Qucosa – Hemholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
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Ein Modell zur Beschreibung der Kühlmittelvermischung und seine Anwendung auf die Analyse von Borverdünnungstransienten in Druckwasserreaktoren
Get PDFEs wurde ein Modell zur realistischen Beschreibung der Kühlmittelvermischung innerhalb des Reaktordruckbehälters eines Druckwasserreaktors entwickelt und validiert. Dieses schnell rechnende Modell basiert auf dem Prinzip der linearen Superposition der Antwortfunktionen auf Dirac-Impuls-ähnliche Störungen der Kühlmittelparameter. Es wurde in den gekoppelten Programmkomplex DYN3D/ATHLET als Schnittstelle zwischen dem eindimensionalen Thermohydraulikprogramm ATHLET und dem dreidimensionalen neutronenkinetischen Kernmodell DYN3D eingebunden und simuliert in effizienter Weise die Vermischung des Kühlmittels innerhalb des RDB.
Für die Analyse von hypothetischen Borverdünnungsstörfallen wurde eine Methodik entwickelt, die auf dem neuen Modell zur Beschreibung der Kühlmittelvermischung basiert. Diese Methodik besteht aus einer Kombination von stationären und transienten Rechnungen, in denen die Vermischung der deborierten Pfropfen auf dem Weg zum Reaktorkern in realistischer Weise simuliert wird. Über die Variation der Größe des deborierten Kühlmittelpfropfens kann der gewünschte Grad an Konservativität für die Analysen vorgegeben werden.
Diese neue Methodik wurde erfolgreich auf zwei verschiedene Borverdünnungsstörfalle angewandt. Neben dem Start der ersten Hauptkühlmittelpumpe bei Vorhandensein eines deborierten Kühlmittelpfropfens im kalten Strang des Primärkreislaufes wurde ein Deborierungsstörfall im Nachkühlbetrieb betrachtet. In beiden Fällen zeigten die Ergebnisse der Parameterstudie für eine generische Kernkonfiguration, dass es selbst bei Annahme des maximal möglichen Pfropfenvolumens zwar zur Rekritikalität des abgeschalteten Reaktors aber nicht zu einer unzulässigen Erhöhung der Hüllrohrtemperatur kommt. Wesentliche Ursache dafür ist die Verwendung realistischer zeitabhängiger Verteilungen der Borkonzentration am Eintritt in jedes Brennelement
Application of the Master Curve approach to fracture mechanics characterisation of reactor pressure vessel steel
Get PDFThe paper presents results of a research project founded by the Swiss Federal Nuclear Inspectorate concerning the application of the Master Curve approach in nuclear reactor pressure vessels integrity assessment. The main focus is put on the applicability of pre-cracked 0.4T-SE(B) specimens with short cracks, the verification of transferability of MC reference temperatures T0 from 0.4T thick specimens to larger specimens, ascertaining the influence of the specimen type and the test temperature on T0, investigation of the applicability of specimens with electroerosive notches for the fracture toughness testing, and the quantification of the loading rate and specimen type on T0. The test material is a forged ring of steel 22 NiMoCr 3 7 of the uncommissioned German pressurized water reactor Biblis C.
SE(B) specimens with different overall sizes (specimen thickness B=0.4T, 0.8T, 1.6T, 3T, fatigue pre-cracked to a/W=0.5 and 20% side-grooved) have comparable T0. T0 varies within the 1σ scatter band. The testing of C(T) specimens results in higher T0 compared to SE(B) specimens. It can be stated that except for the lowest test temperature allowed by ASTM E1921-09a, the T0 values evaluated with specimens tested at different test temperatures are consistent. The testing in the temperature range of T0 ± 20 K is recommended because it gave the highest accuracy. Specimens with a/W=0.3 and a/W=0.5 crack length ratios yield comparable T0. The T0 of EDM notched specimens lie 41 K up to 54 K below the T0 of fatigue pre-cracked specimens. A significant influence of the loading rate on the MC T0 was observed. The HSK AN 425 test procedure is a suitable method to evaluate dynamic MC tests. The reference temperature T0 is eligible to define a reference temperature RTTo for the ASME-KIC reference curve as recommended in the ASME Code Case N-629. An additional margin has to be defined for the specific type of transient to be considered in the RPV integrity assessment. This margin also takes into account the level of available information of the RPV to be assessed
The sorption of uranium(VI) and neptunium(V) onto surfaces of selected metal oxides and alumosilicates studied by in situ vibrational spectroscopy
Get PDFThe migration behavior of actinides and other radioactive contaminants in the environment is controlled by prominent molecular phenomena such as hydrolysis and complexation reactions in aqueous solutions as well as the diffusion and sorption onto minerals present along groundwater flow paths. These reactions significantly influence the mobility and bioavailability of the metal ions in the environment, in particular at liquid-solid interfaces.
Hence, for the assessment of migration processes the knowledge of the mechanisms occurring at interfaces is crucial. The required structural information can be obtained using various spectroscopic techniques.
In the present study, the speciation of uranium(VI) and neptunium(V) at environmentally relevant mineral – water interfaces of oxides of titania, alumina, silica, zinc, and alumosilicates has been investigated by the application of attenuated total reflection Fouriertransform infrared (ATR FT-IR) spectroscopy. Moreover, the distribution of the hydrolysis products in micromolar aqueous solutions of U(VI) and Np(V/VI) at ambient atmosphere has been characterized for the first time, by a combination of ATR FT-IR spectroscopy, near infrared (NIR) absorption spectroscopy, and speciation modeling applying updated thermodynamic databases.
From the infrared spectra, a significant change of the U(VI) speciation is derived upon lowering the U(VI) concentration from the milli- to the micromolar range, strongly suggesting the dominance of monomeric U(VI) hydrolysis products in the micromolar solutions. In contradiction to the predicted speciation, monomeric hydroxo species are already present at pH ≥ 2.5 and become dominant at pH 3. At higher pH levels (> 6), a complex speciation is evidenced including carbonate containing complexes.
For the first time, spectroscopic results of Np(VI) hydrolysis reactions are provided in the submillimolar concentration range and at pH values up to 5.3, and they are comparatively discussed with U(VI). For both actinides, the formation of similar species is suggested at pH ≤ 4, whereas at higher pH, the infrared spectra evidence structurally different species. At pH 5, the formation of a carbonate-containing dimeric complex, that is (NpO2)2CO3(OH)3^-, is strongly suggested, whereas carbonate complexation occurs only under more alkaline conditions in the U(VI) system.
The results from the experiments of the sorption processes clearly demonstrate the formation of stable U(VI) surface complexes at all investigated mineral phases. This includes several metal oxides, namely TiO2, Al2O3, and SiO2, serving as model systems for the elucidation of more complex mineral systems, and several alumosilicates, such as kaolinite, muscovite and biotite. From a multiplicity of in situ experiments, the impact of sorbent characteristics and variations in the aqueous U(VI) system on the sorption processes was considered.
A preferential formation of an inner-sphere complex is derived from the spectra of the TiO2 and SiO2 phases. In addition, since the in situ FT-IR experiments provide an online monitoring of the absorption changes of the sorption processes, the course of the formation of the U(VI) surface complexes can be observed spectroscopically. It is shown that after prolonged sorption time on TiO2, resulting in a highly covered surface, outer-sphere complexation predominates the sorption processes. The prevailing crystallographic modification, namely anatase and rutile, does not significantly contribute to the spectra, whereas surface specific parameters, e.g. surface area or porosity are important.
A significant different surface complexation is observed for Al2O3. The formation of innerspheric species is assumed at low U(VI) surface coverage which is fostered at low pH, high ionic strength and short contact times. At proceeded sorption the surface complexation changes. From the spectra, an outer-spheric coordination followed by surface precipitation or polymerization is deduced. Moreover, in contrast to TiO2, the appearance of ternary U(VI) carbonate complexes on the γ-Al2O3 surface is suggested.
