Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6876

Proceedings of the 4th MEGAPIE Technical Review Meeting, Paris, France March 18 – 19, 2003

C. Fazio, F. Gröschel, J.U. Knebel (Editors)

Preface
The fourth technical review meeting of the MEGAwatt PIlot Experiment (MEGAPIE) took place on 18 - 19 March, 2003 in Paris, in coincidence with the finalisation of the detailed design and the launching of the manufacturing phase (phase 5) of the project. The present volume contains the proceedings of this technical review meeting. The 36 contributions presented at the meeting, coming from Europe, USA, Japan and Korea, pointed out once more the international frame of the initiative, which is supported by six European research institutions (PSI, CEA, FZK, CNRS, ENEA, SCK), by JAERI (Japan), DOE (USA) and KAERI (Korea).

A wide range of topics were covered during the meeting including a project overview, the target and the ancillary systems designs, safety and licensing aspects and relevant results from the working group of R&D design support obtained during year 2002.

The overview of the project did show significant progress. Indeed, it was shown that the target design is almost completed and the manufacturing phase has been launched. Further, in the case of the Electro Magnetic Pump, which was designed and developed at IPUL (Riga), performance tests were done showing adequate results. As another example, the design of the Target Heat Exchanger (THX), which consists of a single annulus of 12 cooling pins able to evacuate 650 kW from Pb-Bi, was finalised.

The design of the Ancillary systems (Heat Removal System (HRS), Cover Gas System (CGS), Liquid Metal Fill and Drain (F&D) System and Insulating Gas System (IGS)) is also progressing. In particular the reference solution for the CGS is to periodically drain the gas in a decay tank. As for the filling and draining procedure, a conceptual design for draining the irradiated Lead – Bismuth Eutectic (LBE) has been defined; nevertheless the non-active drain, i.e. the LBE freezing inside the target after the irradiation phase, is under technological evaluation.

Safety and licensing issues were also addressed. Examples are the focused beam transient and the thermal shock transient. For both cases CFD calculations and stress analysis were performed. Further, to directly monitor the intensity distribution of the incident proton beam and to switch off the beam quickly in case of anomalies, a Visual Monitor System (VIMOS) is under development and experimental validation was shown.

Throughout the design phase, the MEGAPIE project management as well as the designer have required significant development to the R&D working group. This group carries out theoretical and experimental activities in the frame of six research areas, i.e. thermal hydraulics, structural mechanics, neutronics and nuclear assessment, materials radiation damage, solid – liquid interface and liquid metal technology. The quantity and quality of the work performed in the frame of the MEGAPIE R&D group has been recognised. Some of the important activities and results obtained by the R&D group are summarised hereafter.

In the frame of the thermal hydraulic and structural mechanics task, a large amount of CFD calculations and stress analysis have been performed according to the needs expressed by the designers. At the meeting the following topics were presented: a) RELAP 5 Analysis of the MEGAPIE target thermal hydraulics in steady state and transient conditions; b) CFD simulation on the heat deposition distribution in the target; c) Stress analysis of the liquid metal container under normal operating conditions; d) the HYTAS water experiment, performed to investigate the cooling characteristics of the MEGAPIE beam window and the 3D-CFD simulations associated to the experiment; e) the LBE KILOPIE and Heated Jet experiments, both under preparation;

The Neutronics and Nuclear Assessment task group has performed detailed benchmark exercises and a compilation was produced. During the meeting it was agreed to use MCNPX and FLUKA codes as reference tools for the project.

A presentation on microfission chambers to be inserted in the central rod of the target was given. It has been pointed out that issues still to be clarified are related to the performance of the chambers at high temperature and strong thermal transients. Moreover, during the discussion it was pointed out that a clear definition of the objectives of the experiment is still missing.

Materials radiation damage task group has produced data on the mechanical properties of T91 steel at high temperature. These data were used for the safety analysis. In addition, an attempt was made to estimate the window lifetime using DBTT as a criterion. Further, the risk of failure of the window was evaluated using linear elastic fracture mechanics. Finally, despite the fact that the synergetic liquid metal effect was not taken into account, studies indicated that an increase of the window temperature was favourable in order to enhance the window performance.

