Teknisk beskrivning SCIP

De viktigaste områdena inom SCIP behandlas i fyra deluppgifter.

Uppgift 1 fokuserar på bränsle under slutförvaringsförhållanden. Krypning och hydridomorientering under torra lagringsförhållanden, bränsle vid transport- eller hanteringsolyckor samt behandling av defekt bränsle undersöks.

I uppgift 2 studeras LOCA-frågor, särskilt bränslefragmentering, omlokalisering och utsläpp. Särskild fokus ligger på icke-standardbränsle, tryck och mikrostruktur före övergången. LOCA-övergångar i bassängen för använt bränsle undersöks också.

I uppgift 3 studeras mikrostrukturen och mikrokemi som påverkar PCI-sprickbildning med hjälp av avancerad mikroskopi.

I uppgift 4 ger deltagarna stöd till modellering av experimentplaneringen och dataanalysen, vilket kommer att stimulera förståelsen för de mekanismer som är viktiga för bränslets prestanda under övergångsfaser.

Uppgift 1: Backend

Deluppgift 1.1 – Krypning och hydridomorientering av bränslestavar under simulerade torrförvaringsförhållanden:

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 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 som är sårbara för sprickbildning och sprickutbredning under långvarig torrlagring. Möjliga effekter på grund av bindningen mellan bränsle och hölje i bränslestavar med hög förbränningsgrad kommer att undersökas. Krypeegenskaperna hos stavsegment med bränsle inuti kommer att jämföras med egenskaperna hos avbränslad mantel. Potentiell hydridomorientering kommer att bedömas och mantelns mekaniska egenskaper före och efter krypningstest kommer att bestämmas.

Deluppgift 1.2 – Omorientering av hydrid:

Under hantering i slutet av processen och torrlagring kommer temperaturen i bränslekapslarna att vara tillräckligt hög för att hydridutfällningar ska lösas upp till fast lösning igen. När temperaturen senare sjunker kommer väte att fällas ut igen. Om kapslarna utsätts för tillräckligt hög ringformig spänning kommer de utfällda hydriderna att orienteras i radiell riktning, vilket påverkar övergången från duktilitet till sprödhet hos det aktuella kapselmaterialet. Villkoren och mekanismen för hydridomorientering i bestrålat höljesmaterial kommer att fastställas för att kunna förutsäga både hydridomorienteringen och materialets övergång från duktil till spröd, baserat på förståelsen av dessa parametrar.

Deluppgift 1.3 – Använda bränslestavar vid transport och hantering samt i olycksscenarier:

Oberoende av backend-konceptet hanteras bränsleelementen, lastas i transportbehållare och lossas eller lagras i torrlagringsbehållare när de tas bort från anläggningens bassäng för använt bränsle. Ett mycket stort antal transporter har genomförts framgångsrikt över hela världen. Endast vid särskilda transportförhållanden eller olyckssituationer finns det ett stort behov av att verifiera det använda bränslets beteende och lämplighet för vidare lagring. Denna deluppgift kommer att koncentreras på tre områden av intresse. Syftet är att generera värdefulla experimentella data om den mekaniska responsen hos bestrålade bränslestavar under transportolycksförhållanden. Uppgifterna kommer att stödja analytiska modeller för reglerande olycksutvärdering. Dessutom kommer de också att vara användbara för seismiska och vibrationsutvärderingar. För att stödja analysen av behållarens inneslutningsförmåga och definitionen av källtermer för olycksscenarier kommer de partiklar som kan frigöras från bränslestavar med hög förbränningsgrad på grund av kollisioner att karakteriseras. Slutligen kommer styrkan hos svaga eller lätt skadade bränslestavar under transport och hantering att undersökas. Syftet är att verifiera att svaga eller lätt skadade stavar inte försämrar eller äventyrar behållarens säkerhetsfunktioner under transport och lagring.

Deluppgift 1.4 – Felaktigt bränsle:

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 ha 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 denna deluppgift kommer experimentella data om säker inkapsling och lagring av defekta bränslestavar att genereras med hjälp av etablerade karakteriseringsmetoder och bedömning av restvatten.

Uppgift 2: LOCA

Deluppgift 2.1 – Mikrostruktur relaterad till bränslefragmentering:

Förekomsten av en utbränningströskel för bränslefragmentering i LOCA-scenarier har varit en central fråga i flera studier och forskningsinsatser. Allteftersom de experimentella beläggen blir fler tycks det som om hög utbränning endast är en av flera faktorer som avgör bränslets benägenhet att fragmenteras. Flera hypoteser har lagts fram för att förklara detta beteende, till exempel effekter av effektförloppet som inducerar restspänningar i bränslepelleten, eller omfördelning av fissionsgasbeståndet till slutna korngränsnätverk eller bubbelpopulationer som försvagar bränslets integritet vid en LOCA-händelse. Nya resultat från SCIP har identifierat några potentiellt mycket viktiga effekter relaterade till utvecklingen av bränslets mikrostruktur under driften. För att ytterligare studera effekterna av dessa fenomen föreslås att man fortsätter de avancerade mikroskopiundersökningar som utfördes inom SCIP på bränslen med hög utbränning som fragmenteras i stor utsträckning under LOCA-liknande förhållanden, samt att man studerar bränsle med hög utbränning som verkar vara motståndskraftigt mot finfragmentering.

Deluppgift 2.2 – Bränslefragmentering, omlokalisering och spridning i icke-standardbränsle:

I SCIP inriktades undersökningarna på egenskaperna hos ”standardbränsle”, dvs. UO₂-bränsle med relativt små korn, medan användningen av grovkornigt bränsle med dopämnen eller tillsatser har blivit allt vanligare. Dessutom kan mikrostrukturen hos icke-standardbränsle komma att utvecklas på ett annat sätt under reaktordriften jämfört med standardbränsle. Arbetet som ska utföras inom ramen för denna deluppgift syftar till att utvidga databasen och förståelsen för bränslefragmentering, omlokalisering och spridning till bränsletyper som ännu inte har undersökts inom SCIP eller någon annanstans. Uppgifterna kommer att ligga till grund för uppskattningar av bränslespridning i LOCA-säkerhetsbedömningar som genomförs av kraftbolag och tillsynsmyndigheter, samt för förfining och utvidgning av bränslefragmenteringsmodeller som ska införlivas i koder för bränsleprestanda och transienta förhållanden.

Deluppgift 2.3 – Separata effekttester:

Tester inom SCIP har visat att för bränslen som är känsliga för finfragmentering kan både temperaturstigningshastigheten och storleken på tryckavlastningen vid sprängning utgöra kritiska parametrar. Möjligheten att reglera temperaturstigningshastigheterna var ganska begränsad i SCIP uppvärmningstester. Därför föreslås att en ny ugn byggs för att bättre kunna kontrollera temperaturstigningshastigheten i tester av liknande storlek som den befintliga uppvärmningsanläggningen (där man testar material motsvarande några pellets). Utrustningen kommer att göras kompatibel med en ny tryckavlastningsrigg som kan simulera spränghändelsen med hög kontrollnivå, inklusive en expansionskammare för att fånga upp och samla in de utkastade bränslefragmenten för vidare studier.

Deluppgift 2.4 – Tillfällig utsläpp av fissionsgas och axiell gaskommunikation:

Vid en kylvätskeförlustolycka kan snabba och stora temperaturförändringar orsaka tillfällig utsläpp av fissionsgas från bränslet, genom mekanismer såsom sprickbildning vid bränslekornens gränser eller diffusion och sammanfogning av fissionsgasbubblor. Förståelse för det tillfälliga beteendet hos fissionsgasen är viktigt för att kunna fastställa faktorer såsom ökning av det inre trycket i bränslestavarna samt marginalerna för höljesbrott och förlust av bränslestavarnas integritet. Kunskap om den tillfälliga utsläppet av fissionsgas möjliggör också en mer exakt bestämning av källtermen i ett olycksscenario. För att på ett korrekt sätt kunna bedöma effekterna av övergående utsläpp av fissionsgas på lokalt tryck samt uppblåsning och sprängning är det viktigt att känna till den axiella gaskommunikationen inuti bränslestaven. Som en fortsättning på ett begränsat antal tester som utförts inom SCIP föreslås att en parametrisk studie av den axiella gaskommunikationen i förhållande till utbränning och temperatur genomförs. Resultaten kommer att bidra till att förbättra kodmodellerna för bränsleprestanda avseende gaskommunikation under övergående förhållanden.

Deluppgift 2.5 – LOCA i bassängen för använt bränsle:

Förlust av kylmedel i en bassäng för använt bränsle, med högtemperaturoxidation av höljet i en luft-ångblandning samt transienta förlopp som leder till uppblåsning och sprängning av bränslestavar, kan få allvarliga konsekvenser. Inom SCIP har endast två LOCA-tester under simulerade förhållanden i en bassäng för använt bränsle genomförts. Dessutom var omfattningen av undersökningarna efter testerna ganska begränsad. Därför kommer ytterligare LOCA-tester i bassänger för använt bränsle, som täcker ett bredare spektrum av potentiella förhållanden, att genomföras inom denna deluppgift. Omfattningen av undersökningarna efter testerna kommer att utvidgas, vilket ger ytterligare data för att definiera källtermen för fissionsprodukter vid denna typ av händelser.

Deluppgift 2.6 – Bränslefragmentering, omlokalisering och spridning i standardbränsle:

Deluppgift 2.6 inrättades under SCIP , dels på grund av vissa svårigheter att få tillgång till material med relevant utbränningsgrad och typ för deluppgift 2.2, dels för att tillgodose medlemmarnas intresse av att ytterligare undersöka vissa frågor relaterade till LOCA-händelser i standardbränsle. I denna deluppgift undersöks utbränningströskeln för FFRD i standardbränsle närmare, liksom effekten av en lägre topptemperatur i höljet och en mindre plenumvolym på FFRD. Arbetet inom denna deluppgift syftar till att utöka databasen och förbättra förståelsen av FFRD i standardbränsle med hjälp av integrerade LOCA-tester och uppvärmningstester.

Uppgift 3: PCI

Deluppgift 3.2 – Mikrostruktur och mikrokemi:

Betydelsen av kemiskt aktiva ämnen för spänningskorrosionssprickbildning är välkänd, men hur dessa ämnen verkar, hur de tar sig till och fördelar sig på den aktuella platsen, deras kemiska och fysiska form samt många andra aspekter är fortfarande inte helt klarlagda. SCIP -samarbetet med University of Manchester ledde till lovande resultat. Inom denna deluppgift kommer mikrostrukturen och mikrokemin inuti sprickor och vid sprickspetsen hos bestrålade mantelprover som har utsatts för spänningskorrosionssprickbildning att undersökas med hjälp av avancerade tekniker i samarbete med externa partners.

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.