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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Simulation der axialen Brennstableistungen in einem SWR-Brennelement

Insbesondere bei Siedewasserreaktoren kommt es beim Verfahren der Steuerstäbe im Bereich des Steuerstabkopfes zu lokalen Leistungsüberhöhungen. Hierdurch kann ein als PCI-Effekt (Pellet-Cladding-Interaction) bekannter Schadensmechanismus auftreten, welcher zur Beschädigung der Brennstabhülle führen kann.

Mit Hilfe hochaufgelöster 3D-Simulationen konnte nun erstmalig die räumliche Verteilung der lokalen Leistungsüberhöhungen dargestellt werden. Dabei wurden die axialen und radialen Leistungsdichteverteilungen mit Hilfe einer Monte-Carlo Simulation in einem detailgetreuen Geometriemodell simuliert. Um den Control-Blade-History Effekt (CBH-Effekt) zu berücksichtigen wurden gekoppelte Neutronenfluss- und Abbrandberechnungen mit hoher räumlicher Auflösung in einem 70cm hohen Brennelementausschnitt im Bereich des Steuerstabkopfes für ein typisches Siedewasserreaktorbrennelement durchgeführt. Jeder der 91 Brennstäbe eines 1⁄4-Brennelementes wurde in 38 axialen Segmenten unterteilt, so dass der Abbrand für insgesamt 3.458 Segmente separat bestimmt werden konnte. Zur Berücksichtigung des CBH-Effektes wurde bei Erreichen eines Zielabbrandes von 25 MWd/kgHM der Steuerstab eingefahren. Nach 30 MWd/kgHM Abbrand wurde ein instantanes Verfahren des Steuerstabes um 3 cm nach unten simuliert und die auftretenden Leistungsspitzen hinsichtlich ihrer inkrementellen linearen Stableistung und ihres Ortes analysiert. Es konnte nachgewiesen werden, dass bis zu drei Leistungsspitzen auftreten, welche in direktem Zusammenhang mit der Geometrie des Steuerstabes stehen. Die größte Leistungsspitze tritt am Übergang zwischen Edelstahlkopf und Absorberstäben des Steuerstabes auf. Ihre räumliche Ausdehnung ist sehr schmal (FWHM ±2,5 cm) und ersteckt sich lediglich über fünf Pellets. Erstmalig konnten die radialen und axialen Leistungsdichteverteilungen in den Brennstäben unter Berücksichtigung von Abbrand und instantaner Steuerstabbewegung in einer um den Faktor 20 höheren Auflösung als mit bisherigen Rechenmethoden simuliert werden.


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