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Versuchsprogramm zur LOCA - Versprödungskriterien

Die Eigenschaften von hoch abgebranntem Brennstoff und der entsprechenden Hüllrohre, die zunehmend aus neuen Legierungen (M5, DUPLEX und anderen) hergestellt werden sind, sind für die Bedingungen eines Kühlmittelverlust-Störfalls (LOCA - Loss Of Coolant Accident) nicht ausreichend erforscht. Die bis heute geltende LOCA-Versprödungskriterien wurden 1973 erarbeitet. Das Schutzziel dieser Kriterien ist die Erhaltung einer kühlfähigen Geometrie des Reaktorkerns. Entsprechend dieser international üblichen Kriterien sind die folgenden Anforderungen zu erfüllen: 1) die berechnete maximale Brennstab-Hüllrohrtemperatur darf 1200 °C nicht überschreiten (Kriterium PCT – Peak Cladding Temperature); 2) die berechnete Oxidschichtdicke des Hüllrohrs darf an keiner Stelle den Wert von 17 % der tatsächlichen Hüllrohrwandstärke überschreiten (Kriterium ECR - Equivalent Cladding Reacted).


Diese Kriterien berücksichtigen nicht die die Wirkung des im Hüllmetall absorbierten Wasserstoffs, dessen Konzentration mit wachsendem Abbrand zunehmen und dadurch die Versprödung des Materials erhöhen kann. Besonders im Bereich des größten Aufblähens des Rohres und der Berststelle wurde stärkere Wasserstoffaufnahme im Hüllrohrmetall beobachtet. Hier kann man auch so genannte sekundäre Hydrierung des Hüllrohres durch die Berstöffnung erwarten. Um dieses Problem zu untersuchen, wurden weltweit mehrere Einzelstabversuche durchgeführt. Für die realistische Simulation der Reaktorbedingungen braucht man vor allem Bündelversuche. Deshalb wurde entschieden, eine LOCA-Serie der Bündelversuche in der QUENCH-Anlage am KIT/IAM-WPT durchzuführen. Mit diesen Experimenten werden u.a. folgende Phänomene untersucht: 1) gegenseitige Beeinflussung der Brennstäbe; 2) realistische Querschnitte in den Kühlkanälen; 3) axiale Kräfte durch Abstandhalter; 4) große Statistik der LOCA- Phänomene von mehreren Brennstäben, die im Bündel sehr ähnlichen Bedingungen ausgesetzt sind; 5) Bestätigung / Übertragbarkeit der Ergebnisse von Einzelstab-Versuchen in anderen Tests.


Das experimentelle Programm wird in einer engen Kooperation zwischen drei IAM-Instituten durchgeführt und beinhaltet folgende Nachuntersuchungen der Hüllrohre:

1. Axiale und azimutale Profilmessung des Hüllrohres mittels speziellen Laserrohrscanner und metallographische Nachuntersuchungen (IAM-AWP);
2. Neutronenradiografie zur Bestimmung der Wasserstoffkonzentration im Hüllrohr und metallographische Nachuntersuchungen (IAM-AWP);
3. Mechanische Zug- und Ringkompressionsversuche (IAM-WBM).