Compatibility tests on bare and welded T91 steel were performed in the frame of the solid - liquid interface task. Tests were performed at the laboratories of different associations, and a comprehensive compilation of the results seems to be mandatory. In addition, instantaneous liquid metal embrittlement, fatigue tests and tensile tests on T91 steel exposed to LBE were done. For the mechanical properties degradation a compilation of the experimental results is also expected. Further, the window material protection against liquid metal corrosion / embrittlement with artificial coatings is under evaluation.

Progress in the LISOR experiments was shown. In fact a successful assembling and disassembling of the LISOR test section has been shown. In addition, tensile test on T91 exposed for 24 h at 300 °C and irradiated for one hour did show ductile fracture mode. Further experiments in representative conditions (e.g. irradiation length) are expected.

Finally, in the frame of the Liquid Metal Technology task, different types of problems were successfully treated as, for instance, the LBE-coolant interactions, the evaluation of the use of oxygen control and monitoring method in the target, the Po issue and the LBE recristallisation problem.

Vorwort
Das vierte Technical Review Meeting der MEGAwatt PIlot Experiments (MEGAPIE) Initiative fand am 18./19. März 2003 in Paris statt. Die Initiative befindet sich augenblicklich in der detaillierten Design- und Herstellungsphase (Phase 5). Der vorliegende Band enthält die Proceedings dieses Technical Review Meetings. Die 36 Beiträge der Teilnehmer aus Europa, USA, Japan und Korea, verdeutlichten einmal mehr die internationale Einbindung der MEGAPIE Initiative, an der sechs Europäische Forschungseinrichtungen (PSI, CEA, FZK, CNRS, ENEA, SCK) sowie JAERI (Japan), DOE (USA) und KAERI (Korea) beteiligt sind.

Während des Meetings wurde ein breites Themenspektrum vorgestellt, das neben der Projekt-Übersicht das Design des Targets und der Hilfssysteme, die Sicherheits- und Genehmigungsaspekte und die Ergebnisse der F+E- Arbeitsgruppe umfasste.

Aus der Projekt-Übersicht wurde ersichtlich, dass beträchtliche Fortschritte erzielt wurden. Das Target-Design ist nahezu beendet und die Herstellungsphase ist angelaufen. Weiterhin wurde die elektromagnetische Pumpe, die bei IPUL (Riga) entworfen und entwickelt worden war, mit guten Ergebnissen getestet. Ein weiteres Beispiel für die erzielten Fortschritte ist die Tatsache, dass das Design des Target-Wärmetauschers (THX) abgeschlossen werden konnte. Er besteht aus einem einzelnen Ring mit 12 Kühlstäben und kann 650 kW aus dem Pb-Bi abführen.

Auch beim Design der Hilfssysteme (Wärmeabfuhrsystem (HRS), Schutzgassystem (CGS), System zum Einfüllen und Entleeren des Flüssigmetalls (F&D) und Isoliergassystem (IGS)) konnten gute Fortschritte erzielt werden. So sieht zum Beispiel die Referenzlösung für das CGS vor, das Gas regelmäßig in einen Abklingtank zu entleeren. Für das F&D wurde ein vorläufiges Design entwickelt, um das Target mit LBE zu füllen und am Ende des Experiments das bestrahlte Blei – Wismut Eutektikum (LBE) aus dem Target zu entleeren. Für dieses Hilfssystem wird eine zweite Möglichkeit evaluiert: Abkühlung des LBE nach der Bestrahlungsphase und Einfrieren im Targetcontainer selbst.

Auch Sicherheits- und Genehmigungsaspekte wurden behandelt, zum Beispiel der Einfluss eines fokussierten Protonenstrahls und eines Thermoschocks auf die Strahlfensterintegrität. Für beide Fälle wurden CFD-Rechnungen und Festigkeits-Analysen durchgeführt. Weiterhin wurde ein Visuelles Monitoring-System (VIMOS) entwickelt und experimentell validiert. Es dient dazu, die Intensitätsverteilung des Protonenstrahls direkt zu überwachen und bei Abweichungen den Strahl abschalten zu können.

Während der gesamten Design-Phase forderten sowohl das MEGAPIE-Projektmanagement als auch die Design-Gruppe umfangreiche Entwicklungsarbeiten von der F+E-Arbeitsgruppe. Diese Gruppe führt theoretische und experimentelle Aktivitäten auf sechs Teilgebieten durch: Thermohydraulik, Strukturmechanik, Neutronenphysik, Materialschädigung durch Bestrahlung, Wechselwirkung Flüssigmetall-Wand und Flüssigmetalltechnologie. Die Vielzahl und das Niveau der von der MEGAPIE F+E-Gruppe durchgeführten Arbeiten wurde während des Meetings bestätigt. Im Folgenden werden einige wichtige Arbeiten und Ergebnisse zusammengefasst.

