Accessible Requires Authentication Published by De Gruyter May 2, 2013

Brennstabauslegung und Brennstabmodellierung – Teil 1

Fuel rod design and modeling of fuel rods – Part I
Elart von Collani and Karl Baur
From the journal Kerntechnik

Kurzfassung

Die Brennstabauslegung ist ein wesentlicher Aspekt für den sicheren und wirtschaftlichen Betrieb von Kernkraftwerken. Die langjährige Betriebserfahrung zeigt, dass der Sicherheitsstandard der Brennstäbe sehr hoch ist und die international anerkannten Schutzziele eingehalten werden. Zwischenzeitlich haben wirtschaftliche Überlegungen zu einer Erhöhung der mittleren Brennelementabbrände von 35 MWd/kgSM auf heute etwa 55 MWd/kgSM geführt. Neben der besseren Wirtschaftlichkeit wird dadurch im Sinne des Umweltschutzes der Kernbrennstoffbedarf reduziert und die Anzahl der zu entsorgenden Brennelemente verringert. Allerdings bedeutet jede weitere Abbranderhöhung auch zusätzliche Anforderungen an die Brennstäbe, insbesondere an die Hüllrohrmaterialien, wodurch sich erneut die Notwendigkeit des Nachweises der Brennstabintegrität ergibt. Im Vordergrund dieser Nachweise steht seit geraumer Zeit der Übergang von deterministischen zu statistischen Auslegungsmethoden, mit dem Ziel durch Berücksichtigung der vorhandenen Variabilität der Vorgänge im Reaktorkern zu einer wirklichkeitsnäheren Beschreibung zu gelangen. Dadurch können zuverlässigere und genauere Vorhersagen über das Verhalten der Brennstäbe gemacht werden, die die Grundlage für eine effektive Brennstabauslegung und den Nachweis der Brennstabintegrität bilden. Dieser Beitrag beschäftigt sich mit der Frage, inwiefern die bestehenden Modelle aus stochastischer Sicht die Variabilität berücksichtigen und zeigt, dass ein stochastisches Modell neue Chancen für zuverlässige Nachweise bietet. Das vorgeschlagene stochastische Modell behebt gewisse Schwächen der bisherigen Vorgehensweisen, setzt alle vorhandenen Erkenntnisse direkt um und macht die stets vorhandene Ignoranz sichtbar. Zusätzlich werden im Beitrag einige, insbesondere in der Bundesrepublik Deutschland aufgeworfene Fragen, kritisch betrachtet. Der Beitrag besteht aus zwei Teilen. Im ersten Teil werden die benötigten Grundlagen gelegt, während im zweiten Teil auf die mehr technischen Fragen eingegangen wird.

Abstract

The design of the fuel rods is essential for the safe and economic operation of nuclear power plants. Extensive operational experience shows the safety standard of the fuel rods to be very high, meeting internationally acknowledged safety requirements. Over the course of time, economic considerations have led to an increase of the average fuel assembly burn-up from 35 MWd/kgHM to around 55 MWd/kgHM today. Besides being more efficient, this also contributes to improved environmental control by reducing the required amount of nuclear fuel and the number of fuel assemblies to be disposed of. However, every further increase of the burn-up also means additional requirements for the fuel rods, particularly for the cladding tube material, and necessitates re-verification of the fuel rod integrity. The change from deterministic to statistical design methods has been discussed for some time, with the aim of arriving at a more realistic description of the processes in the reactor core by considering their inherent variability. As a result, more reliable and more accurate predictions could be made about the behavior of the fuel rods, forming the basis of good fuel rod design and proof of fuel rod integrity. This paper discusses the extent to which the existing models consider the variability, from a stochastic point of view, and shows that a stochastic model provides new possibilities for showing the integrity. The proposed stochastic model rectifies certain weaknesses of the traditional proceedings, directly applying all existing knowledge and revealing any remaining ignorance. In addition, several questions which recently arose in Germany regarding fuel rod specifications are critically discussed in the paper. The paper consists of two parts. The first part deals with the necessary basic principles, while the second part deals with more technical questions.

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Online erschienen: 2013-05-02
Erschienen im Druck: 2004-11-01

© 2004, Carl Hanser Verlag, München