Új típusú fűtőelemek vízhűtésű reaktorokhoz

Átírás

1 Új típusú fűtőelemek vízhűtésű reaktorokhoz Hózer Zoltán, Slonszki Emese, Kunstár Mihály, Pintérné Csordás Anna TSO Szeminárium, OAH, április 29.

2 A projekt célja Vízhűtésű termikus reaktorokhoz használható új típusú fűtőelemek fejlesztéseinek áttekintése: Nemzetközi kapcsolatok, szakmai folyóiratok publikációi és konferenciaanyagok alapján. Eddigi tapasztalatok, előnyök és hátrányok. Az erőművi használat várható perspektívái.

3 Miért fejlesztenek új típusú fűtőelemeket vízhűtésű reaktorokhoz? Hidrogénfejlődés megakadályozása a burkolat vízgőzös oxidációja során balesetnél. A kiégett üzemanyag hosszútávú radiotoxicitásának mérséklésére a keletkező másodlagos aktinidák csökkentése. Normál üzemben a tabletta hőmérsékletének és hasadási gáz kibocsátásának csökkentése. Balesetálló fűtőelem: védőréteg a cirkónium cső felületén. Inert mátrix: a tablettában kevés 238 U izotóp lenne a hasadóanyag mellett, a fő anyaga pedig más kerámia lenne. Gyűrű alakú fűtőelem: a tabletta belülről is hűthető.

4 Balesetálló fűtőelemek Fukusimai baleset lökést adott a fejlődéshez a konténment sérülése elkerülhető lett volna, ha kevesebb hidrogén fejlődik. A balesetálló fűtőelemek előnye: baleseti helyzetekben nem fejlődik annyi hidrogén, mint a jelenlegi, Zr burkolatú fűtőlemekkel korlátozott hasadási termék kikerülés a tablettából hátránya: a burkolat és tabletták gyártásához a jelenleginél jóval bonyolultabb technológia szükséges

5 Balesetálló fűtőelemek Accident Tolerant Fuel (ATF) tulajdonságai: sugárzással szembeni ellenállóság, nem léphet kölcsönhatásba sem az üzemanyaggal, sem a hűtőközeggel, hegeszthető, cső alakra formálható, mechanikailag elég szilárd legyen normál üzem során és üzemzavar után is. A fejlesztés két fő területe: 1. Bevonattal ellátott cirkónium burkolat 2. Szilícium-karbid burkolat Balesetálló fűtőelemek francia, amerikai és koreai fejlesztések

6 Balesetálló fűtőelemek francia fejlesztések CEA (Commissariat à l Energie Atomique): mindkét burkolat típus fejlesztése 1. Króm alapú bevonatos cirkónium burkolat Bevonat nélküli Zry-4 Nem optimalizált bevonattal Optimalizált bevonattal Tömegnövekedés (mg/cm 2 ) ZrO 2 vastagság (μm) α Zr (O) Hidrogén tartalom (tömeg-ppm) ,2 2, μm <100 μm + α Zr (O) benövés 0 μm + nagyon kevés α Zr (O) benövés tömegnövekedés csökkenése vizes elárasztás utáni képlékenység javulása nincs breakaway a Zry-4 burkolatok homogén bevonása megvalósítható

7 Balesetálló fűtőelemek francia fejlesztések 2. Szilícium-karbid (SiC) burkolat előnye: hátránya: kiváló termikus és környezeti stabilitás, ridegség, sugárzásálló, rossz hővezetőképesség, ellenáll a hősokknak, a záródugó burkolatcsőhöz történő nagy szilárdságú és keménységű, gáztömör kötése problémát jelent 2000 C feletti hőmérsékleten is stabil, nem szenved károsodást súrlódási kopástól, vagy hidrogén reakcióban, Szilícium-karbid kompozit cső neutron elnyelése 25%-kal kisebb, mint a Zircaloy ötvözeté: nagyobb neutron hatékonyság csökkenthető az urán dúsításának mértéke, gazdaságosabb üzemeltetés nagyobb kiégés kevesebb nukleáris hulladék A SiC nukleáris célokra történő használata elsősorban a magas hőmérsékletű reaktorok és fúziós reaktorok esetében került szóba

