An Analytical Criterion to Prevent PCMI Fuel Rod Cladding Failure during RIA Transients
Un critère analytique de non-rupture des gaines des crayons combustibles par interaction pastille-gaine lors de transitoires d’insertion de réactivité
EDF/SEPTEN, Nuclear Fuel Division (France)
This paper describes a new approach to define an analytical fuel rod cladding failure criterion during fast power transients such as reactivity initiated accidents (RIAs). Though cladding failure is not a safety issue in itself in such situations, a criterion aiming at precluding this risk is a useful decoupling limit allowing to meet the safety issues. Based on experimental results, a failure limit, expressed in critical strain energy density (CSED) as a function of the waterside corrosion level or rod average burnup, has been determined. The CSED failure limit is then transposed for PWR conditions in terms of critical energy deposition (DHc) in the fuel. This is done by the means of CYRANO3 (steadystate) and SCANAIR (transient) calculations using relevant input data (rod design, power history, RIA transient shape, etc.). The DHc limit is a function of both rod average burnup and initial linear power. It is applicable to UO2/Zy-4 rods submitted to rod ejection accidents (REAs), during which the cladding is subject to PCMI mechanical loading. It also precludes the risk of failure by oxidation and embrittlement at low burnup. The robustness of the DHc failure criterion is ensured by the penalties and uncertainties taken into account at the different steps of its elaboration
Résumé
L’article décrit une nouvelle approche pour définir un critère de rupture des gaines des crayons combustibles lors de transitoires de puissance rapides, comme l’accident d’insertion de réactivité (RIA). Bien que la rupture des gaines ne soit pas un problème de sûreté pour ces situations, un critère visant à éliminer ce risque constitue une limite de découplage utile pour respecter les exigences de sûreté. Sur la base de résultats expérimentaux, une limite de rupture, exprimée en densité d’énergie de déformation critique (DEDc), en fonction du niveau de corrosion externe des gaines ou du taux de combustion moyen des crayons, a été définie. La limite de rupture en CSED est ensuite transposée, pour les conditions REP, en termes de dépôt d’énergie critique (DHc) dans le combustible. Ceci est réalisé à l’aide des codes de calcul CYRANO3 (irradiation de base) et SCANAIR (transitoire), avec des données d’entrée pertinentes (conception du crayon, historique de puissance, forme du transitoire RIA, etc.). La limite en DHc est fonction du taux de combustion des crayons et de la puissance linéique initiale. Elle est applicable aux combustibles UO2/Zy-4 soumis à un accident d’éjection de grappe, au cours duquel la gaine est soumise à un chargement d’interaction pastille-gaine (IPG). Elle élimine aussi le risque de rupture par oxydation accélérée à faible taux de combustion. La robustesse du critère de rupture en DHc est assurée par les incertitudes et pénalités prises en compte lors des différentes étapes de son élaboration.
© SFEN 2010