The first results of the surface reactions on more complex, naturally occurring minerals (kaolinite, muscovite and biotite) show the formation of U(VI) inner-sphere sorption complexes. These findings are supported by the spectral information of the metal oxide surfaces.
In this work, first spectroscopic results from sorption of aqueous Np(V) on solid mineral phases are provided. It is shown that stable inner-sphere surface species of NpO2 ^+ are formed on TiO2. Outer-sphere complexation is found to play a minor role due to the pH independence of the sorption species throughout the pH range 4 – 7.6. The comparative spectroscopic experiments of Np(V) sorption onto TiO2, SiO2, and ZnO indicate structurally similar bidentate surface complexes.
The multiplicity of IR spectroscopic experiments carried out within this study yields a profound collection of spectroscopic data which will be used as references for future investigations of more complex sorption systems in aqueous solution. Furthermore, from a methodological point of view, this study comprehensively extends the application of ATR FT-IR spectroscopic experiments to a wide range in the field of radioecology.
The results obtained in this work contribute to a better understanding of the geochemical interactions of actinides, in particular U(VI) and Np(V/VI), in the environment. Consequently, more reliable predictions of actinides migration which are essential for the safety assessment of nuclear waste repositories can be performed
Realization of radiobiological in vitro cell experiments at conventional X-ray tubes and unconventional radiation sources
Get PDFMore than hundred years after the discovery of X-rays different kinds of ionizing radiation are ubiquitous in medicine, applied to clinical diagnostics and cancer treatment as well. Irrespective of their nature, the widespread application of radiation implies its precise dosimetric characterization and detailed knowledge of the radiobiological effects induced in cancerous and normal tissue. Starting with in vitro cell irradiation experiments, which define basic parameters for the subsequent tissue and animal studies, the whole multi-stage process is completed by clinical trials that translate the results of fundamental research into clinical application. In this context, the present dissertation focuses on the establishment of radiobiological in vitro cell experiments at unconventional, but clinical relevant radiation qualities.
In the first part of the present work the energy dependent biological effectiveness of photons was studied examining low-energy X-rays (≤ 50 keV), as used for mammography, and high-energy photons (≥ 20 MeV) as proposed for future radiotherapy. Cell irradiation experiments have been performed at conventional X-ray tubes providing low-energy photons and 200 kV reference radiation as well. In parallel, unconventional quasi-monochromatic channeling X-rays and high-energy bremsstrahlung available at the radiation source ELBE of the Forschungszentrum Dresden-Rossendorf were considered for radiobiological experimentation. For their precise dosimetric characterization dosimeters based on the thermally stimulated emission of exoelectrons and on radiochromic films were evaluated, whereas just the latter was found to be suitable for the determination of absolute doses and spatial dose distributions at cell position. Standard ionization chambers were deployed for the online control of cell irradiation experiments. Radiobiological effects were analyzed in human mammary epithelial cells on different subcellular levels revealing an increasing amount of damage for decreasing photon energy. For this reason, the assumed photon energy dependence was reconfirmed for a cell line other than human lymphocytes, an important finding that was discussed on the 2007 Retreat of the German Commission on Radiological Protection.
