JEFFEAT - OpenFOAM Fuel Behaviour Tool und Nukleare Bibliotheken

• Forschungsstelle: ENSI
• Projektnummer: CTR01026

Schlüsselwörter (Deutsch)

Brennstoff, Störfälle, Kernkraftwerk, deterministische Sicherheitsanalysen, Modellierung

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Der derzeit vom PSI verwendete Brennstoff-Code ist FALCON, der von EPRI entwickelt wurde und 2D-Rechnungen erlaubt. Für bestimmte lokale Effekte sind 3D-Rechnungen die bessere Option. PSI und EPFL haben dafür gemeinsam den lizenzfreien Code OFFBEAT entwickelt. Diesen will das PSI mit dem vorliegenden Projekt weiterentwickeln, besser verifizieren und validieren sowie mit dem Code Falcon vergleichen.

Für Reaktivitäts- und Abbrandrechnungen wird auf nukleare Bibliotheken zurückgegriffen, die laufend weiterentwickelt werden. Bei neueren Versionen zweier weit verbreiteter Bibliotheken (JEFF und ENDF) zeigte sich eine unerwartete Überschätzung des Reaktivitätsverlusts während des Abbrands. Das PSI will mit seinem vorhandenen Programmsystem Vergleiche zu anderen Bibliotheken ziehen und verantwortliche Nuklide für die Abweichungen identifizieren.

Projektziele (Deutsch)

Die im Forschungsprogramm (weiter-)entwickelten Rechenprogramme werden laufend für die deterministischen Sicherheitsanalysen der Schweizer Kernkraftwerke eingesetzt. Dafür zieht das ENSI die PSI-Forscher auch als Experten heran. Auch aus Gründen der Unabhängigkeit ist es wünschenswert, dass vermehrt von der Nuklearindustrie unabhängige Codes eingesetzt werden. Dazu bietet der Code OFFBEAT eine Gelegenheit. Die möglichen neuen Erkenntnisse zu nuklearen Bibliotheken können langfristig die Genauigkeit der Reaktivitätsberechnung erhöhen, sowohl für den Reaktorbetrieb, als auch für die Kritikalitätssicherheit bei der Lagerung.

Abstract (Englisch)

The JEFFEAT project, launched in July of 2023, includes studies towards enhanced neutronic and thermo-mechanical modelling capabilities for LWR fuels. The project considers two aspects of advanced analysis of LWRs in two separate work packages: high fidelity analysis of nuclear fuel behaviour using the OpenFOAM Fuel Behaviour Tool (OFFBEAT) code, and performance assessment of novel nuclear data libraries (JEFF, ENDF/B).

In the area of fuel behaviour (work package 1), validation of the OFFBEAT code for selected REBEKA tests on LOCA conditions for both 2D and 3D geometries was completed, including comparisons against Falcon results. The coupling between OFFBEAT and an OpenFOAM-based compressible single phase CFD solver was further developed to address several issues and demonstrated for a relevant 3D test case. In the area of neutronics (work package 2), the technical reporting for all neutronics assessments was released. The JEFFEAT project was finalised in the first quarter of 2024.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Der Entwicklungsstand von OFFBEAT sollte eruiert, sein Ergänzungspotential gegenüber FALCON zu 3D-Anwendungen bewertet und seine Verifikation und Validierung erweitert werden. Es wurde das Verhalten eines Brennstabs während eines Kühlmittelverlust-Störfalls modelliert und mit experimentellen Daten verglichen. Das Brennstabverhalten konnte sehr gut wiedergegeben werden. Insbesondere konnten durch die 3D-Modellierung azimutale Effekte bei der Brennstabverformung berücksichtigt werden, was in 2D so nicht möglich ist.

Im zweiten Teilprojekt sollte eine effiziente Programmkette entwickelt werden, die die Eignung neuer nuklearer Bibliotheken bewertet. Dies wurde erfolgreich durchgeführt. Es zeigten sich bekannte Schwächen hinsichtlich der Überschätzung des Reaktivitätsabbaus und der Unterschätzung des Pu-239-Aufbaus, die aber bei der neuesten Version von JEFF deutlich weniger ausgeprägt waren.

Für beide Teilgebiete lässt das ENSI regelmässig am PSI unabhängige Sicherheitsanalysen durchführen. Durch die Ergebnisse dieses Projekts wurden die Möglichkeiten hierfür erweitert und die Genauigkeit der Resultate verbessert. Die Arbeiten wurden wie geplant umgesetzt. Das Projekt endete im Februar 2024. Die Themen selbst werden aber im Rahmen der Pflege und Weiterentwicklung der beteiligten Programme innerhalb des Projekts STARS weiterverfolgt.