(GRS-808) Spannungsinduzierte Wasserstoffumlagerung in Brennstabhüllrohren während längerfristiger Zwischenlagerung (SPIZWURZ)

Zur Simulation des Verhaltens von Brennelementen in Transport- und Lagerbehältern unter Bedingungen der längerfristigen Zwischenlagerung wurden im Rahmen des SPIZWURZ-Verbundvorhabens vom KIT ein Brennstab-Bündelversuch und Einzeleffektversuche durchgeführt sowie von der GRS bestehende Rechencodes anhand der experimentellen Ergebnisse und eines internationalen Benchmarks qualifiziert und erprobt.

Die durchgeführten Einzeleffekt-Experimente liefern ein umfassendes Bild über die Wechselwirkungen zwischen Wasserstoffaufnahme, Mikrostruktur und mechanischem Verhalten von Zirkonium-Hüllrohren unter verschiedenen thermischen und mechanischen Bedingungen, relevant für die trockenen Zwischenlagerungsphasen. Neutronenradiographie und Trägergasheißextraktion ermöglichten eine detaillierte Charakterisierung der wasserstoffinduzierten Veränderungen im Material.

Im SPIZWURZ-Bündeltest wurden drei verschiedene Hüllrohrmaterialien mit jeweils zwei unterschiedlichen Wasserstoffkonzentrationen und zwei verschiedenen Stabinnendrücken verwendet. Zusammen mit den axialen und radialen Temperaturgradienten im Bündel liefert der Versuch eine Vielzahl an Materialzuständen. Im Rahmen der Nachuntersuchungen des SPIZWURZ-Bündels wurden starke Unterschiede im Kriechverhalten der untersuchten Hüllrohre und der Hydrid-Umorientierung festgestellt. Im experimentellen Aufbau wurde Verbesserungspotential identifiziert, das in künftigen Untersuchungen berücksichtigt werden soll.

In diesem Zusammenhang wurden Benchmark-Aktivitäten zum SPIZWURZ-Bündeltest initiiert, um die Modellierung des Kriechverhaltens und des Wasserstoffverhaltens in den bestehenden Fuel-Performance-Codes zu vergleichen. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die aktuell verfügbaren Modellierungsansätze eine solide Fähigkeit besitzen, das Kriechverhalten von unbestrahlten Zry-4 und DX D4-Hüllrohren unter Bedingungen, die für die Trockenlagerung relevant sind, ausreichend genau vorherzusagen. Die Ergebnisse zeigen jedoch deutlich, dass Kriechmodelle, welche für Zry-4 validiert wurden, nicht unmittelbar auf andere Hüllrohrmaterialien übertragbar sind. Die 
Simulationsansätze zum Wasserstoffverhalten liefern eine breite Spanne an Ergebnissen, die teils mit den experimentellen Trends übereinstimmen, aber gelegentlich auch erheblich abweichen. Insgesamt sind bei den entsprechenden Modellansätzen noch Verbesserungen erforderlich.