Strukturmechanische Forschungen zur Entstehung von Brennelementverformungen in DWR und deren Einfluss auf die Auslegungsreserven im Normalbetrieb und bei Störfällen

Abstract

Die im Rahmen dieses Vorhabens durchgeführten strukturmechanischen Forschungsarbeiten zur Entstehung von Brennelementverformungen in Druckwasserreaktoren und deren Einfluss auf die Auslegungsreserven im Normalbetrieb und bei Störfällen orientierten sich an den Empfehlungen der Reaktorsicherheitskommission vom 18.03.2015 /RSK 15/. Die wesentlichen Ergebnisse des Vorhabens sind: Eine Datenbasis zu aktuellen Brennelementen wurde erstellt. Sie enthält Informationen zur Betriebserfahrung, zu Schädigungsmechanismen, zu Konstruktionsmerkmalen, zu Merkmalen des mechanischen und strömungsmechanischen Verhaltens, zu Brennelement-Konzepten und deren Entwicklungsstand sowie zu Eigenschaften bewährter und einiger neuer Hüllrohrwerkstoffe. Das phänomenologische Verständnis und die Modellierung zur statischen BE-Verformung sind weit fortgeschritten. Das Verständnis des erhöhten Neutronenflussrauschens, welches möglicherweise von dynamischen Brennelementschwingungen ausgeht, erfordert weitere Forschungsaktivitäten. Hypothesen zu möglichen ursächlichen Phänomenen auf dem Gebiet der Fluid-Struktur-Interaktion wurden zusammengestellt. Zur Einschätzung des Einflusses der BE-Verformung auf Nachweise wurden die wesentlichen Nachweiskriterien bezüglich Festigkeit und Steuerstabeinfall zusammengestellt. Spannungsanalysen der GRS bestätigen im Wesentlichen die Rechnungen von Betreibern und entsprechenden Literaturstellen. Mögliche Kritikpunkte betreffen die Berücksichtigung atypischer Belastungen und Annahmen zum Ermüdungsnachweis. Numerische Simulationen zum Steuerstabeinfall zeigen den Einfluss von Biegungsform und -grad auf die Einfallzeit. Insgesamt hat das Vorhaben zur allgemeinen Weiterentwicklung des Wissenstandes zu BE-Verformungen beigetragen. Dabei wurde ein verbessertes Verständnis der Phänomene erzielt, um Ereignisse mit Verformungen von Brennelementen oder mit Schäden an Brennelementen und Kerneinbauten wissenschaftlich zu begründen und zu bewerten. The structure-mechanical research work on the formation of fuel rod deformations in pressurized-water reactors und their impact on the design safety margins during normal operation and in case of severe accidents, which was performed within the scope of this project, was based on the recommendations of the Reactor Safety Commission as of 18 March 2015 /RSK 15/. The essential results of the project are: A database for current fuel rods was built. It contains information on operational experience, mechanisms of damage, design features, features of the mechanical and fluid me chanical behavior, fuel rod concepts and their development status as well as on characteristics of proven and some new cladding tube materials. The phenomenological understanding and the modelling regarding the static fuel rod deformation are at an advanced stage. The understanding of the increased neutron flux noise, which is possibly caused by dynamic fuel rod vibrations, requires further research work. Hypotheses to possible causal phenomena in the field of the fluid-structure interaction were compiled. In order to estimate the impact of the fuel rod deformation on verifications the significant verification criteria were compiled concerning strength and control rod engagement. Stress analyses of GRS basically confirm the calculations of operators and relevant references. Possible criticisms relate to the consideration of atypical strains and assumptions as to the fatigue test. Numerical simulations of the control rod engagement show the impact of bending form and bending degree on the engagement time. Overall, the project has contributed to the general evolution of the knowledge relating to fuel rod deformations. In this context, a better understanding of the phenomena has been achieved in order to justify and evaluate incidents with deformations of fuel rods or with damages to fuel rods and nuclear components scientifically.