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Licensed Unlicensed Requires Authentication Published by De Gruyter June 18, 2021

Effect of gap design pressure on the LWR fuel rods lifetime

Auswirkung des Spaltauslegungsdrucks auf die Lebensdauer von LWR-Brennstäben
  • M. Ghasabian , F. Mofidnakhaei and S. Talebi EMAIL logo
From the journal Kerntechnik

Abstract

The fuel burn-up rate has been raised in recent years to improve the efficiency of nuclear LWRs (light water reactors). Therefore, surveying and estimating changes in fuel properties and structural materials during radiation exposure is of paramount importance. In the present study, the researchers focused on analyzing the role of LWR fuel rod initial gap pressure (initial gas pressure when a fuel rod is fabricated) on the rod’s thermal and mechanical performance. FRAPCON-4.0 steady-state fuel performance code was used to simulate the effect of initial gap pressure on the behavior of a specific BWR-type fuel rod that was irradiated under the HALDEN research program. This fuel rod is similar to commercial BWR fuel rods in all respects, except that the research reactors have a height limit. The important fuel design criteria, such as the centerline temperature, effective stresses, total released fission gas to the fuel rod’s void volumes, and the cladding strains, were included in the analysis. According to the present study, a potential initial gap pressure range could be suggested to increase fuel rods’ lifetime by improving the safety criteria margins, especially fuel centerline temperature and the released amount of gaseous fission products. As we know, lower fuel temperature leads to having a reactor with a higher power density and, consequently, a maximum fuel burn-up rate, which can affect the economy and safety of nuclear power plants.

Abstract

Die Abbrandrate des Brennstoffs wurde in den letzten Jahren erhöht, um den Wirkungsgrad von nuklearen LWRs (Leichtwasserreaktoren) zu verbessern. Daher ist die Vermessung und Abschätzung der Veränderungen der Brennstoffeigenschaften und Strukturmaterialien während der Strahlenbelastung von größter Bedeutung. In der vorliegenden Studie lag der Fokus auf der Analyse des Einflusses des anfänglichen Spaltdrucks (Gasinnendruck bei der Herstellung eines Brennstabs) auf die thermische und mechanische Leistung des Stabs. Dazu wurde mit dem FRAPCON-4.0 Code die Auswirkung des anfänglichen Spaltdrucks auf das Verhalten eines bestimmten BWR-Brennstabs, der im Rahmen des HALDEN-Forschungsprogramms bestrahlt wurde, berechnet. Dieser Brennstab ähnelt den kommerziellen SWR-Brennstäben in jeder Hinsicht, mit der Ausnahme, dass die Forschungsreaktoren eine Höhenbegrenzung haben. Die wichtigen Auslegungskriterien des Brennstoffs, wie z.B. die Temperatur der Mittellinie, die effektiven Spannungen, das gesamte freigesetzte Spaltgas im Verhältnis zum Hohlraumvolumen des Brennstabs und die Hüllrohrdehnungen, wurden in die Analyse einbezogen. Mit dieser Analysemethode kann ein Anfangs-Spaltdruckbereich bestimmt werden, um die Lebensdauer von Brennstäben durch Verbesserung der Sicherheitskriterien zu erhöhen, insbesondere der Brennstoff-Mittellinientemperatur und der freigesetzten Menge an gasförmigen Spaltprodukten. Da eine niedrigere Brennstofftemperatur zu einer höheren Leistungsdichte und damit zu einer größeren Brennstoffabbrandrate führt, könnte damit die Wirtschaftlichkeit und die Sicherheit von Kernkraftwerken beeinflusst werden.

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Received: 2021-01-12
Published Online: 2021-06-18
Published in Print: 2021-06-30

© 2021 Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston, Germany

Downloaded on 28.2.2024 from https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/kern-2021-0004/pdf
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