Untersuchungen zu den Ursachen gemessener Neutronenfluss-Schwankungsmuster in Druckwasserreaktoren – NEUS

Abstract

In deutschen Druckwasserreaktoren und verwandten Anlagen in anderen Ländern wurden etwa ab dem Jahr 2000 Perioden zyklusübergreifende Änderungen der Magnituden der Neutronenfluss-Schwankungen verzeichnet, woraufhin etwa ab dem Jahr 2010 vermehrt Untersuchungen von Forschungsinstitutionen, Kraftwerksbetreibern und Kerntechnik-Herstellern zur Ursachenklärung angestellt wurden, wie unter anderem durch die deutsche Reaktor-Sicherheitskommission gefordert ([1, 2]). Zum Startzeitpunkt (01. März 2019) des dem vorliegenden Dokument zugrundeliegenden Projektes NEUS lag die Hypothese vor, dass synchronisierte Schwingungen großer Teile des Brennelemente-Kollektivs für die beobachteten dominanten Korrelationen der Neutronenfluss-Schwankungen und dass Variationen der Brennelemente-Parameter, die durch Design-Anpassungen bedingt sein können, die verzeichneten Änderungen der Schwankungsamplituden bedingen. Die Hauptziele des Projektes NEUS waren, weitere Beiträge zum Verständnis der aufgetretenen Änderungen der Neutronenfluss-Schwankungsamplituden zu leisten und insbesondere die genannte Hypothese der synchronisierten Brennelemente-Schwingungen mittels reaktorphysikalischer Simulationen sowie zusätzlicher Messdatenerfassung und -auswertung zu testen. Zu diesem Zweck fanden Literatur-Recherchen, Zusatzmessungen im Kraftwerk, Datenanalysen, dynamische Simulationen des Brennelemente-Verbandes, Erstellung von Wirkungsquerschnittsdaten-Bibliotheken und Berechnungen des Neutronentransports auf Reaktorkernebene mittels deterministischer und probabilistischer Methoden statt. Die durchgeführten Untersuchungen bestätigen, dass der Mechanismus synchronisierter Brennelemente-Schwingungen die beobachteten dominanten Neutronenfluss-Schwankungsmuster und auch die zyklus-übergreifende sowie zyklus-interne Änderung der Schwankungsamplituden erklären können. Die ausgehend von den Arbeiten für deutsche Druckwasserreaktoren in generischer Weise für den EPR erstellten Simulationen zeigen, dass auch bei diesem Reaktortyp die bekannten Neutronenfluss-Schwankungsphänomene auftreten könnten. Dennoch stehen sowohl für die bestehenden Anlagen deutscher Bauart als auch die des Typs EPR experimentelle Beweise der Hypothese aus. Datei-Upload durch TIB Since about the year 2000, German pressurized water reactors and reactors of the same type in other countries have exhibited periods of cycle-by-cycle changes of the neutron flux fluctuation magnitudes, which have led to intensified research activities to explain the phenomenon by research institutions, plant operators, and vendors of reactor parts approximately from the 2010 on, as demanded e. g. by the German Reactor Safety Commission ([1, 2]). As of the start (on March 1st, 2019) of the project NEUS, the hypothesis of synchronized vibrations of large parts of the fuel assembly ensemble was developed, being responsible for the measured dominant correlation of the neutron flux fluctuations and causing changes in the fluctuation magnitude with variations of the fuel assembly parameters following design changes. The main goals of the project NEUS were to further contribute to the understanding of the observed changes of the neutron flux fluctuation magnitudes and to test the mentioned hypothesis of synchronized fuel assembly vibrations via reactor physics simulations as well as via new data acquisition and data analyses. For this purpose, literature research, measurements in power plants, data analyses, dynamic simulations of the fuel assembly ensemble, the generation of cross section libraries, and calculations of the neutron transport via deterministic and probabilistic methods were conducted. The conducted investigation confirms that synchronized fuel assembly vibrations can explain the observed dominant neutron flux fluctuation patterns as well as cycle-by-cycle and inner-cycle changes of the fluctuation magnitude. Based on the work regarding German pressurized water reactors, simulations of the EPR were prepared in a generic manner, which show that also in this reactor type the known neutron flux fluctuation phenomena can occur. Nevertheless, for the existing plants of German type as well as for the EPR-type plants, experimental proofs of the hypothesis remain to be conducted in future research.