Published September 17, 2010 | Version v1
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Accident studies for the Gas-cooled Fast Reactor (GFR) in support of fuel safety studies

Description

The Gas-cooled Fast Reactor (GFR) is one of the six systems selected by the Generation IV International Forum and is also studied by the French Commissariat a l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA), in parallel of the Sodium-cooled Fast Reactor (SFR), as its long term alternative. This internship deals with the study of severe accidents in the frame of the preliminary design. The objective is, for some unlikely severe accidental situations, to prevent a core degradation extension and to limit its consequences. The internship has consisted in adopting a multidisciplinary approach, for some accidents, by coupling the results of 'monodisciplinary' calculation codes with simplified analytical models, as a supplement of previous studies. Among these severe accidents is the Unprotected Loss Of Coolant Accident (ULOCA) which appears to be difficult to control for long times, partly because of a penalizing neutronics effect of nitrogen injection, modeled during transient calculations by a reactivity insertion and a reduction of the coolant void effect coefficient. A strategy of accident control could be foreseen but should not be enough to maintain the clad temperature below 1850 deg. C (liquid formation temperature) longer than 1h20 after the accident beginning. Air ingress transients (breaks on the primary circuit and on the close containment), with scram actuated and nitrogen injection, have been studied regarding SiC oxidation. A simplified analytical model, using CATHARE2 calculations results, has been developed to estimate the silica layer growth rate and the possible transition towards an active oxidation mode synonymous with clad degradation. Studied situations (10'' primary break, rupture of the cross-duct...) do not seem to be able to severely damage the cladding. The application of Eremeev diffusion model at the fuel/liner interface is a method to follow the kinetics of the tungsten liner degradation and then the risk of losing the confinement of gaseous fission products function. While non-perfect, preliminary results show, in the example of an ULOCA (3'' break), an estimated W2C layer growth rate of 1 to 2 μm/h, on condition that no liquid phase appears. With the given hypothesis and data, the diffusion process at the fuel/liner interface doesn't seem to really damage the liner, but avoiding a liquid phase formation at 1850 deg. C is critical. Severe accident scenarios of core melting and corium boiling have been studied with a simple analytical model coupling neutronics, heat transfers and thermodynamics. The study has allowed to calculate first orders of magnitude (kinetics of melting, boiling and pressure rising) and should ideally be improved with a more detailed modeling of physical phenomenon. (author)

Abstract (French)

Le Reacteur a Neutrons Rapides et a caloporteur Gaz (RNR-G) est l'un des six concepts retenus par le Forum International Generation IV et il est etudie par le Commissariat a l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA), en complement du RNR-sodium, en tant que filiere alternative de long terme. Le sujet du stage a pour cadre l'etude des accidents graves a la pre-conception du RNR-G en vue de l'etude de surete de son combustible. L'objectif est, pour des situations accidentelles severes et a faible probabilite d'occurrence, de prevenir une degradation etendue du coeur et d'en limiter les consequences. Le stage a consiste a adopter une approche multi-physique, pour divers scenarios, en couplant les resultats de codes de calculs 'mono-disciplinaire' avec des modeles analytiques simplifies, en complement d'etudes existantes. Parmi ces situations accidentelles severes, l'Accident de Perte de Refrigerant Primaire (breches) sans chute des barres d'arret se revele difficile a maitriser sur des temps tres longs, et ceci notamment en raison d'un effet neutronique penalisant de l'injection d'azote, modelise dans les calculs de transitoires par une insertion de reactivite et une division du coefficient de vidange du caloporteur. Une strategie de controle de l'accident permet d'en limiter les consequences mais elle ne suffit pas a maintenir le gainage en SiC a une temperature inferieure a 1850 deg. C (temperature de debut de liquefaction des materiaux) plus de 1h20 apres le debut de l'accident. Des transitoires d'entree d'air (breche sur le circuit primaire et sur l'enceinte rapprochee) avec chute des barres et injection d'azote ont ete etudies du point de vue de l'oxydation du SiC. Un modele analytique simplifie, prenant en entree les resultats des calculs CATHARE2, a ete elabore pour suivre la cinetique de l'oxydation passive et evaluer le risque de transition vers un regime d'oxydation active susceptible de degrader le gainage. Il apparait que les situations etudiees (breche primaire 10'', rupture du crossduct...) ne risquent pas de degrader severement le gainage. L'application du modele d'interdiffusion d'Eremeev a l'interface entre le combustible et le liner metallique en tungstene permet d'estimer la cinetique de degradation du liner et donc le risque de perte de confinement des produits de fission gazeux. Bien qu'imparfait, il fournit, dans le cas d'un APRP (3'') non protege, une cinetique de formation d'une couche de W2C de 1 a 2 μm/h, a condition de ne pas avoir forme une phase liquide. Avec les hypotheses et les donnees retenues, l'interdiffusion a l'interface combustible-liner ne risque pas de trop degrader le liner mais il convient surtout d'eviter la formation possible d'une phase liquide a 1850 deg. C. Des scenarios d'accidents graves de fusion du coeur et d'ebullition du corium ont ete etudies a l'aide d'un modele analytique simple couplant neutronique, thermique et thermodynamique. L'etude a permis de degager des premiers ordres de grandeur (cinetique de fusion, d'ebullition et d'elevation de pression) et elle devrait idealement etre amelioree par une modelisation plus fine des phenomenes physiques. (auteur)

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Original title (French)
Etudes d'accidents du Reacteur a Neutrons Rapides a caloporteur Gaz (RNR-G) en support aux etudes de surete de son combustible

Publishing Information

Imprint Pagination
82 p.
Report number
INIS-FR--25-0092

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Notes
35 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses