Zeitschrift für Kernenergiewissenschaft und Energieerzeugungstechnologie

Auswirkungen der Randstruktur auf die Leistungsfähigkeit von Brennstäben bei verlängertem Abbrand mittels FRAPCON

Jianguo Yu, Hongbin Zhang

Die Verlängerung der zulässigen Abbrandgrenze für Leichtwasserreaktoren (LWR) ist eine der vielversprechendsten Methoden, um die kommerzielle Wettbewerbsfähigkeit von Kernkraftwerken zu steigern. Zu den Vorteilen eines hohen Abbrands zählen geringere Wartungs- und Brennstoffzykluskosten, weniger Nachbrennvorgänge, was zu höheren Kapazitätsfaktoren führt, und eine Verringerung des Volumens des abgebrannten Brennstoffs, das im Verhältnis zur erzeugten Energie abgelassen wird. Um die Integrität von Brennstäben mit hohem Abbrand zu gewährleisten, müssen jedoch noch einige Probleme behoben werden. Beispielsweise ist die Bildung einer Hochabbrandstruktur (High Burn Up Structure, HBS) oder Randstruktur möglicherweise der bedeutendste Umstrukturierungsprozess am Rand von Pellets im Stapel mit Abbrandverlängerung in LWR, und die Auswirkung der HBS auf die thermophysikalischen oder mechanischen Eigenschaften des Brennstoffs ist eine wichtige Voraussetzung für die erfolgreiche Umsetzung eines verlängerten Abbrands. Es gibt unabhängige experimentelle Beweise dafür, dass die HBS gleichzeitig die thermischen und mechanischen Eigenschaften des Brennstoffs beeinflusst. Es ist jedoch noch nicht gut verstanden, wie sich eine solche HBS auf die thermophysikalischen oder mechanischen Eigenschaften des Brennstoffs auswirkt. In dieser Arbeit wurde der Einfluss der HBS-Bildung auf das Spaltgasverhalten von Brennstäben unter normalen Betriebsbedingungen untersucht. Der Brennstoffleistungscode FRAPCON-4.0 wurde verwendet, um die spaltgasbezogenen Eigenschaften von Brennstäben in voller Länge mit HBS-Bildung über das FRAPFGR-Modell und ohne Randstruktur über das Massih-Modell unter normalen Betriebsbedingungen zu simulieren. Es wurde festgestellt, dass mit einer Ausweitung des Abbrands vom aktuellen Grenzwert von 62 auf den vorgeschlagenen neuen Grenzwert von 75 GWd/MTU der Plenumdruck und die Spaltgasfreisetzung bei flachen Leistungsverlaufsprofilen und ohne Berücksichtigung der HBS-Effekte nur geringfügig ansteigen. Der Anstieg ist jedoch ausgeprägter, wenn die Leistungsverlaufsprofile höhere Spitzenfaktoren aufweisen und der Beitrag der HBS-Bildung berücksichtigt wird. Es wird empfohlen, die Leistungsverlaufsprofile beim Betrieb von Kernkraftwerken sowohl radial als auch axial so flach wie möglich zu halten, um die Integrität der Brennstäbe sicherzustellen, sodass die Vorteile einer Ausweitung des Abbrands realisiert werden können.