The Effect of Cladding Corrosion Products on Heat Transfer of Nuclear Fuel in the Nuclear Power Plant Units Olkiluoto 1 and Olkiluoto 2

Ydinpolttoaineen turvallisessa käytössä on tärkeää huolehtia sen riittävästä jäähdyttämisestä. Polttoaineiden lämmönsiirron mallinnuksessa käytetään erilaisia korrelaatioita. Erityisesti korrelaatiot, jotka mallintavat lämmönsiirtokriisiä, ovat tärkeitä. Lämmönsiirtokriisissä suojakuori joutuu kosketuksiin höyryfaasin kanssa johtaen lämmönsiirron heikkenemiseen ja suojakuoren lämpötilan nousuun. Jos lämpötila nousee tarpeeksi, suojakuori voi vaurioitua. Olkiluoto 1 ja Olkiluoto 2 -ydinvoimalaitosyksiköillä lämmönsiirtokriisiä kuvataan CPR-korrelaatioilla. CPR-korrelaatiot perustuvat kokeellisiin tuloksiin. Näissä korrelaatioissa ei kuitenkaan yleensä ole huomioitu oksidikerroksen ja crud-kerroksen vaikutusta. Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää, vaikuttaako suojakuoren pintaan muodostuva oksidi- ja crud-kerros lämmönsiirtoon ja lämmönsiirtokriisiin merkittävästi. Kirjallisuudesta saatiin selville, että oksidi- ja crud-kerros kasvattavat lämpövastusta. Huokoinen crud-kerros voi kuitenkin tehostaa lämmönsiirtymistä rakenteensa vuoksi. Korroosiotuotteet myös nostavat suojakuoren pinnankarheutta, mikä lisää kuplien ydintymispaikkoja ja voi siten parantaa lämmönsiirtymistä. Karheus voi kuitenkin lisätä nesteen kulkeutumista höyryfaasiin ja laskea siten polttoaineen CPR-arvoa. Lisäksi karheus voi kasvattaa polttoaine-elementin kitkapainehäviötä. Tämä voi laskea CPR-arvoa. Tämän työn laskentaosuudessa tavoitteena oli arvioida, kuinka paljon suojakuoren pinnankarheuden kasvu ja siitä seuraava kitkapainehäviön nousu voi laskea polttoaineen CPR-arvoa. Laskenta suoritettiin SIMULATE-3-sydänsimulaattorilla kasvattamalla polttoaine-elementtien yksifaasikitkakertoimia. Tulokseksi saatiin, että CPR-arvon lasku on maksimissaan 0–1 vuotiailla polttoaine-elementeillä 1 % ja 1–6 vuotiailla 3 %:a. Todellisuudessa 1–6 vuotiaiden lasku on luultavasti alle 2 %:a. Laskennassa tarkasteltiin myös reaktorin pienimmän CPR-arvon muuttumista. Kun 0–1 tai 1–2 vuotiailla karheus oli 1 µm, arvon lasku oli maksimissaan noin 1 %. Kun 1–2 vuotiailla karheus oli 3 µm, lasku oli maksimissaan noin 3 %:a. Todellisuudessa reaktorin MCPR luultavasti laskee alle 2 %:a. 2–6 vuotiaiden karheus nosti MCPR-arvoa. Suojakuoren pinnankarheus saattaa kuitenkin kasvaa vain hieman korroosiotuotteiden vuoksi ja pintaa voidaan pitää sileänä veden yksifaasivirtauksessa. Tällöin polttoaine-elementtien yksifaasikitkakertoimia voitaisiin pitää tarpeeksi tarkkana ja jättää karheuden kasvu huomioimatta