Störfallsimulationen und Nachbestrahlungsuntersuchungen an kugelförmigen Brennelementen für Hochtemperaturreaktoren

Freis, Daniel; Allelein, Hans-Josef

doi:3307

Störfallsimulationen und Nachbestrahlungsuntersuchungen an kugelförmigen Brennelementen für Hochtemperaturreaktoren = Accident simulations and post irradiation examinations on spherical fuel elements for high temperature reactors

Freis, Daniel

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Daniel Freis

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

Umfang194 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Zsfassung in dt. u. engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Allelein, Hans-Josef (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-03-01

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-33074
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/63102/files/3307.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Reaktorsicherheit und -technik (413110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Hochtemperaturreaktor (Genormte SW) ; Abgebranntes Brennelement (Genormte SW) ; Brennelement (Genormte SW) ; Heiße Zelle (Genormte SW) ; Spaltproduktfreisetzung (Genormte SW) ; Beschichtetes Teilchen (Genormte SW) ; Transurane (Genormte SW) ; Störfall (Genormte SW) ; Kühlfalle (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; HTR (frei) ; Kühlfinger Apparatur (frei) ; Institut für Transurane (frei) ; Nachbestrahlungsuntersuchung (frei) ; HTR-Brennelement (frei) ; high temperature reactor (frei) ; cold finger apparatus (frei) ; post irradiation examination (frei) ; fuel element (frei) ; fission product release (frei) ; coated particle (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Ein wesentlicher Aspekt der Sicherheit von Hochtemperaturreaktoren ist die Qualität des Brennstoffs und seine Fähigkeit auch bei hohen Temperaturen intakt zu bleiben und die Spaltprodukte sicher einzuschließen. Im Zusammenspiel mit einer geeigneten Reaktorauslegung kann so eine systeminhärente Sicherheit gegen große Spaltproduktfreisetzungen erreicht werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden experimentelle Störfallsimulationen an hoch abgebrannten, kugelförmigen Brennelementen für Hochtemperaturreaktoren mit TRISO-beschichteten Partikeln aus verschiedenen Bestrahlungsexperimenten durchgeführt und Spaltproduktfreisetzungen gemessen. Dazu wurde die Kühlfinger-Apparatur eingesetzt, eine Versuchsapparatur, deren Vorgängerapparatur schon in der Kernforschungsanlage Jülich, dem heutigen Forschungszentrum Jülich, zum Einsatz kam. Die neue Kühlfinger-Apparatur ist seit 2005 in den Heißen Zellen des Europäischen Instituts für Transurane Elemente installiert. Die Kühlfinger-Apparatur am Institut für Transurane ermöglichte Störfallsimulationen an bestrahlten Hochtemperaturreaktor-Brennelementen in einer Heliumatmosphäre, bei Umgebungsdruck, bei Temperaturen bis zu 1800°C und für Zeiträume von mehreren hundert Stunden. Dabei wurden sowohl die Freisetzung von Spaltgasen als auch die Freisetzung fester Spaltprodukte erfasst. Des Weiteren wurden im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit das mechanische Verhalten der Partikel und die Transportmechanismen der wichtigsten Spaltprodukte analysiert und die Freisetzungen nachgerechnet. Zum besseren Verständnis der Vorgänge wurden außerdem verschiedene Nachbestrahlungsuntersuchungen an den zur Verfügung stehenden Brennelementen durchgeführt. Schließlich wurde eine Auswertung der Versuchsergebnisse vorgenommen und mit den Ergebnissen in der vorhandenen Literatur verglichen. Ein wesentliches Ziel der Arbeit war es, die Datenbasis für modernen HTR-Brennstoff hin zu höheren Abbränden, höheren Fluenzen schneller Neutronen, höheren Betriebstemperaturen und höheren Störfalltemperaturen zu erweitern.

An important aspect of the safety of high temperature reactors is the quality of the nuclear fuel and its ability to remain intact even at high temperatures and to safely contain the radioactive fission products. In combination with a suitable reactor an inherent safety against large release of fission products can be achieved. In this work experimental simulations of severe accidents were conducted on spherical fuel elements for high temperature reactors with TRISO-coated particles and fission product release was measured. The fuel elements originated from various irradiation experiments conducted at high temperatures with high burn-up. The experiments were performed using the cold finger apparatus, a test apparatus which was already used in the past in a former version at the Research Center Jülich. The new cold finger apparatus is installed since 2005 in the Hot Cells of the European Institute for Transuranium Elements. The cold finger apparatus at the Institute for Transuranium enabled incident simulations on irradiated high temperature reactor fuel elements in a helium atmosphere at ambient pressure, at temperatures up to 1800°C and for periods of several hundred hours. Here, both the release of fission gases and the release of solid fission products were measured. In addition, in the context of the present study, the mechanical behavior of the fuel particles and the transport mechanisms of the main fission products were analyzed and the expected release was computed. For a better understanding of the processes post irradiation examinations were conducted on the available fuel elements. It was finally made an assessment of the test results which were compared with results in the existing literature. A key objective of the work was the extension of the existing data base for modern HTR-fuel towards higher burn-up and higher fluences of fast neutrons, higher operating temperatures and extended accident temperatures.

Fulltext:
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