Determination of fission product distribution in HEU and LEU TRIGA fuel elements by gamma spectroscopy

Abstract

Der TRIGA MARK II Reaktor am Atominstitut in Wien (ATI) ist bereits seit 2004 die einzige nukleare Einrichtung in Österreich. ewline Im ersten Teil dieser Diplomarbeit sollen zunächst die Isotopen-Zusammensetzung von TRIGA MARK II Brennelementen und anschließend die Spaltproduktverteilung von sechs ausgewählten Brennelementen mittels einer zerstörungsfreien Methode, der hochauflösende Gamma-Spektroskopie, untersucht werden. Um die Spaltproduktverteilung entlang der vertikalen Achse eines Brennelementes messen zu können, wurde ein eigens dafür am Atominstitut entwickeltes Gerät, die sogenannte Fuel-Scannning-Machine (FSM), verwendet. Die gemessenen Aktivitäten dieser Brennelemente wurden anschließend mit den berechneten Aktivitäten aus dem ORIGEN2 Computer Code verglichen.<br />Insgesamt wurden zwei HEU (High Enriched Uranium) und vier LEU (Low Enriched Uranium) Brennelemente gemessen und ausgewertet. ewline Da HEU Materialien auch für Nuklearwaffen genutzt werden können und daher ein hohes Proliferationsrisiko darstellen, wäre Österreich eigentlich bis zum Jahr 2016 dazu verpflichtet gewesen, HEU Brennelemente dem Herkunftsland zurückzuschicken. Nach Verhandlungen in den Jahren 2011 und 2012, beschlossen die österreichische Regierung, die IAEA (Internationale Atomenergie-Organisation) und die US DOE (Energieministerium der Vereinigten Staaten) jedoch einen Brennelementen-Tausch. Im Oktober 2012 schließlich wurden 91 HEU und LEU Elemente vom ATI an das Idaho National Laboratory (INL) transportiert.<br />Um den weiteren Betrieb des Forschungsreaktors gewährleisten zu können, erhielt das Institut in Wien 77 Brennelemente mit geringem Abbrand.<br />ewline Der zweite Teil dieser Diplomarbeit umfasst die Abbrandbestimmung von fünf der vom INL gelieferten Brennelemente. Diese fünf Elemente wurden mit Hilfe der FSM und der Gamma-Spektroskopie untersucht, um so den Abbrand über den ORIGEN2 Code zu bestimmen.<br />

The objective of this thesis was to determine the fission product distribution of selected TRIGA MARK II fuel elements. The experiments were executed at the Institute of Atomic and Subatomic Physics (ATI) in Vienna. In total two HEU (High Enriched Uranium) and four LEU (Low Enriched Uranium) fuel elements were analyzed by using a non-destructive assay of high-resolution gamma-ray spectroscopy. In order to measure specific points along the vertical axis of the fuel element a unique fuel scanning machine (FSM) were used, which was developed at the ATI. The absolute activity of each centimeter was measured and compared with the ORIGEN2 computer code. With the validation of the ORIGEN2 code, five additional low burnt LEU fuel elements with stainless steel cladding were measured for burn up inspection by measuring their $ {137}$Cs activity. Those measurements were also achieved by gamma-ray spectroscopy. The five inspected fuel elements are originated from the Idaho National Laboratory in the United States and have been delivered to the ATI in October 2012. ewline Due to the high proliferation risk of HEU fuel in research reactors, the Austrian ministries decided together with the International Atomic Energy Agency (IAEA) and the US Department of Energy (DOE) to exchange 91 HEU and LEU fuel for 77 low burnt LEU fuel elements from the Idaho National Laboratory site. The exchange took place in October 2012.