(GRS 550) Einfluss von Brennelement-Verformungen auf die Leistungsverteilung im Reaktorkern

Autor: 
M. Zilly, A. Travleev, A. Aures, M. Behler, F. Bostelmann, Y. Périn, R. Kilger, J. Bousquet
Jahr: 
2019

Brennelementverformungen wirken sich u. a. auf die Reaktorphysik im Normalbetrieb aus, denn die Entstehung von vergrößerten Wasserspalten zwischen den Brennelementen führt zu einer Erhöhung der Neutronenmoderation und dadurch zu höheren Brennstableistungen. Im hier beschriebenen Vorhaben wurden die Auswirkungen der BE-Verformungen auf die Reaktorphysik in mehreren Schritten untersucht.

In einem ersten Schritt wurden mit Monte-Carlo-Neutronentransportrechnungen Minikern-Anordnungen untersucht. Bei der Minikernanordnung mit frischen UO2-/UO2-Gd-Brennelementen führt ein zusätzlicher Wasserspalt von 15mm in der äußersten Brennstabreihe zu einer Überhöhung von 33% bzw. bei der Minikernanordnung mit MOX-/UO2-Gd-Brennelementen zu einer Überhöhung von 73 %.

In einem zweiten Schritt wurde ein dreidimensionales Ganzkern-Modell mit dem nodalen Diffusionscode DYN3D modelliert. Zur mittels KMACS gesteuerten Erzeugung von Wirkungsquerschnitten mit NEWT/SCALE wurde ein Zusatzwasserspalt durch eine Erhöhung der Moderatordichte im Nominalspalt approximiert. Dieses Modell wurde gegen einem exakten Geometriemodell mit vergrößertem Spalt geprüft. Es wurden für Zusatzspaltweiten bis ca. 15mm zwischen beiden Modellen eine sehr gute Übereinstimmung beim Multiplikationsfaktor und bei der Stableistungsüberhöhung festgestellt. Ein generischer Vorkonvoi-Reaktorzyklus wurde mit einer Brennelementverformung von 15mm entlang der gesamten aktiven Höhe zwischen zwei BE simuliert. Die BE-Verformung hat keinen Einfluss auf die kritische Borkonzentration. Die am Zusatzwasserspalt benachbarten BE weisen einen Leistungsanstieg um bis zu 8 % auf.

Schließlich wurde dieses Kernmodell für den Ausfall einer Hauptkühlmittelpumpe mit dem gekoppelten Codesystem CTF/DYN3D simuliert. Es wurde festgestellt, dass das DNB-Verhältnis sich verringert, wenn ein vergrößerter Wasserspalt in DYN3D modelliert wird und die explizite thermo-hydraulische Modellierung des vergrößerten Wasserspalts in CTF den Wert des DNB-Verhältnisses durch verbesserte Kühlung erhöht. Wenn dagegen eine Stableistungsrekonstruktion mit DYN3D durchgeführt wird, werden unrealistisch hohe Brennstableistungen ermittelt, die ein Unterschreiten des kritischen DNB-Verhältnisses erzeugen. Um dieses Problem abzumildern, sollten künftig realistischere Verbiegungsszenarien simuliert und die thermo-hydraulischen Rückwirkungen auf die einzelnen Brennstableistungen näher untersucht werden.