After successful finalization of the photon experiments the focus of the present dissertation was directed to the realization of in vitro cell irradiation experiments with laser-accelerated electrons. This research was carried out in the frame of the project onCOOPtics that aims on the development of laser-based particle accelerators, which promise accelerators of potentially compact size and more cost-effectiveness suitable for a widespread medical application, especially for high precision hadron therapy. The unique properties, i.e., the ultrashort bunch length and resultant ultrahigh pulse dose rate, of these unconventional particle accelerators demand for extensive investigations with respect to potential effects on the dosimetric and radiobiological characterization. Based on the experiences gained at ELBE first experiments on the radiobiological characterization of laser-accelerated electrons have been performed at the Jena Titanium:Sapphire laser system. After beam optimization, a sophisticated dosimetry system was established that allow for the online control of the beam parameters and for the controlled delivery of dose to the cell sample. Finally, worldwide first systematic in vitro cell irradiation experiments were carried out resulting in a reduced biological effectiveness for laser-accelerated electrons relative to the 200 kV X-ray reference, irrespectively on the biological effect and cell lines examined. These successful results are the basis for future in vivo studies and experiments with laser-accelerated protons
Östrogennachweis in wässrigen Lösungen mit Hilfe Silizium-basierter Lichtemitter
Get PDFIn dieser Arbeit wurde ein Sensorkonzept mit Hilfe der Si-basierten Lichtemitter (MOSLED) zum Östrogennachweis in wässrigen Lösungen entwickelt. Das Sensorkonzept basiert auf einer direkten Fluoreszenzanalyse und besteht aus der Anordnung der Bio-Komponenten und dem Verfahren zu ihrer Herstellung sowie dem eigentlichen Meßverfahren. Die Anordnung besteht aus drei Teilen: die Funktionalisierung der MOSLED-Oberfläche, die Immobilisierung des hER -Rezeptors und die Herstellung der Referenzlösung. Den Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Ausführung dieser drei Teile.
Die Funktionalisierung der SiO2-Oberfläche der MOSLED wurde mit Hilfe eines im Rahmen dieser Arbeit entwickelten SSC (Spraying Spin Coating)- Verfahrens realisiert. Die Ausgangsmaterialien dieses Verfahrens sind organofunktionelle Silangruppen mit drei unterschiedlichen funktionellen Gruppen, nämlich die Amino-, Carboxyl- und die Thiolgruppen. Die Optimierung dieser Methode erfolgte mittels der zwei Silangruppen APMS ((3- Aminopropyl)trimethoxysilane und Triamino-APMS (N-[3-(Trimethoxysilyl)propyl]ethylenediamine mit der gleichen Molekülstruktur, aber mit einer unterschiedlichen Anzahl an funktionellen Gruppen. Diese Resultate wurden mit in der Literatur beschriebenen Verfahren verglichen. Die Optimierung der SSC-Methode wurde zuerst auf einfache SiO2-Oberflächen und dann auf der Oberfläche der MOSLED angewendet. Die Proben wurden mit Hilfe üblicher Methoden der Oberflächenphysik- wie FTIR-, Raman- und XPS-Spektroskopie untersucht.Die Oberflächenrauhigkeit wurde mittels AFM-Spektroskopie ermittelt, deren Aufnahmen eine glatte Oberfläche bei den mit der SSC-Methode silanisierten Proben zeigen. Während die Hydrophobizität der funktionalisierten SiO2-Oberflächen zunimmt, sinkt dabei die Oberflächenenergie, welche die Anbindung eines hER -Rezeptors mit großer Bindungsenergie begünstigt. Zur Immobilisierung des hER -Rezeptors wurde dieser erst an das Hüllenmolekül des QDots R-655-Farbstoffs gebunden und anschließend an der SSC-silanisierten SiO2-Oberflächen adsorbiert. Der Anteil der immobilisierten Rezeptoren wurde mittels PL-Messung kontrolliert.
