Grundlegende F&E-Arbeiten zu Methoden der Zustandsüberwachung von Transport- und Lagerbehältern für abgebrannte Brennelemente und wärmeentwickelnde hochradioaktive Abfälle bei verlängerter Zwischenlagerung (DCS-Monitor)

Teilprojekt: Thermographische und radiographische Messverfahren

Hintergrund:

Aufgrund der noch andauernden Suche nach einem Standort für die Endlagerung hochradioaktiver Abfälle in Deutschland müssen abgebrannte Brennelemente für längere Zeiträume an den Standorten der Kernkraftwerke zwischengelagert werden. Dabei ist derzeit nicht ausreichend bekannt, ob es im Zeitraum von mehreren Jahrzehnten zu einem Verlust der Integrität der Brennelemente, etwa durch Druckaufbau bei Entstehung von gasförmigen Nachzerfallsprodukten, kommen kann. Eine extrapolative Modellierung des radiochemischen und thermomechanischen Materialverhaltens ist sehr schwierig. Aus diesem Grund besteht ein Interesse an Methoden zur nichtinvasiven Feststellung des Zustands von Brennelementen in den Transport- und Lagerbehältern.

Zielstellung:

Das Gesamtziel des Vorhabens bestand in einer Bewertung verschiedener physikalischer Messprinzipien, Verfahren und Methoden zur nichtinvasiven Überwachung des Zustandes des Inventars von Transport- und Lagerbehältern bei verlängerter Zwischenlagerung. Damit wurden Möglichkeiten eruiert, Veränderungen der Brennelemente bzw. der aufnehmenden Behälterstrukturen über sehr lange Zeiträume von mehreren Jahrzehnten erkennen zu können, ohne die Behälter zu öffnen. Mit einem geeigneten Verfahren oder einer Verfahrenskombination könnte damit ein wichtiger Beitrag zur Langzeitsicherheit zwischengelagerter hochradioaktiver Abfälle geleistet werden, da mit einem solchen Verfahren Aussagen über die Transport- und Konditionierungsfähigkeit der Abfälle vor Verbringung im Endlager möglich wären.

Methoden und Ergebnisse:

Untersucht wurde zunächst, ob die von den Brennelementen ausgehende Strahlung (Gammastrahlung, Neutronen) sowie Wärme genutzt werden kann, um langzeitliche Veränderungen des Behälterinventars von außen festzustellen. In beiden Fällen wurden realistische Behältergeometrien, Beladungen und Standzeiten zugrunde gelegt. Im Bereich der Nutzung von Strahlung wurden Strahlenfelder außerhalb eines Behälters mit Hilfe der Monte-Carlo-Simulation für vorgegebene Szenarien berechnet und analysiert. Hierbei stellte sich heraus, dass eine Brennstoffverlagerung um einige Zentimeter nachweisbar wäre. Im Bereich der Wärmestrahlungsmessung wurden gekoppelte FEM-CFD-Simulationen durchgeführt. Dabei wurde eine nur sehr schwache Sensitivität festgestellt, sodass die Thermographie als potenzielles Monitoringverfahren ausgeschlossen wurde. Für beide Ansätze wurden die simulierten Sensitivitäten in vereinfachten Experimenten vom Projektpartner bestätigt. Fernerhin wurde im Rahmen des Vorhabens untersucht, ob mittels Detektion hochenergetischer kosmischer Myonen eine bildgebende Analyse von Veränderungen des Kernbrennstoffinventars möglich ist. Auch hierfür wurden Monte-Carlo-Simulationen eingesetzt. Dabei wurde eine gute Sensitivität bei längeren Messzeiten festgestellt. Schlussendlich wurden Methoden der aktiven und passiven akustischen Spektroskopie hinsichtlich ihrer Eignung für das Langzeitmonitoring untersucht. Dabei wurden sowohl die Nachweismöglichkeit behälterinterner Berstvorgänge als auch Schwingungsanalysen in Betracht gezogen. Beide Verfahren sind bezüglich Inventarveränderungen sehr sensitiv. Jedoch zeigte sich, dass die Übertragbarkeit von Experimental- und Simulationsdaten auf reale Geometrien sowie die Zustandscharakterisierung des Inventars nicht eindeutig möglich ist.

