Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7154
Materialspezifische Arbeiten im Forschungszentrum
Karlsruhe und in Kooperation mit den Industriepartnern ALKEM und Interatom zur
Entwicklung oxidischer Kernbrennstoffe für Spaltungsreaktoren
H. Kleykamp, G. Mühling
Zusammenfassung
Uran-Plutonium-Oxid-Brennstoff
wurde im Forschungszentrum Karlsruhe und bei der Fa. ALKEM zunächst für die
Kritikalitätsexperimente im SNEAK-Reaktor sowie nachfolgend für stationäre
Brennstabbestrahlungen in den Reaktoren FR2, BR2, DFR, Rapsodie, Phénix und KNK
II hergestellt. Die Fertigungsschritte umfassten zuerst das mechanische Mischen
von UO2 und PuO2 mit unmittelbar anschließendem Pressen und Sintern der
Tabletten, später die verbesserten Methoden, wie das optimierte Comahlen und
die Ammoniumuranylplutonyl-Cofällung. Es wurde überwiegend die
Tablettenherstellung beschrieben, ferner wurden auch alternative Verfahren zur
Brennstabherstellung durch Vibrations- und Heißschlagverdichtung diskutiert.
Die ersten Kapsel- und
Prüflingsbestrahlungen im FR2 und BR2 dienten zur Absicherung der maximal
möglichen Betriebsdaten, wie Stablängenleistung, Hülltemperatur und Abbrand im Rahmen
der Brennstabentwicklung. Im späteren Verlauf wurden in Kooperation mit der Fa.
Interatom Klein- und Großbündelbestrahlungen in den schnellen Reaktoren zur
Kontrolle der Spezifikationen für den kommerziellen schnellen Brutreaktor SNR
300 durchgeführt. Meilensteine waren der in einem Brennelement des Reaktors KNK
II erzielte maximale Abbrand von 175 GWd/t Metall, entsprechend 18,6 % der
schweren Atome, und die im Phénix-Reaktor erreichten Schädigungsraten der
Hüllwerkstoffe von 140 dpa NRT. Zunehmende Bedeutung gewannen später die
stationären Bestrahlungen defekter Mischoxid-Brennstäbe sowie die Transientenexperimente
im Leistungszyklierbetrieb, die lokalen Kühlungsstörungen und die schweren
Reaktorstörfälle in den Reaktoren Siloe, HFR, BR2 bzw. CABRI, die alle in internationaler
Partnerschaft durchgeführt wurden. Ein weiteres Aufgabenfeld war die chemische
Analytik an den festen Rückständen und den Nachfällungen von bestrahlten Mischoxid-Brennstoffen
im Headend der Wiederaufarbeitung. Diese Arbeiten wurden im damaligen Projekt
Schneller Brüter koordiniert.
Darüber hinaus wurden bestrahlte
Oxidbrennstäbe für andere Reaktortypen untersucht, wie LWR-UO2-, LWR-MOX-, HTR-
und Cermet-Brennstoffe, deren wichtigste Ergebnisse ebenfalls in diesem Bericht
dargestellt sind.
Materials specific work at Forschungszentrum Karlsruhe and in
cooperation with the industrial partners ALKEM and Interatom for the
development of nuclear oxide fuels for fission reactors
Abstract
The fabrication of uranium-plutonium oxide fuel started in
Forschungszentrum Karlsruhe and at ALKEM company to begin for the criticality
experiments in the SNEAK reactor and subsequently for stationary fuel pin
irradiations in the FR2, BR2, DFR, Rapsodie, Phénix and KNK II reactors. The
production methods comprised first the mechanical blending of UO2 and PuO2
followed by direct pressing and sintering of the pellets, later the advanced
methods such as optimized comilling and ammonium uranyl plutonyl
coprecititation. The fabrication of pellets was described in the main, further
the alternative fuel pin manufacturing processes by vibrational compaction and
hot-impact densification were discussed.
The first capsule and pin irradiations in the FR2 and BR2 reactors
contributed to the assessment of the maximum operation parameters within the
fuel pin development such as linear heat rating, cladding temperature and
burnup. Subsequently, small-bundle and largebundle irradiations were made in
fast reactors in cooperation with Interatom company in order to verify the
specifications for the commercial fast reactor SNR 300. Milestones were the maximum
burnup of 175 GWd/t metal, corresponding 18.6 % of the heavy atoms, obtained in
one of the KNK II fuel pin assemblies, and the displacement rates in the
cladding materials of 140 dpa NRT attained in the Phénix reactor. Higher
implications gained later the stationary irradiations of defected mixed-oxide
pins, the mild fuel pin transient operations, the local blockage experiments
and the severe hypothetic accidents in the respective Siloe, HFR, BR2 and CABRI
reactors. These experiments were made solely in international partnership. Further
activities were the chemical analyses of solid residues and coprecipitations of
irradiated mixed-oxide fuels in the head-end of the reprocessing. All these
actions were coordinated in the then fast breeder project.
Furthermore, irradiated fuels and fuel pins of other reactor types were
investigated such as LWR-UO2, LWR-MOX, HTR and Cermet fuels. The most important
results were also presented in this report.
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