Advanced Treatment of Fission Yield Effects and Method Development for Improved Reactor Depletion Calculations
Creators: name: Kern, Kilian
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2018
Subjects: nuclear reaction modeling
fission product yields
inventory calculation
decay radiation
delayed neutrons

description: Daten über Spaltproduktausbeuten spielen eine wichtige Rolle in Simulationen von Kernreaktoren, welche auf Brennstoffzyklus- und Sicherheitsanalysen abzielen. Zusammen mit den Daten über Wirkungsquerschnitte und radioaktiven Zerfall bestimmen sie das Nuklidinventar, die neutronischen Eigenschaften und die Entstehung von Nachzerfallswärmeleistung von bestrahltem Kernbrennstoff. In bestehenden evaluierten Kerndatenbibliotheken sind die Spaltproduktausbeuten in einer Struktur von nicht mehr als drei oder vier Energiegruppen bzw. Datenpunkten gegeben. Die zugehörige Unsicherheitsinformation ist bislang auf Varianzen beschränkt, was die Quantifizierung der Unsicherheit beispielsweise der Kritikalität bei hohem Abbrand einschränkt. Die vorstehende Arbeit zielte darauf ab, einen Modellcode für Kernspaltung zur Anwendung in künftigen Evaluationen der Spaltproduktausbeuten zu entwickeln, mit dem Ziel einer besseren Berücksichtigung der den Kernspaltungsprozess beherrschenden physikalischen Effekte. Der GEF-Code, welcher von K.-H. Schmidt und B. Jurado im Auftrag der OECD NEA entwickelt wurde, basiert auf einem detaillierten und physikalisch fundierten Kernspaltungsmodell. Um eine mögliche Abregung des Compoundkerns vor der Spaltung adäquat zu modellieren, wurde dessen Version GEF-2013/2.2 mit dem Modellcode TALYS-1.4 gekoppelt. Die Modellrechnung der Spaltproduktausbeuten wurde in 77 Energiegruppen bis hinauf zu 20 MeV ausgeführt, was eine detaillierte Analyse der Energieabhängigkeiten ermöglicht. Validierungen der Ergebnisse wurden auf verschiedenen Ebenen vorgenommen, darunter primäre und kumulative Spaltproduktausbeuten, die Ausbeute verzögerter Neutronen und die zeitabhängige Emission von verzögerter Neutronen-, Beta- und Gammastrahlung. Das zeitabhängige Nuklidinventar wurde mithilfe der rationalen Tschebyscheff-Näherung berechnet. In vielen Fällen ergab sich eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Die Vorhersage der verzögerten Neutronenemission erwies sich jedoch als größte Herausforderung. Defizite des Kernspaltungsmodells, welche in diesem Bereich noch größere Abweichungen verursachten, wurden identifiziert. Weiterhin wurde die Anwendung des Modells zur Beschreibung der mit der Kernspaltung zusammenhängenden Observablen im aufgelösten Resonanzbereich diskutiert und für das Target U-235 demonstriert. Schließlich wurden die von den gekoppelten Codes erzeugten Spaltproduktausbeuten in der Simulation eines während der 1970er Jahre im DWR bei Obrigheim (Deutschland) durchgeführten Abbrandexperiments angewandt. Diese Simulation wurde in einer gemeinsamen Arbeit mit dem hauseigenen KAPROS-KANEXT Codesystem ausgeführt. Auf der Ebene des Abbrandcodes wurde die Berücksichtigung der Energieabhängigkeiten der Spaltproduktausbeuten durch den Einbau neu entwickelter Module, welche der Verarbeitung der Daten über Spaltproduktausbeuten dienen, verbessert. Die unter Anwendung der modellbasierten Daten erhaltenen Ergebnisse stimmen gut mit den meisten im Abbrandexperiment gemessenen Werten überein und erwiesen sich als konkurrenzfähig zu den Ergebnissen aus bestehenden Standardverfahren.