Im Fall eines Absackens von Brennstoff um 9 cm in einem wandnahen Brennelement zeigt die Simulation der Gammaflussverteilung außerhalb der Seitenwand nach 5, 10 und 50 Jahren Lagerung eine lokal geringere Flussdichte.

Gammaflussverteilung außerhalb der Seitenwand im Fall des Absackens von Brennstoff um 9 cm in einem wandnahen Brennelement nach 5 Jahren (links), 10 Jahren (Mitte) und 50 Jahren (rechts) Lagerung.

Die Grafik links zeigt die simulierte Temperaturverteilung an der äußeren Behälterwand nach 40 Jahren Zwischenlagerung. Die Grafiken Mitte & rechts zeigen die Differenz der Temperaturverteilung im Fall des Absackens von Brennstoff nach 40 und 100 Jahren.

Links: Simulierte Temperaturverteilung an der äußeren Behälterwand nach 40 Jahren Zwischenlagerung. Mitte und rechts: Differenz der Temperaturverteilung im Fall des Absackens von Brennstoff um 9 cm in einem wandnahen Brennelement minus der Temperaturverteilung des Normalzustandes nach 40 Jahren Zwischenlagerung (Mitte) und nach 100 Jahren (rechts). Die vertikale Dimension entspricht der Höhe des Behälters und die horizontale Dimension dem Umfangswinkel.

Publikationen:

M. Wagner, R. Rachamin, S. Schmidt, D. Fiß, S. Reinicke, A. Kratzsch, U. Hampel
Simulation-based investigation of suitability of thermography and muon flux measurements for non-invasive monitoring of transport and storage containers for spent fuel
Proceedings of Annual Meeting on Nuclear Technology, 29.-30.05.2018, Berlin, Germany

R. Rachamin, U. Hampel
Feasibility study for detection of fuel assemblies state inside sealed dry storage casks using external gamma flux measurements
Proceedings of 20th Topical Meeting of the Radiation Protection & Shielding Division of ANS, 26.-31.08.2018, Santa Fe, NM, USA

M. Wagner, R. Rachamin, S. Schmidt, D. Fiß, S. Reinicke, A. Kratzsch, U. Hampel
Non-invasive multi-modal monitoring of transport and storage containers for spent fuel
Proceedings of 9th World Congress on Industrial Process Tomography (WCIPT9), 02.-06.09.2018, Bath, UK

U. Hampel, A. Kratzsch, R. Rachamin, M. Wagner, S. Schmidt, D. Fiß, S. Reinicke
Investigations on potential methods for the long-term monitoring of the state of fuel elements in dry storage casks
2nd Workshop on Safety of Extended Dry Storage of Spent Nuclear Fuel, Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS), 2018, Garching

U. Hampel, M. Wagner, S. Schmidt, D. Fiß, S. Reinicke, A. Kratzsch
Investigations on potential methods for the long-term monitoring of the state of fuel elements in dry storage casks: recent results
3rd Workshop on Safety of Extended Dry Storage of Spent Nuclear Fuel, Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS), 2019, Garching

R. Rachamin, U. Hampel
Feasibility assessment of using external neutron and gamma radiation measurements for monitoring the state of fuel assemblies in dry storage casks
Annals of Nuclear Energy, 135 (2020): 106975

M. Wagner, S. Reinicke, A. Kratzsch, U. Hampel
An analysis for detecting potential relocation of the inventory of dry storage containers during prolonged interim storage via changes in the wall temperature fields
Nuclear Engineering and Design, 366 (2020): 110749