Enthalpie von Kernbrennstoffen – Akzeptanzkriterien
Wie bereits geschrieben, ist die Enthalpie eines der thermodynamischen Potenziale und ein Maß für die Energie in einem thermodynamischen System.
Die Enthalpie ist eine große Menge, sie hängt von der Größe des Systems oder von der Menge der darin enthaltenen Substanz ab.
H = U + pV
Die Enthalpie von Kernbrennstoffen wird auch als Akzeptanzkriterium bei sehr spezifischen Arten von Unfällen verwendet, die als durch Reaktivität ausgelöste Unfälle (RIA) bezeichnet werden, z. B. Stangenauswurfunfälle. RIAs bestehen aus postulierten Unfällen, bei denen eine plötzliche und schnelle positive Reaktivität eintritt. Infolge der schnellen Leistungsabweichung steigen die Kraftstofftemperaturen schnell an, was zu einer Wärmeausdehnung der Kraftstoffpellets führt. Der Leistungshub wird anfänglich durch den Kraftstofftemperaturkoeffizienten (oder die Doppler-Rückkopplung) gemindert, die die erste Rückkopplung ist, die die eingefügte positive Reaktivität kompensiert.
Bei diesen Unfällen kann die große und schnelle Ablagerung von Energie im Kraftstoff zum Schmelzen, Zersplittern und Verteilen von Kraftstoff führen. Die mit der Kraftstoffverteilung verbundene mechanische Wirkung kann ausreichen, um die Ummantelung und die Stabbündelgeometrie des Kraftstoffs zu zerstören und Druckimpulse im Primärsystem zu erzeugen. Das Ausstoßen von heißem Kraftstoff in Wasser kann zu einer schnellen Dampferzeugung und diesen Druckimpulsen führen, die nahegelegene Brennelemente beschädigen können. Es werden Grenzwerte für die spezifische Brennstoffenthalpie verwendet, da die experimentellen Tests zeigen, dass der Grad der Brennstabschädigung gut mit dem Spitzenwert der spezifischen Brennstoffpelletenthalpie korreliert.
Die Zulassungskriterien variieren je nach Land und Reaktortyp. In der Regel gibt es jedoch zwei Arten von Grenzwerten für die Brennstoffenthalpie:
- KERNKÜHLBARKEITSKRITERIEN . Eine Verringerung der Kühlbarkeit kann durch heftiges Ausstoßen von Kraftstoff verursacht werden, wodurch nahegelegene Kraftstoffanordnungen beschädigt werden können. In der Vergangenheit wurden die Kernkriterien für die Kühlbarkeit überarbeitet, um sowohl kurzfristige (z. B. Wechselwirkung zwischen Brennstoff und Kühlmittel, Platzen der Stange) als auch langfristige (z. B. Ballonbildung der Brennstäbe, Strömungsblockierung) zu berücksichtigen, die die kühlbare Geometrie und den Reaktor in Frage stellen Integrität der Druckgrenze. Eine definitive Grenze für Kernschäden, die an keiner Stelle in einem Brennstab im Kern überschritten werden darf. Gemäß Anhang B des Standardüberprüfungsplans, Abschnitt 4.2, sind diese Kriterien beispielsweise:
- Die maximale radiale durchschnittliche Kraftstoffenthalpie muss unter 230 cal / g bleiben. Oberhalb dieser Enthalpie können heiße Brennstoffpartikel aus einem Brennstab ausgestoßen werden.
- Die maximale Kraftstofftemperatur muss unter den beginnenden Kraftstoffschmelzbedingungen bleiben.
- FEHLERKRITERIEN FÜR KRAFTSTOFFVERKLEIDUNG . Eine Brennstabversagensschwelle, die definiert, ob eine Brennstange bei Berechnungen der radioaktiven Freisetzung als ausgefallen angesehen werden soll oder nicht (Quellenbegriff). Gemäß Anhang B des Standardprüfplans kann Abschnitt 4.2 Brennstäbe durch verschiedene Schadensmechanismen versagen:
- Das Ausfallkriterium für die hohe Plattentemperatur für Bedingungen mit null Leistung ist eine radiale durchschnittliche Spitzenkraftstoffenthalpie von mehr als 170 cal / g für Brennstäbe mit einem Stabinnendruck bei oder unter dem Systemdruck und 150 cal / g für Brennstäbe mit einem Stabinnendruck über Systemdruck.
- Das PCMI-Ausfallkriterium ist eine Änderung der radialen durchschnittlichen Kraftstoffenthalpie, die größer ist als die in Anhang B des Standardüberprüfungsplans, Abschnitt 4.2, angegebene korrosionsabhängige Grenze.
Wie zu sehen ist, ist die kraftstoffspezifische Enthalpie, dh die Enthalpie pro Masseneinheit des Brennstoffpelletmaterials, daher ein grundlegender Parameter bei der Diskussion von durch Reaktivität ausgelösten Unfällen. Ein Versagen des Kraftstoffmantels kann fast augenblicklich während des sofortigen Anstiegs der Kraftstoffenthalpie (aufgrund von PCMI) auftreten oder als Anstieg der Gesamtkraftstoffenthalpie (sofort + verzögert), des Wärmeflusses und des Anstiegs der Plattentemperatur auftreten. Zum Zwecke der Berechnung der Kraftstoffenthalpie zur Bewertung von PCMI-Fehlern wird der sofortige Anstieg der Kraftstoffenthalpie als der radiale durchschnittliche Anstieg der Kraftstoffenthalpie zu dem Zeitpunkt definiert, der einer Impulsbreite nach der Spitze des sofortigen Impulses entspricht. Zur Beurteilung von Fehlern bei hohen Plattentemperaturen sollte die gesamte radiale durchschnittliche Kraftstoffenthalpie (prompt + verzögert) verwendet werden.
Sonderreferenz: US NRC. Standard-Überprüfungsplan – NUREG-0800. 4.2 KRAFTSTOFFSYSTEMDESIGN. Revision 3 – März 2007.
Sonderreferenz: OECD Nuclear Energy Agency State-of-the-Art-Bericht „Verhalten von Kernbrennstoffen unter RIA-Bedingungen“, 2010.
Besondere Referenz: Peter Rudling, Lars Olof Jernkvist. Verhalten von Kernbrennstoffen unter RIA-Bedingungen. Advanced Nuclear Technology International, 12/2016.
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