Models for axial relocation of fragmented and pulverized fuel pellets in distending fuel rods and its effects on fuel rod heat load

DSpace Repository

Models for axial relocation of fragmented and pulverized fuel pellets in distending fuel rods and its effects on fuel rod heat load

Show full item record

Files for download

http://www.strals ...
Facebook

Simple item record

Publication Report
Title Models for axial relocation of fragmented and pulverized fuel pellets in distending fuel rods and its effects on fuel rod heat load
Author(s) Jernkvist, Lars-Olof ; Massih, Ali R.
Date 2015
English abstract
Loss-of-coolant accidents (LOCAs) in light water reactors may lead to over- heating of the fuel rods, significant distension of the cladding tubes and axial relo- cation of fuel pellet fragments inside the “ballooned” part of the fuel rods. The fuel relocation may localize the heat load to a particular part of the rod, there- by increasing the risk for cladding failure and aggravating local oxidation of the cladding. It may also increase the amount of fuel dispersed into the coolant, should the cladding fail. Recent LOCA tests have revived interest in the relocation and dispersion phenomena among nuclear regulators, since the test results suggest that high burnup (> 65 MWd/kgU) UO2 fuel pellets may pulverize into very fine (< 0.2 mm) fragments, with a higher potential for axial relocation and subsequent dispersal than observed earlier for low to medium burnup fuel. To analyse these issues, a computational model for axial relocation of fuel frag- ments during LOCA and its effects on the fuel rod heat load and failure processes is developed and introduced in SSM’s version of FRAPTRAN-1.5, a computer program intended for fuel rod thermo-mechanical analyses of transients and acci- dents. The fuel relocation is calculated on the basis of estimated fuel fragment size distributions and the calculated cladding distension along the fuel rod, and its ef- fects on the axial redistribution of stored heat and power are accounted for in thermo-mechanical analyses of the fuel rod. Hence, our model fully considers thermal feedback effects from the fuel relocation, in contrast to existing relocation models. It also provides estimates of the amount of fuel that may potentially be ejected into the coolant upon cladding failure anywhere along the fuel rod. The model is validated by comparisons with measured data and discussed in light of tests and experiments. In particular, we study the IFA-650.4 integral LOCA test in the Halden reactor, Norway. This test was done on a very high burnup (92.3 MWd/kgU) UO2 fuel rodlet and it resulted in extensive fuel pulverization, axial relocation and fuel dispersal into the coolant. Our simulations of this test suggest that thermal feedback effects from axial fuel relocation are strong enough to sig- nificantly affect the dynamics of cladding ballooning and rupture, even though the calculated duration of these processes is no more than 7–8 seconds. Moreover, for the considered LOCA test, the axial relocation has a strong effect on the calculat- ed peak cladding temperature and oxidation after rupture. Finally, our work suggests that the aforementioned pulverization mechanism of high burnup fuel is important to axial fuel relocation during LOCA as it may in- crease the packing fraction of crumbled fuel. The pulverization thereby eases axial movements of the fuel pellet column and raises the local heat load in regions where fuel fragments accumulate. Our calculations indicate that fuel with a pellet average burnup around 70–75 MWd/kgU would be particularly prone to axial relocation, due to its expected fragment size distribution.
Swedish abstract
Haverifall med kylmedelsförlust (LOCA) i lättvattenreaktorer kan leda till överhettning av bränslestavar, utvidgning av stavarnas kapslingsrör, samt axiell omflyttning av brän- slekutsfragment i de delar av stavarna som expanderat. Bränsleomflyttningen kan kon- centrera värmebelastningen till en begränsad del av stavarna och därigenom öka risken för kapslingsskador och förvärra kapslingsrörens oxidation lokalt. Den kan också medföra att mängden bränsle som sprids ut i kylvattnet ökar i händelse av kapslingsskada. Nyligen genomförda LOCA-experiment har återuppväckt tillsynsmyndigheternas intresse för dessa fenomen, då provresultaten antyder att högutbränt (> 65 MWd/kgU) UO2- bränsle kan pulveriseras till mycket små (< 0.2 mm) fragment, vilket leder till en större risk för omflyttning och efterföljande utspridning i kylvattnet än vad som tidigare observerats för bränsle med låg eller medelhög utbränning. För att analysera dessa frågor utvecklas här en beräkningsmodell för axiell omflyttning av bränslefragment under LOCA och dess effekter på bränslestavens värmebelastning och skadeprocesser. Modellen införs i SSM:s version av FRAPTRAN-1.5, ett beräknings- program avsett för termomekanisk analys av bränslestavar under transienter och olyckor. Bränsleomflyttningen beräknas på grundval av uppskattad storleksfördelning för bränsle- fragmenten samt kapslingsrörets beräknade deformationsprofil längs bränslestaven, och bränsleomflyttningens inverkan på axiell omfördelning av effekt och lagrad värme beaktas i termomekaniska analyser av bränslestaven. Vår modell tar således full hänsyn till termiska återkopplingseffekter av bränsleomflyttningen, i motsats till existerande beräkningsmodeller. Den tillhandahåller även uppskattningar av den bränslemängd som potentiellt kan spridas ut i kylvattnet vid kapslingsbrott i någon del av staven. Modellen valideras genom jämförelser mot mätdata och diskuteras mot bakgrund av experimentella resultat. I synnerhet studerar vi LOCA-experiment IFA-650.4, som genomförts i Haldenreaktorn, Norge. Provet gjordes på en högutbränd (92.3 MWd/kgU) UO2-provstav, och resulterade i omfattande bränslepulverisering, axiell omflyttning och bränsleutspridning i kylvattnet. Våra simuleringar av detta prov antyder att termiska återkopplingseffekter från den axiella bränsleomflyttningen är tillräckligt starka för att märkbart påverka dynamiken för kapslingens deformation och brott, trots att den beräknade varaktigheten hos dessa processer är högst 7–8 sekunder. Dessutom har den axiella bränsleomflyttningen stor inverkan på kapslingens beräknade maximala temperatur och oxidation efter kapslingsbrottet för det beaktade LOCA-experimentet. Avslutningsvis skall nämnas att vårt arbete pekar mot att ovan nämnda pulveriserings- mekanism för högutbränt bränsle är betydelsefull för axiell bränsleomflyttning, då den kan öka bränslefragmentens packningstäthet. Pulveriseringen underlättar därmed axiella rörelser hos bränslekutspelaren och ökar den lokala värmebelastningen i områden där kutsfragment ansamlas. Våra beräkningar antyder att bränsle med en genomsnittlig kutsutbränning runt 70–75 MWd/kgU torde vara särskilt benäget för axiell omflyttning, på grund av dess förväntade fragmentstorleksfördelning.
Publisher Strålsäkerhetsmyndigheten
Series/Issue SSM rapport;37
ISSN 2000-0456
Pages 94
Language eng (iso)
Subject(s) Technology
Research Subject Categories::TECHNOLOGY
Note http://www.stralsakerhetsmyndigheten.se/Publikationer/Rapport/Avfall-transport-fysiskt-skydd/2015/Models-for-axial-relocation-of-fragmented-and-pulverized-fuel-pellets-in-distending-fuel-rods-and-its-effects-on-fuel-rod-heat-load/
Handle http://hdl.handle.net/2043/19466 (link to this page)

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record

Search


Browse

My Account

Statistics