8 Balesetálló fűtőelemek amerikai fejlesztések US DOE NE: FCRD Fuel Cycle Research and Development, azaz Üzemanyagciklus Kutatás és Fejlesztés A program a biztonságos üzemanyag fejlesztést a következő három lépésben tervezi megvalósítani: 1. fázis ( ): Megvalósíthatósági tanulmány és a lehetséges konstrukciók kiválasztása. 2. fázis ( ): Fejlesztés és minősítés. 3. fázis (2022-től): Az új üzemanyagok erőművi bevezetése. Résztvevők: Los Alamos National Laboratory: nagy sűrűségű kerámia alapú üzemanyag fejlesztés és továbbfejlesztett korrózióálló, burkolatként használható fémötvözetek fejlesztése (pl. FeCrAl és Mo) Duplex és triplex molibdén burkolat koncepció Oak Ridge National Laboratory: magas hőmérsékletű, oxidációnak ellenálló acél burkolatok pl. nukleáris minőségű FeCrAl ötvözet és mikrokapszulás (TRISO alapú) üzemanyagok fejlesztését vezeti.

9 Résztvevők: AREVA: az üzemanyag tökéletesebb viselkedését célozzák meg mind normál, mind üzemavari és baleseti körülmények között úgy, hogy az új üzemanyag költségei versenyképesek maradjanak a jelenlegi rendszerekkel. General Electric: cirkónium ötvözet felváltása továbbfejlesztett acélokkal, mint például FeCrAl ötvözetekkel Westinghouse: feladata az üzemanyag koncepció kidolgozása, a kutatási igények meghatározása, az engedélyeztetési eljárás és a költségek felmérése, valamint az ATF gazdaságosságának értékelése. University of Illinois: monolitikus Zircaloy módosítása, FeCrAl bevonat University of Tennessee: cirkónium ötvözetek különböző architektúrájú kerámia bevonatainak fejlesztésén dolgozik, mint például nitridek, oxidok és karbidok. Pacific Northwest National Laboratory: tökéletesített fém üzemanyag fejlesztése vízhűtéses reaktorok számára Három-rétegű együttsajtolt urán molibdén üzemanyag rendszer

10 Balesetálló fűtőelemek koreai fejlesztések KAERI (Korea Atomic Energy Research Insitute): burkolatanyag fejlesztés és mikrocellás UO 2 tabletták kifejlesztése Burkolat anyag fejlesztés: cirkónium burkolat felületének (szilícium) bevonattal történő megvédése fém-kerámia hibrid burkolat kifejlesztése Üzemanyag fejlesztés: A mikrocellás tabletták az erősen radioaktív és korrozív bomlástermékek (pl. cézium és jód) visszatartásának fokozására: Az UO 2 szemcsék vékony cellafalakkal vannak körülzárva, amelyek kémiai csapdaként, vagy fizikai gátat jelentenek a bomlástermékek számára. A mikrocellás UO 2 tabletta sematikus vázlata

11 Inert mátrix Jelenleg a fűtőelemekben az urán vagy plutónium hasadóanyagot 238 U izotópot tartalmazó UO 2 mátrixba ágyazzák. A reaktorban a 238 U izotópból neutronbefogással 239 U, majd további reakciókkal transzurán izotópok keletkeznek. Az inert mátrix fűtőelemekben a hasadóanyag olyan alapanyagban, azaz mátrixban található, amely csak nagyon kismértékben aktiválódik. Előnye: nem keletkeznek a kiégett üzemanyag kezelése szempontjából problémás plutónium és egyéb transzurán izotópok. Hátránya: a 235 U hasadóanyagot tartalmazó fűtőelemek lényegesen magasabb dúsítású üzemanyagot igényelnek, melyhez pedig új technológiára van szükség.