Eine andere Immobilisierungstrategie des hER -Rezeptors an die SiO2-Oberfläche kann mit Hilfe eines Aminosäure-Derivates um den Rezeptor realisiert werden. Eine Adsorption der Lysinaminosäure an die SSC-APMS silanisierten SiO2- Oberflächen als Funktion des pH-Wertes wurde durchgeführt, und der Adsorbatsanteil des Lysins mittels XPS-Messung durch die Bindungsenergien der Energieniveaus C1s und N1s berechnet. Eine Referenzlösung mit QDots R 800-Farbstoff markierten Östrogenmolekülen kommt zum Einsatz. Dabei wird die Position 17 des β-Estradiolmoleküls, welches mit einem N-Hydroxysuccinimide Derivat versehen ist, an das Hüllenmolekül des QDots R 800-Farbstoff gebunden,sodass der Phenolring des β-Estradiols frei bleibt. Insbesondere ist bei den FTIR-Spektren
eine nichtgebunden OH-Gruppe des β-Estradiolmoleküls gut erkennbar. Das gesamte Sensorkonzept wurde an zwei mit Östrogen mit einer Konzentration von 1mM und 1μM versetzten Wasserproben getestet. Die Anordnung der Bio-Komponenten wurde mittels PL nachgewiesen. Der Östrogennachweis wurde mit Hilfe des Ge- und Tb-basierten Lichtemitters demonstriert
WTZ mit Russland - Transientenanalysen für Kernreaktoren - Abschlussbericht
Get PDFDer Reaktordynamikcodes DYN3D wurde in der neu entwickelten Mehrgruppen-Version DYN3D-MG für die Anwendung auf wassergekühlte Reaktoren alternativ zu industriellen DWR und SWR ertüch-tigt. Es wurde die Anwendbarkeit für den graphitmoderierten Druckröhrenreaktor EGP-6 (KKW Bilibi-no), eine Konzeptstudie eines fortgeschrittenen Siedewasserreaktors mit schnellem Neutronenspekt-rum (RMWR) und das Reaktorkonzept RUTA-70 zur Wärmeversorgung nachgewiesen. Beim RUTA-Reaktor geht es vor allem um die Modellierung des Naturumlaufs des Kühlmittels bei niedrigen Sys-temdrücken. Zur Validierung wurden Experimente zu flashing-induzierten Naturumlaufinstabilitäten an der Versuchsanlage CIRCUS der TU Delft mit RELAP5 nachgerechnet. Für die Anwendung von DYN3D auf die alternativen Reaktorkonzepte wurden Modellerweiterungen und Anpassungen vorgenommen, u.a. Modifikationen in den Wärmeleitungs- und -übergangsmodellen. Vergleichsrechnungen mit dem stationären russischen Feingitter-Diffusionscode ACADEM ergänzen die Verifikationsdatenbasis von DYN3D-MG. Zur Validierung wurden zwei reak-tordynamische Experimente am Reaktor EGP-6 nachgerechnet. Für Reaktoren EGP-6, RMWR und RUTA wurden verschiedene Transienten mit Ausfahren von Re-gelstäben mit und ohne Reaktorschnellabschaltung gerechnet. Weiterhin wurden Analysen für den ATWS-Störfall \"Abschalten aller Hauptkühlmittelpumpen bei Vollleistung\" für den RUTA-Reaktor mit den gekoppelten Programmkomplexen DYN3D/ATHLET und DYN3D/RELAP5 durchgeführt. Der Reaktor geht in einen sicheren Zustand mit reduzierter Leistung bei Naturumlauf des Kühlmittels über. Die Ergebnisse von Analysen zum unkontrollierten Ausfahren einer Regelgruppe für den RMWR lassen dagegen eine belastbare Schlussfolgerung bezüglich der Beherrschbarkeit des Aus-fahrens einer Regelgruppe nicht zu. Abschließend wurde der Nutzen der Programmertüchtigung von DYN3D für die Anwendung auf GenIV -Konzepte und LWR mit hohem Konversionsfaktor bewertet
Annual Report 2009 - Institute of Ion Beam Physics and Materials Research
Get PDFThe Institute of Ion Beam Physics and Materials Research (IIM) is one of the six institutes of the Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD), and contributes the largest part to its Research Program \"Advanced Materials\", mainly in the fields of semiconductor physics and materials research using ion beams. The institute operates a national and international Ion Beam Center, which, in addition to its own scientific activities, makes available fast ion technologies to universities, other research institutes, and industry. Parts of its activities are also dedicated to exploit the infrared/THz free-electron laser at the 40 MeV superconducting electron accelerator ELBE for condensed matter research. For both facilities the institute holds EU grants for funding access of external users