Published August 2019 | Version v1
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Pressurised water reactor neutron flux fluctuations with increased amplitude. Final report

Description

Approximately since 2001, various German pressurized water reactors (KWU types Vor-Konvoi and Konvoi) have exhibited increased neutron flux fluctuation amplitudes. The high fluctuation level causes an undesirably high rate of actions of the reactor-power limitation system. Therefore, this reactor physics phenomenon is of relevance for reactor safety. Furthermore, the phenomenon is not entirely understood. Consequently, it is a matter of ongoing research of universities, research centers, operators and (fuel assembly) vendors. Currently, the fluctuation amplitudes are reported to be as low as before 2001, again. The work presented here contributes to the mathematical and physical understanding of the observed cycle-by-cycle growth of the neutron flux fluctuation amplitudes. Starting with the analysis of measured neutron flux data being on the authors' disposal and with literature research, a general model hypothesis covering relevant aspects of the neutron flux fluctuation phenomenology was developed. One specific realization of the hypothesis was numerically investigated predominantly using the system code DYN3D and reduced order models. The impact of local geometry changes in the reactor core on the homogenized interaction cross sections, which are relevant for neutron kinetics calculations, was illuminated with the Monte Carlo program Serpent2. The investigations performed indicate that coolant-flow driven time-dependent deflections of a great part of the fuel-assembly collective significantly contribute to the measured neutron flux fluctuations. Variations of the mechanical fuel-assembly parameters, especially of the natural frequency of the fundamental mode and of the damping, lead to an increase or a decrease of the fluctuation amplitudes. For an ultimate clarification of the mentioned increase of fluctuation amplitudes and of connected questions concerning measured fluctuation correlations, corresponding research activities have to be continued.

Availability note (English)

Available from: http://dx.doi.org/10.2314/KXP:1686431643

Abstract (German)

Etwa ab 2001 wurden in einigen deutschen Druckwasserreaktoren (KWU-Baureihen Vor-Konvoi und Konvoi) erhöhte Neutronenfluss-Schwankungsamplituden gemessen. Wegen des hierdurch gehäuften Ansprechens des Reaktorleistungsbegrenzungssystems besitzen die hohen Schwankungsamplituden sicherheitstechnische Relevanz. Weiterhin ist das reaktorphysikalische Phänomen des Amplitudenanstiegs nicht vollständig verstanden und deshalb Gegenstand anhaltender Forschungsaktivitäten an Universitäten, an Forschungszentren, bei Betreibern und bei (Brennelement-) Herstellern. Aktuell wird berichtet, dass die Schwankungsamplituden wieder auf dem Niveau von vor 2001 sind. Die hier vorgestellten Arbeiten leisten einen Beitrag zum mathematisch-physikalischen Verständnis des festgestellten zyklusübergreifenden Anstiegs der Neutronenfluss- Schwankungsamplituden. Aufbauend auf der Analyse vorliegender Neutronenfluss-Messdaten und der Recherche in früher publizierten Arbeiten wurde eine übergeordnete Modellvorstellung abgeleitet, die für eine spezielle Konkretisierung numerisch untersucht wurde. Hierfür wurden insbesondere Simulationen mit dem Systemcode DYN3D und ordnungsreduzierten Modellen durchgeführt. Die Abhängigkeit der für die neutronenkinetischen Rechnungen relevanten, homogenisierten Wirkungsquerschnitte von lokalen Geometrie-Veränderungen im Reaktorkern wurde mit dem Monte-Carlo-Programm Serpent2 beleuchtet. Die durchgeführten Untersuchungen deuten darauf hin, dass kühlmittelgetriebene zeitabhängige Verbiegungen eines großen Teils des Brennelemente-Kollektivs maßgeblich zu den gemessenen Neutronenfluss-Schwankungen beitragen. Veränderungen der mechanischen Parameter der Brennelemente, insbesondere der Eigenfrequenz des Biege-Grundmodes und der Dämpfung, bedingen einen Anstieg oder ein Absinken der Schwankungsamplituden. Für eine endgültige Klärung des Amplitudenanstiegs sowie der mit ihm verbundenen Fragestellungen bzgl. der gemessenen Schwankungskorrelationen müssen die Forschungstätigkeiten fortgesetzt werden.

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Original title (German)
Druckwasserreaktorneutronenflussschwankungen mit erhöhter Amplitude. Abschlussbericht

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160 p.

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