Machbarkeitsstudie eines NDA-Systems zur Charakterisierung von Brennstoffablagerungen in Fukushima, Japan

Umfang:

Nach dem Reaktorunfall im japanischen Fukushima wurde vom Internationalen Forschungsinstitut für die Stilllegung von Kernkraftwerken (IRID) ein Projekt zur Bergung von Brennelementtrümmern aus dem Reaktor Daiichi gestartet.

Das IRID und eines seiner Mitglieder, Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (MHI), arbeiteten an einem gemeinsamen Forschungsprojekt mit dem Titel "Business subsidies for decommissioning and radioactive water waste: development of the techniques for investigating inside the reactor pressure vessel", das aus dem Nachtragsbudget 2014 des Ministeriums für Wirtschaft, Handel und Industrie (METI) der japanischen Regierung finanziert wurde.

Die Ergebnisse dieses Vorhabens wurden mit Unterstützung von Mirion Technologies erzielt.

• Mirion führte eine Machbarkeitsstudie für die Entwicklung eines zerstörungsfreien Analysesystems zur Bewertung der Spaltmasse in Coriumproben durch.
• Im Rahmen dieser Studie wurden drei Messverfahren untersucht:
  • Gammaspektroskopie
  • Passive Neutronenkoinzidenzzählung
  • Aktive Neutronenmessung über Differential-Die Away
• Die Proben werden aus einer unbekannten Mischung aus Beton, Edelstahl und geschmolzenem abgebrannten Brennstoff hergestellt.
• Die Beladung von Siedewasserreaktoren besteht aus verschiedenen Brennstofftypen, die im Vergleich zu Druckwasserreaktoren zu zusätzlichen unbekannten Parametern führen.

Projektschlüsselfaktoren:

• Das Management der Kritikpunktsicherheit und das Management von spaltbarem Material sind in diesem Zusammenhang von zentraler Bedeutung.
• Das NDA-System ist zur Messung der Masse der wichtigsten spaltbaren Isotope vorgesehen.
• Klassische Burn-Up-Messmethoden kommen nicht für beschädigte Brennstoffe zur Anwendung: Die Proben können aus einer Mischung verschiedener Brennstoffe bestehen.
• Mehrere unbekannte Parameter erfordern mehrere Messtechniken, um das Problem zu lösen.
• Stark inhomogene Materialien bedeuten, dass die Laboranalyse zu Problemen mit der fehlenden Darstellbarkeit der Proben führen wird. Daher ist eine zerstörungsfreie Technik erforderlich.
• Die Dosisleistung um das NDA-System darf den maximal zulässigen Wert nicht überschreiten.
• Die Detektoren selbst müssen vor dem zu messenden hoch radioaktiven Material geschützt werden.

CANBERRA™-Lösung:

• Eine Literaturstudie auf der Grundlage bestehender Entwürfe führte zur Definition eines Grundentwurfs für ein System:
  • Kollimierte Gammaspektroskopie mit HPGe-Detektoren
  • Neutronenmesssystem mit cadmiumumhüllten ³He-Röhren in einem Moderator (HDPE), das passive und aktive Messungen ermöglicht (PNCC & DDA)
  • D-T gepulster Neutronengenerator
  • Die Probenkapsel wird in ein Rohr bewegt, das durch das gesamte System verläuft.
  • Die Abschirmung aus Blei und HDPE verhindert eine Beschädigung der ³He-Röhren und sorgt für eine niedrige Dosisleistung außerhalb des Systems.
• Die vollständige Modellierung des NDA-Systems wurde mit dem MCNP^®-Berechnungscode durchgeführt.
• Es wurden parametrische Studien durchgeführt, um den gesamten Bereich der Probenzusammensetzungen abzudecken.
  • Es wurden mehrere hundert Berechnungen durchgeführt.
• Es wurden realistische Gamma- und Neutronensystemantworten berechnet.
• Die Bewertung der Messunsicherheiten der Gammaspektrometrie wurde mit dem Unsicherheitsschätzmodul der ISOCS™-Software durchgeführt.
• Analyse der abgebrannten Brennstoffdaten zur Ermittlung der intrinsischen Eigenschaften, die für alle Brennstoffarten im Reaktor gültig sind.

Eingesetzte Instrumente und Techniken:

1. Genie™ 2000-Algorithmen
2. MCNP-Berechnungscodes
3. ISOCS-IUE-Modul

Errungenschaften

• Es wurden bewährte NDA-Systemtechnologien mit Standard- und innovativen Datenalgorithmen kombiniert, um zu zeigen, wie die Gesamtmessunsicherheit unter Berücksichtigung aller Variablen minimiert werden kann. Beispiel: Für die DDA-Probe wurden sowohl sofortige als auch verzögerte Neutronen verwendet.
• Automatische Selbstabschirmungsbewertung für die Neutronenmessung mit der „DDA“-Technik.
• Berechnung der minimalen nachweisbaren Aktivität und Masse für die Nuklide von Interesse.
• Umfassende Unsicherheitsanalyse zur Bewertung der Gesamtmessunsicherheit.
• Designoptimierung in Bezug auf Leistung, Kosten, Gewicht und ALARA-Prinzipien.

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