Advanced technology fuel (ATC): Simulation und Analyse unfalltoleranter Brennelement-Konzepte mit AC²

Abstract

Der vorliegende Bericht ist der Fachbericht zum Arbeitspunkt „ATF – Simulation und Analyse unfalltoleranter Brennstoffe" im Forschungsvorhaben Analyse und externe Validierung der AC² Modellbasis (AVAMO). Das Vorhaben wird durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz (BMUV) unter dem Kennzeichen BMUV 1501629 gefördert und in der Arbeitsgruppe Plant Simulation and Safety der Ruhr-Universität Bochum bearbeitet. Ziel des Vorhabens ist die gezielte Analyse und Validierung des Programmpakets AC² und der darin enthaltenen Programmteile COCOSYS, ATHLET und ATHLET-CD zur Berechnung störfallrelevanter In- und Ex-Vessel-Phänomene. In diesem technischen Fachbericht werden fortschrittliche, potenziell unfalltolerante Hüllrohrkonzepte untersucht. Der Fokus liegt auf dem Verhalten von FeCrAl- und mit Cr-beschichteten Hüllrohren in einer Dampfatmosphäre und der Weiterentwicklung des Codes. Die Arbeiten umfassen eine umfangreiche Literaturrecherche zur Modellierung relevanter thermophysikalischer Eigenschaften der verwendeten Materialien. Aktuelle Modellansätze zur Berechnung der Oxidationsprozesse in AC² werden untersucht und aufgrund der bestehenden Defizite eine Modellentwicklung für ATF durchgeführt. Zur Validierung der ATF-Modellansätze wird ein Simulationsmodell der QUENCH-Anlage mit AC² erstellt und anhand experimenteller Daten aus vier ausgewählten Versuchen getestet: QUENCH-ATF-1, QUENCH-19 sowie deren Referenzversuche QUENCH-L3HT und QUENCH-15. Die Untersuchungen zeigen, dass die aktuelle AC²-Modellbasis Defizite bei der Simulation des Verhaltens der ATF-Konzepte aufweist. Für FeCrAl-Legierungen wird daher eine neue Korrelation in eine interne Testversion von AC² implementiert. Das neu entwickelte Oxidationsmodell für Cr-beschichtete Hüllrohre verwendet hingegen eine neu modellierte Korrelation und einen vereinfachten Ansatz zur Beschreibung des komplexen Schichtversagens. Die Simulationsergebnisse zeigen insgesamt eine gute Übereinstimmung mit den Messdaten, jedoch können lokale Effekte nur begrenzt wiedergegeben werden. Es wird festgestellt, dass hinsichtlich des Oxidations- und mechanischen Verhaltens der ATF-Konzepte unter Bedingungen jenseits des Normalbetriebs weiterer Forschungsbedarf besteht. Zukünftige Forschung könnte sich auf eine detailliertere Modellierung des Versagensprozesses der Cr-Beschichtung und des Oxidationsverhaltens oberhalb der eutektischen Temperatur konzentrieren. Hierbei können geplante experimentelle Untersuchungen im Rahmen des OECD NEA "QUENCH-ATF" Programms wertvolle Erkenntnisse liefern. Die Ergebnisse dieses Berichts tragen wesentlich zum Verständnis und zur Verbesserung von Sicherheitskonzepten bei und bilden eine Grundlage für weiterführende Arbeiten.