Validierung von Kritikalitätsberechnungen

Transport- und Lagerbehälter TN 85 Quelle: Areva - TN International

Die Zulassung von Transport- und Lagerbehältern für spaltbare radioaktive Stoffe (bspw. CASTOR-Behälter) erfordert die Durchführung und Dokumentation einer Kritikalitätssicherheitsanalyse durch den Antragsteller.

Damit wird nachgewiesen, dass eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion innerhalb des Behälters auch unter ungünstigsten Transportbedingungen – wie schweren Unfällen – nicht eintreten kann.

Dies ist eine der Bedingungen an ein „sicheres Versandstück“, das strengen nationalen und internationalen Vorschriften unterliegt, um den Schutz von Personen, Eigentum und Umwelt zu gewährleisten.

Die Prüfung und Bewertung dieser Kritikalitätssicherheitsanalysen liegt im Aufgabenbereich des BASE.

Neue Software ermöglicht schnellere Berechnungen

Kritikalitätssicherheitsanalysen werden im Allgemeinen durch Rechnungen mit komplexen Programmsystemen gestützt. Diese Programme müssen nicht nur grundsätzlich richtig funktionieren, sondern auch die Realität korrekt abbilden. Dies wird durch die Nachrechnung kritischer Experimente, die als Benchmarks dienen, und anschließendem Vergleich mit den zugehörigen Messergebnissen erreicht (Validierung an Benchmark-Experimenten).

Während des jetzt abgeschlossenen Forschungsprojekts wurde eine neue, zusätzliche Software entwickelt. Diese erlaubt es, bei den hochkomplexen Berechnungen Korrelationen zwischen den Benchmark-Experimenten mit zu erfassen.

Mit der neuen Software können diese Korrelationen bei der Bestimmung von Sicherheitszuschlägen mit deutlich weniger Rechenaufwand als bisher quantitativ berücksichtigt werden.

Im Forschungsprojekt wurde darüber hinaus auch grundsätzlich erforscht, welche Bedeutung Korrelationen aus herangezogenen Serienexperimenten für die Sicherheitsanalysen haben. Dabei wurden verschiedene Ansätze zur Berücksichtigung von Korrelationen untersucht, bewertet und der geeignetste in die Software umgesetzt.

Hintergrund: Kritische Experimente und Korrelationen

In kritischen Experimenten wird eine Anordnung durch Variationen, z. B. Annäherung des Spaltstoffs, der Neutronenmoderatoren oder -reflektoren, wohlkontrolliert so nahe an den Zustand einer selbst erhaltenden Kettenreaktion geführt, dass sich die Parameter des exakt kritischen Zustands durch Extrapolation bestimmen lassen.

Aufbau und Durchführung solcher Experimente sind aufwändig und teuer. Sie werden deswegen nur von wenigen Staaten betrieben, z. B. von den USA. Betrachtet werden typischerweise metallische oder oxidische Spaltstoffe, aber auch Spaltstofflösungen.

Für Validierungen geeignete Dokumentationen kritischer Experimente stehen nur in begrenzter Zahl zur Verfügung. Oftmals wurden solche Experimente in Serien durchgeführt, wobei zwischen den einzelnen Experimenten nur wenige Parameter (wie z. B. Abstände und einzelne Materialien) verändert wurden. Somit ziehen sich wichtige experimentelle Parameter häufig in gleicher Weise durch die ganze Serie hindurch. Dies senkt den Informationsgewinn durch jedes zusätzliche Experiment der Serie. Man spricht dabei von Korrelationen.

Bei der Ableitung von Sicherheitszuschlägen aus dem Vergleich von Rechen- und Messergebnissen werden Korrelationen innerhalb der Validierungsbasis routinemäßig auf qualitative Art mitbetrachtet. Mit den neuen Rechentools ist nun auch eine Möglichkeit zur quantitativen Bewertung für den praktischen Einsatz gegeben.