Fuel Behavior in Severe Accidents and Mo-Alloy Based Cladding Designs to Improve Accident Tolerance

摘要

Die schweren Störfälle im TMI-2 und in Fukushima-Daiichi haben zu Kernschmelzen und Wasserstoffexplosionen geführt. Hauptenergiequelle bei der Kernschmelze ist die Zerfallswärme aus dem β-, β+ und γ-Zerfall von kurzlebigen Isotopen nach Schnellschluss aus dem Leistungsbetrieb. Die exothermische Reaktion der Hülle aus einer Zr-Legierung kann die Hülltemperatur weiter erhöhen und so zu schneller Korrosion der Hülle und zur Wasserstoffbildung führen. Kernschäden bei einem schweren Störfall lassen sich am wirksamsten dadurch abmildern, dass die zur Wärmeabfuhr zur Verfügung stehende Zeit mittels passiver Kühlung mit Batterieunterstützung möglichst lange ausgedehnt wird. Auch ein Ersatz der Zr-Legierung als Hüllwerkstoff durch einen Werkstoff mit höherer Wärmebeständigkeit und langsamerer Enthalpiefreisetzung kann zu einem weiteren Zeitgewinn für Unfallmaßnahmen führen. Mit einer derartigen wärmebeständigen Hülle lassen sich wohl auch die gegenwärtigen Genehmigungsschwierigkeiten wegen Hydridbildung bei einer Zr-Legierung und Duktili-tätsproblemen nach rascher Abkühlung und Wiederbenetzung bei einem Auslegungs-Kühlmittelverluststörfall (LOCA) ausräumen. Eine Hülle aus einer Zr-Legierung ist zwar für den Normalbetrieb in Hochdruckwasser und -dampf in Leichtwasserreaktoren ausgelegt, büßt aber ihre Korrosionsfestigkeit und Zug-und Kriechfestigkeit in Hochdruckdampf sehr schnell ein. Alternative Hüllwerkstoffe und -konstrukti-onen sind bei der Suche nach neuen Ausführungen von Brennelementhüllen untersucht worden. Damit sollen die Sicherheitsgrenzen bei erhöhten Temperaturen während eines schweren Störfalls erheblich verbessert werden, während gleichzeitig die hervorragende Brennstoffleistung der jetzigen Hülle aus einer Zr-Legierung erhalten bleibt. Zu den Bewertungskriterien gehören die neutronenphysikalischen Eigenschaften, die Materialverfügbarkeit, Anpassungsfähigkeit und Einsatzfähigkeit in heutigen LWR und die Beständigkeit gegenüber Schmelzen. Die neuen Konstruktionen müssen auch herstellbar sein und ausreichende Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Angriffe durch Hochdruckdampf aufweisen. Die Auswahl an technischen Metallen, Legierungen und keramischen Werkstoffen, die diese Anforderungen ganz oder zum Teil erfüllen können, ist begrenzt. Nach Prüfung der Eigenschaften eventuell in Frage kommender Werkstoffe lautet der Schluss, dass Molybdänlegierungen unter Umständen die Sicherheitsgrenzen von Brennstoff in einem schweren Störfall am stärksten verbessern könnten. Um Molybdänlegierungen an die Verwendung als Hüllwerkstoff für einen LWR anzupassen, wird eine neuartige Ausführung einer Doppel- oder Dreifach-Mo-Zr-Hülle bzw. Einer Hülle aus Mo und weiterentwickeltem Stahl als beste Lösung zur weiteren Entwicklung vorgeschlagen. Die technische Grundlage für die Wahl der Mo-Zr-Hül-le unter mehreren anderen Möglichkeiten sowie die Schritte zur Überwindung der Schwachpunkte von Molybdänlegierungen werden diskutiert.%The severe accidents at TMI-2 and Fukushima-Daiichi led to core meltdown and hydrogen explosions. The main source of energy causing core melting is the decay heat from β-, β + , and γ decays of short-lived isotopes following a power scram. The exothermic reaction of Zr-alloy cladding can further increase the cladding temperature leading to rapid cladding corrosion and hydrogen production. The most effective mitigation to minimize core damage in a severe accident is to extend the duration of heat removal capacity via battery-supported passive cooling for as long as practically possible. Replacing the Zr-alloy cladding with a higher heat resistant cladding with lower enthalpy release rate may also provide additional coping time for accident management. Such a heat resistant cladding may also overcome the current licensing concerns about Zr-alloy hydriding and post quench ductility issues in a design base loss of coolant accident (LOCA). Zr-alloy cladding, while has been optimized for normal operation in high pressure water and steam of light water reactors, will rapidly lose its corrosion resistance and tensile and creep strength in high pressure steam. Evaluation of alternate cladding materials and designs have been performed to search for a new fuel cladding design which will substantially improve the safety margins at elevated temperatures during a severe accident, while maintaining the excellent fuel performance attributes of the current Zr-alloy cladding. The screening criteria for the evaluation include neutronic properties, material availability, adaptability and oper-ability in current LWRs, resistance to melting. The new designs also need to be fabricable, maintain sufficient strength and resist to attack by high pressure steam. Engineering metals, alloys and ceramics which can meet some or most of these requirements are limited. Following review of the properties of potential candidates, it is concluded that molybdenum alloys may potentially achieve the largest improvement in fuel safety margins in a severe accident. To adopt molybdenum alloys for LWR fuel cladding application, a novel design of duplex and triplex Mo-Zr or Mo-advanced steel cladding is proposed as the best candidate for further development. The technical basis for selecting the Mo-Zr cladding out of several other potential candidates, and the approaches to overcome the weakness of the molybdenum alloys are discussed.