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ENSI Erfahrungs- und Forschungsbericht 2011

lysiert werden. Der Einfluss der Mikrostruktur und

der chemischen Zusammensetzung auf das Oxida-

tionsverhalten sollen ermittelt werden.

1.1.3 OECD SCIP – Studsvik Clad-

ding Integrity Project

Auftragnehmer: Studsvik, Schweden

ENSI-Projektbegleiter: Andreas Gorzel, Reiner Mai-

länder

Einleitung

Der nukleare Brennstoff wird in Form kleiner Zy-

linder von ca. 8 bis 9 mm Durchmesser (Tablet-

ten, englisch Pellets) in Hüllrohre eingefüllt, die zu

Brennelementen zusammengesetzt werden. Damit

keine radioaktiven Spaltprodukte in den Primär-

kreislauf freigesetzt werden, muss die Integ rität

der Hüllrohre den vielfältigen Belastungen stand-

halten. Das ENSI unterstützt seit Mitte des Jahres

2009 das seit 2004 laufende Studsvik Cladding In-

tegrity Project SCIP der OECD, an dem 25 Organi-

sationen beteiligt sind. Das Projekt befasst sich mit

Schädigungsmechanismen, die in den aus Zirko-

niumlegierungen bestehenden Hüllrohren – auch

unter Einbeziehung des Pelleteinflusses – ablau-

fen können. Im SCIP-Projekt werden Materialver-

suche und -modellierungen bei der Firma Studsvik

in Schweden und Leistungsrampenversuche am

OECD-Halden-Reaktor in Norwegen durchgeführt.

Projektziele des Berichtsjahres

und wichtige Ergebnisse

Im Jahre 2011 wurden folgende Projektziele er-

reicht, respektive aufgrund neuer Anforderungen

modifiziert:

Bei Leistungsrampen kann es durch die mechanische

Interaktion zwischen Pellet und Hüllrohr (Pellet Clad-

ding Mechanical Interaction PCMI) zu Schädigungen

des Hüllrohrs kommen. Mehrere Versuche an Brenn-

stabsegmenten wurden durchgeführt, u. a. mit

einem neu entwickelten Hüllrohrmaterial, mit Alu-

minium- und Chrom-dotiertem Brennstoff (Al, Cr)

und mit Brennstoff, der den Absorber Gadolinium

(Gd) enthielt. Die Brennstabsegmente mit den Ad-

ditiven AI und Cr wiesen grössere Restdehnungen

der Hüllrohre auf als solche mit Standard UO

-Brenn-

stoff. Wird die Endleistung der Rampen noch meh-

rere Stunden beibehalten, dann zeigten sich im Gd-

Brennstoff deutlich mehr Risse im Hüllrohr.

Die Interaktion zwischen Brennstoff und Hüll-

rohr bei Anwesenheit gasförmiger Spaltprodukte

(Spannungsrisskorrosion, Pellet Cladding Interac-

tion PCI) kann ebenfalls zu Schädigungen des Hüll-

rohrs führen. Die Vermutung, dass (Al+Si)-Agglo-

merate Cäsium binden, hat sich bestätigt. Eine

grobkörnige Brennstoffprobe, die trotz der sehr

hohen Endleistung von 70 kW/m und Brennstoff-

Zentralschmelzen intakt geblieben ist, wurde mit-

tels Raster-Elektronenmikroskopie und Elektronen-

strahl-Mikroanalyse untersucht; sie zeigte nur Cs

als potenziell chemisch aktives Element in der Um-

gebung der Hüllrohrinnenwand. Es konnte auch

demonstriert werden, dass sich innerhalb eines

zunächst optisch homogenen Kristalls tatsächlich

unterschiedliche Gitterausrichtungen zeigen. Dies

deutet darauf hin, dass sich bei Leistungsrampen

kleinere Einzelkristalle bilden können (su/jointfilesconvert/360025/bgrain

formation). Zum Einfluss des Hüllrohrs kann be-

merkt werden, dass optimierte Materialien auch

die PCI-Resistenz verbessern.

Durch von aussen eindiffundierten Wasserstoff kön-

nen Hüllrohr-Schwächungen (Hydrogen Embrittle-

ment HE und Delayed Hydride Cracking DHC) indu-

ziert werden. Neben Kriechtests dient als Versuchs-

anordnung ein sogenanntes Coin Set-up. Eine flache

Scheibe (Coin) von der Grösse des Hüllrohr-Innen-

durchmessers befindet sich in einem zweiteiligen

Mantelrohr, das sich wiederum innerhalb eines Hüll-

rohrs befindet. Durch Auseinanderziehen der zwei

Mantelrohrteile erfährt das Hüllrohr lokale Span-

nungen an den zwei Kontaktpunkten zum Coin.

Der Testaufbau wurde fertiggestellt. Die ersten Tests

sollen an unbestrahltem, spannungsarm geglühtem

Zircaloy-4-Hüllrohr durchgeführt werden. In Kriech-

versuchen erwies sich die Relaxation von ZIRLO als

höher als diejenige von Zirkaloy-2. Wasserstoff führt

wie erwartet dazu, dass die Materialhärte zunimmt.

Dies gilt allerdings nur bei tiefen Dehnraten.

In einer von der amerikanischen Aufsichtsbehör-

de finanzierten Anlage wurden Versuche zum Ver-

halten von Brennstäben bei Kühlmittelverlust-Stör-

fällen durchgeführt, bei denen die Brennstabseg-

mente erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind.

Vier Brennstäbe mit Abbränden um 70 MWd/

kg und einer Oxiddicke von 20-30 µm wurden

in einem Infrarotstrahlungsofen bis auf knapp

1200 °C aufgeheizt. Die Versuche wurden be-

wusst bis zum Versagen des Hüllrohrs mit Austritt

von Brennstoff (bei einem Druck zwischen 77 und

113 bar und bei Temperaturen um 700 °C) durch-

geführt. Die Korngrössenverteilung der zurück-

gebliebenen Brennstoff-Fragmente wird noch un-

tersucht, um weitere Hinweise auf das Brennstoff-

Verhalten bei diesen Störfällen zu erhalten.

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