UO_2 Fuel Behaviour at Rod Burn-ups up to 105 MWd/kgHM

摘要

Over the last 10-15 years, the discharge burn-up of LWR fuel (light water reactor: LWR) has increased significantly leading to a more economical fuel cycle and reduced amounts of spent fuel. To reach even higher burn-ups with full reloads, fuel enrichments that approach the 5 wt% U-235 level are necessary. As a consequence of the increasingly higher enrichment, along with advanced fuel management strategies, fuel rods are operated at ever higher average power and, hence, temperatures. To obtain data on fuel performance at high burn-up for modeling purposes, a collaboration with the Nuclear Power Plant (NPP) Goesgen was started in the late 1980s involving the irradiation of test fuel assemblies with U-235 enrichments up to 5 wt%. The irradiation behaviour of the fuel rods was assessed in the reactor pool and by detailed hot cell examinations at the Institute for Transuranium Elements (ITU) and the Paul-Scherrer-Institute (PSI). Since 1993, ITU and AREVA NP GmbH have been engaged in a special study of the performance of PWR fuel (pressurized water reactor: PWR) at burn-up beyond 60 MWd/kgHM (heavy metal: HM), focusing on fission gas release and fuel swelling and the contribution that the high burn-up structure (HBS) makes to these quantities.%Es wird die Bestrahlungserfahrung von Brennstäben beschrieben, die im Kernkraftwerk Gösgen, Schweiz, über Abbrände von 60 MWd/kgSM hinaus bestrahlt wurden. Untersuchungsschwerpunkt ist das Brennstoffverhalten, das durch Heißzellenuntersuchungen am Institut für Transurane und am Paul-Scher-rer-Institut analysiert wurde. Oberhalb von Abbränden von 60 MWd/kgSM bildet sich am Rand der Brennstofftablette die so genannte Hochabbrandstruktur (HBS) und die Spaltgasfreisetzung nimmt mit dem Abbrand und der Stableistung zu. Die Untersuchungen im äußeren Bereich des Brennstoffs zeigten, dass die HBS das meiste, möglicherweise das gesamte, erzeugte Spaltgas sogar bei Porositäten von 25 % zurückhält. Weiterhin weist die HBS eine relativ geringe Schwellrate auf, eine erheblich vergrößerte Plastizität und eine thermische Leitfähigkeit, die höher ist als von der Porosität her zu erwarten wäre. Die Nachbestrahlungsuntersuchungen zeigten, dass sich die HBS nicht nachteilig auf das Verhalten von stationär bestrahltem DWR-Brennstoff auswirkt, der zu Abbränden gebracht wird, die mit U-235-Anreicherungen von 5 w/o erreicht werden können. Im Gegenteil, die HBS führt zu einem Brennstoffverhalten, das generell besser ist als ohne deren Bildung.