCA-tester och uppvärmningstester.

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

I tidigare SCIP genomfördes undersökningar av FFRD främst för att studera prestandan hos ”standardbränsle”, dvs. UO₂-bränsle med en kornstorlek vid tillverkning i storleksordningen 10–15 μm. I SCIP utvidgades fokus till icke-standardiserade bränsletyper (t.ex. dopat bränsle, Gd-bränsle, MOX-bränsle). Det behövs mer data för att förstå fragmenteringsbeteendet hos dessa bränsletyper. Man har observerat att ökad utbränning i sig inte är orsaken till finfragmentering. Istället är det mikrostrukturella förändringar i bränslet eller andra faktorer som avgör om bränslet är känsligt för finfragmentering eller inte. Således kan tillsatser och andra förändringar som görs i standard-UO₂ påverka bränslets utveckling under bestrålning och därmed även 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 och IV eller någon annanstans. 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 övergående utsläpp av fissionsgas från bränslet, genom mekanismer såsom sprickbildning vid bränslekornens gränser eller diffusion och sammankoppling av fissionsgasbubblor. Förståelsen av det övergående beteendet hos fissionsgasen är viktig för att kunna fastställa faktorer såsom ökningen av det inre trycket i bränslestaven samt marginalerna för höljesbristning och förlust av bränslestavens integritet. Kunskap om det övergående utsläppet av fissionsgas möjliggör också en mer exakt bestämning av källtermen i ett olycksscenario. Inom denna deluppgift kommer studier av tillfällig utsläpp av fissionsgas att genomföras. För att på ett korrekt sätt kunna bedöma effekterna av tillfällig utsläpp av fissionsgas på lokalt tryck samt uppblåsning och sprängning är det viktigt att känna till den axiella gaskommunikationen inuti bränslestaven. Inom SCIP genomfördes en testserie för att mäta den axiella gaskommunikationen i förhållande till utbränning och temperatur. SCIP syftar till att fortsätta detta arbete genom att tillföra ytterligare data som kompletterar de befintliga testerna. Resultaten kommer att bidra till att förbättra bränsleprestandakodmodellerna för gaskommunikation under transienta förhållanden.

Deluppgift 2.4 – Mikrostruktur relaterad till bränslefragmentering

Resultat från tidigare SCIP har visat på den potentiellt betydande effekten av mikrostrukturella omvandlingar som leder till bildandet av subkorn även i bränslepellets inre del. Subkornsstrukturen tycks påverka fragmenteringen och stod i fokus för de avancerade mikroskopistudierna inom SCIP . Merparten av karakteriseringen inom SCIP utfördes på prover som inte hade genomgått transientprovning. I SCIP kommer liknande studier att genomföras, inklusive fler mikroskopistudier på standardbränsleprover som genomgått transienttester. Det har visats att porositeten vid korngränserna utvecklas på olika sätt i bränslen med tillsatser. Eftersom tidigare studier av bränslefragmentering indikerade att bildandet av subkorn och halten av fissionsgas vid korngränserna är viktiga drivkrafter för bränslefragmentering, är det möjligt att bränsle med tillsatser kommer att uppföra sig annorlunda än standardbränsle. Av denna anledning planeras det att komplettera makroskopiska LOCA- och uppvärmningstester på dessa bränsletyper med detaljerade mikroskopiska studier. Därför 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 elektronbakåtspridningsdiffraktion (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 halten av fissionsgas före och efter försöken.

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 genom att utföra modelleringsberäkningar före och efter tester och experiment med hjälp av olika programkoder 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 bredda underlaget för validering av befintliga modeller samt att identifiera modellförbättringar och de databehov som krävs för sådana förbättringar.