Wissenschaftliche Berichte – FZKA6679

Post-irradiation studies on the (U, Pu)O₂ cluster experiment Poussix in the Phenix reactor

Abstract

Twelve fast breeder U_0.78Pu_0.21Am_0.01O_1.955 fuel pins were irradiated as a cluster experiment in the PHENIX reactor up to 9.6 % burnup. The principal test parameters of the pins were the smear density, the fuel-clad gap width and the solid/annular geometry of the pellets. Three pin cross-sections were selected to study the radial concentrations of U, Np, Pu and Am in the fuel, the fuel and fission product compositions of the filled central void, the metallic and ceramic precipitates, and the fuel-clad interactions by X-ray microanalysis. The end-of-life O/M ratio of the fuel was investigated by X-ray diffraction. A strong radial redistribution of Np, Pu and Am to the gap is marked. There is a pronounced axial fuel transport along the central void to the upper and lower fuel pin ends. An influence of the pellet parameters on the relocation phenomena was not stated. The end-of-life O/M ratio of the upper end fuel region is 1.95. The maximum inner clad corrosion is observed in the hottest upper end clad region with about 20 µm thickness. A high linear heat rating is assumed in this pin region, because the central void and the gap region are completely filled with fuel up to about 60 % PuO₂ and high fractions of Np and Am. The thermal conductivity of the fuel is low due to the reduced O/M fuel ratio. Both effects may increase the inner clad temperature and the fuel centre temperature significantly.

Nachbestrahlungsuntersuchungen am (U, Pu)O₂ Cluster-Experiment POUSSIX im PHENIX-Reaktor

Zusammenfassung

Zwölf Schnellbrüterstäbe mit U_0,78Pu_0,21Am_0,01O_1,955-Brennstoff wurden als Clusterexperiment im PHENIX-Reaktor bis zu 9,6 % Abbrand bestrahlt. Die hauptsächlichen Versuchsparameter der Stäbe waren die Schmierdichte, die Spaltbreite zwischen Brennstoff und Hülle und die Tablettengeometrie ohne oder mit zentralem Loch. Drei Querschnittsproben wurden ausgewählt für die Röntgenmikrosonden-Untersuchungen der radialen Konzentrationsumverteilung von U, Np, Pu und Am im Brennstoff, des Brennstoffes und der Spaltprodukte im gefüllten Zentralkanal, der metallischen und keramischen Ausscheidungen und der Brennstoff-Hülle-Wechselwirkung. Das O/M-Verhältnis des Brennstoffs bei Bestrahlungsende wurde durch Röntgenbeugung aus der Gitterkonstante ermittelt. Es werden eine starke radiale Umverteilung von Np, Pu und Am in Richtung des Spalts und ein ausgeprägter axialer Brennstofftransport entlang des Zentralkanals zum oberen und unteren Stabende beobachtet. Ein Einfluss der Tablettenparameter auf die Umverteilungsphänomene wurde nicht festgestellt. Das querschnittsgemittelte O/M-Verhältnis bei Bestrahlungsende beträgt 1,95 am oberen Stabende. Hier besteht ein Hüllangriff bis zu etwa 20 µm Reaktionsschichtdicke. Hier wird ferner eine hohe Stableistung vermutet, weil der Zentralkanal und der Spalt vollständig mit Brennstoff bis zu etwa 60 % PuO₂ und überdurchschnittlichen Anteilen an Np und Am gefüllt sind. Die Wärmeleitfähigkeit des Brennstoffs ist niedrig wegen des geringen O/M-Verhältnisses. Beide Effekte können zu einer erhöhten Hüllinnen- und Brennstoffzentraltemperatur am oberen Stabende führen.