Die Thermohydraulik und Strukturmechanik-Gruppe führte gemäß den Anforderungen der Design-Gruppe zahlreiche CFD-Rechnungen und Festigkeits-Analysen durch wie zum Beispiel: a) RELAP 5 Analyse zur MEGAPIE-Target-Thermohydraulik unter stationären- und transienten Bedingungen; b) CFD-Simulation der Wärmeverteilung im Target; c) Festigkeits-Analyse des Flüssigmetallbehälters unter normalen Betriebsbedingungen; d) HYTAS Wasser-Experiment zur Untersuchung der Kühleigenschaften des MEGAPIE-Strahlfensters und die zu diesem Experiment gehörenden 3D-CFD Simulationen; e) die LBE Experimente KILOPIE und Heated Jet, die sich beide noch in der Vorbereitungsphase befinden.

Die Arbeitsgruppe Neutronenphysik hat detaillierte Benchmark-Rechnungen durchgeführt und analysiert. Es wurde beschlossen, dass die Codes MCNPX and FLUKA als Referenzwerkzeuge verwendet werden.

Es gab einen Beitrag zu den Miniaturspaltkammern, die im Zentralstab des Targets angebracht werden sollen. Es wurde betont, dass einige Punkte noch zu klären sind, wie etwa das Verhalten dieser Kammern bei hohen Temperaturen und bei starken Wärmetransienten. Bei der Diskussion wurde hervorgehoben, dass eine eindeutige Definition der Ziele dieses Experiments noch aussteht.

Die Arbeitsgruppe Materialschäden durch Bestrahlung hat Daten zu den mechanischen Eigenschaften des Stahls T91 bei hohen Temperaturen geliefert. Diese Daten wurden für Sicherheitsanalysen verwendet. Weiterhin wurde versucht, die Lebenszeit des Fensters abzuschätzen, wobei die Sprödbruchübergangstemperatur (DBTT) als Kriterium verwendet wurde. Auch das Risiko des Versagens des Fensters wurde mit Hilfe der elastischen Bruchmechanik bewertet. Es zeigte sich, dass sich eine höhere Fenstertemperatur günstig auf das Versprödungsverhalten auswirkt.

Verträglichkeitsuntersuchungen mit unbearbeitetem und geschweißtem T91 wurden im Rahmen der Arbeitsgruppe Wechselwirkung Flüssigmetall-Wand durchgeführt. Diese Untersuchungen wurden in den Laboratorien verschiedener Organisationen durchgeführt, so dass eine umfassende Zusammenstellung der Ergebnisse dringend erforderlich erscheint. Weiterhin wurden Untersuchungen zur Versprödung, zur Ermüdung und zur Zugfestigkeit von T91, das dem Flüssigmetall ausgesetzt war, durchgeführt. Auch über die Ergebnisse hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften des Materials im Flüssigmetall wird eine Zusammenstellung erwartet. Weiter wird untersucht, inwieweit das Fenstermaterial mit Beschichtungen vor Flüssigmetallkorrosion und Versprödung geschützt werden kann.

Bei den ersten LISOR-Experimenten wurde ein Fortschritt erzielt. Die LISOR-Teststrecke konnte erfolgreich montiert und wieder zerlegt werden. Ein Zugversuch mit einer T91 Probe, die über 24 Stunden lang im Blei-Wismut bei einer Temperatur von 300°C ausgelagert und eine Stunde lang bestrahlt worden war führte zu einem Dehnungsbruch. Weitere Experimente unter repräsentativen Bedingungen (z.B. Bestrahlungsdauer) sollen durchgeführt werden.

Schließlich wurden im Rahmen der Arbeitsgruppe Flüssigmetalltechnologie verschiedene Fragestellungen behandelt, wie beispielsweise die Wechselwirkung zwischen LBE und Kühlmittel, die Bewertung der Sauerstoffkontrolle im Target, die Frage der Erzeugung von Polonium und die Ausdehnung des LBE im festen Zustand.

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