Advanced Treatment of Fission Yield Effects and Method Development for Improved Reactor Depletion Calculations

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. ... mehrDie 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.

Fission product yield data play an important role in simulations of nuclear fission reactors, aimed at fuel cycle and safety analyses. Along with cross-section and radioactive decay data, they determine the nuclide inventory, the neutronic properties and the decay heat generation of irradiated nuclear fuel. In existing evaluated nuclear data libraries, fission product yields are given in a structure of no more than three or four energy groups or data points. The related uncertainty information is so far limited to variances, which puts a constraint on uncertainty quantifications of e. ... mehrg. criticality under high-burnup conditions. The present PhD work has been aimed at the development of a fission model code for application in future fission product yield evaluations, with the objective of a better consideration of the physical effects governing the nuclear fission process. The GEF code, developed by K.-H. Schmidt and B. Jurado on behalf of the OECD Nuclear Energy Agency, is based on a detailed and physically sound semi-empirical fission model. In order to provide an adequate modeling of possible pre-fission deexcitation of the compound nucleus, its version GEF-2013/2.2 has been coupled with the TALYS-1.4 nuclear model code. The model calculation of the fission product yields has been run in 77 incident energy groups up to 20 MeV, thus allowing a detailed assessment of energy dependencies. Validations of the results have been carried out on different levels involving independent and cumulative fission product yields, delayed neutron yields and the time dependent emission of delayed neutrons, beta and gamma radiation. The time dependent nuclide inventory was calculated by the Chebyshev Rational Approximation Method. A satisfactory agreement with experimental data has been obtained in many cases. However, the prediction of delayed neutron emission proved to be most challenging. Deficiencies of the fission model, which still caused major deviations in this area, have been identified. Furthermore, the application of the model to describe fission related observables in the resolved resonance range has been discussed and demonstrated for the target U-235. Finally, the fission product yield data generated by the coupled codes have been applied in a simulation of a depletion experiment carried out in the PWR at Obrigheim, Germany, during the 1970s. This simulation was carried out in common work using the in-house KAPROS-KANEXT code system. On the level of the depletion code, the consideration of energy dependencies of the fission product yields has been improved by the inclusion of newly developed modules dedicated to the processing of fission product yield data. The results obtained under application of the model-based data are in good agreement with most of the values measured in the depletion experiment and proved to be competitive to the results from existing standard procedures.