12 Inert mátrix A kutatások sorrendje: 1) Inert mátrix fűtőelem céljára szóba jöhető anyagok kiválasztása többféle szempont alapján pl. a kis neutron befogási hatáskeresztmetszet, magas olvadáspont, jó hővezetőképesség, kompatibilitás a hűtő közeggel és a szerkezeti anyagokkal (pl. burkolattal) szemben. 2) A perspektivikus anyagok sokoldalú vizsgálata. Ide tartozik például az inert mátrix fűtőelem tabletták termikus tulajdonságainak, mikroszerkezetének, porozitásának, szemcseméretének tanulmányozása. 3) Modell számítások végzése a perspektivikus anyagok reaktorban való működéséhez. Fontos kérdés a fűtőelem tabletták középvonali hőmérsékletének, duzzadásának, nyúlásának, valamint hasadási termék kibocsátásának modellezése. 4) Besugárzási kísérletek végzése inert mátrix fűtőelem tablettákkal, rudakkal és szerelvényekkel, több tulajdonság in pile és out of pile mérése. 5) Besugárzási kísérletek után roncsolásmentes és roncsolásos vizsgálatok végzése (tabletták mikroszerkezete, szemcseméret, porozitás, átmérőváltozás, nyúlás, stb). 6) A kiválasztott inert mátrix fűtőelem anyagok viselkedésének modellezése baleseti szituációkra (pl. LOCA, RIA, stb.)

13 Az intert mátrix kiválasztásának szempontjai: Inert mátrix Nagy hővezetőképesség (nagyobb vagy azonos az UO 2 -ével): egyes fémek, karbidok Magas olvadáspont: oxidok, nitridek, karbidok Szerkezeti stabilitás a besugárzással szemben fázis stabilitás, minimális duzzadás és a hasadási termékek és maradék aktinidák visszatartása. Kicsi neutron befogási hatáskeresztmetszet, optimális állandó reaktivitás, megfelelő Doppler koefficiens. Az anyag fázisainak stabilitása, kémiai semlegessége, azaz ellenálló képessége a hűtőközeggel és a szerkezeti anyagokkal szemben. Inert mátrix komponensek Inert mátrix formulák Elemek C, Mg, Al, Si, Cr, V, Zr, Nb, Mo, W Intermetallikus ötvözetek AlSi, AlZr, ZrSi,... Ötvözetek Rozsdamentes acél, cirkónium ötvözetek Karbidok 11 B 4 C, SiC, TiC, ZrC Nitridek AlN, TiN, ZrN, CeN Biner oxidok MgO, CaO, Y 2 O 3, ZrO 2, CeO 2 Terner oxidok Mg (1-x) Al (2+x) O 4-x, Y 3 Al 5 O 12 (YAG), ZrSiO 4 Oxidos szilárd oldatok Ca x Zr (1-x) O (2-x), Y y Zr (1-y) O (2-y/2)

14 Inert mátrix Nagy hővezetőképesség: a fűtőelem középvonali hőmérséklete sokkal alacsonyabb, mint UO 2 esetén rugalmasabban lehet manőverezni a reaktor lineáris teljesítményével és kevésbé kerülnek ki hasadási gázok a tablettákból. A hővezetőképesség csökkenését okozhatja: az inert mátrix anyaga: pl. oxid esetén jellemző kiégő méreg adalékok mennyiségének növekedése Megoldás: középen lyukas, körgyűrű alakú tabletta készítése A leginkább perspektivikus összetételek, pl. ittrium-oxiddal adalékolt ZrO 2, esetén kidolgozták azokat az előállítási módszereket, amelyekkel nagy sűrűségű tabletták készíthetők. Többkomponensű rendszerek esetében modellfejlesztések folynak. Gyakorlati alkalmazás: nagy valószínűséggel az elsők között lesz pl. az ittrium-oxiddal adalékolt ZrO 2, vagy a SiC-ot használó kombinációk. PWR és CANDU reaktorokban, illetve egy részük gyorsreaktorokban is alkalmazható lesz.

15 Inert mátrix orosz fejlesztések Fűtőelem Cirkónium mátrixba diszpergált hasadóanyag az orosz koncepció szerint Előnyök nagyon jó sugárállóság: besugárzás hatására méretük és alakjuk gyakorlatilag nem változik a kiégés alatt. A hasadóanyag szemcsék duzzadását a fém mátrix kompenzálni tudja. A mátrix jó hővezetőképessége miatt a fűtőelemen belül jóval alacsonyabb hőmérsékletek alakulnak ki, mint a szokásos kerámia tabletták rendelkező fűtőelemek esetében Négy és hat mini fűtőelemből összeállított inert mátrix fűtőelemek termikus reaktorokhoz végleges elhelyezésnél 3 gát lenne

16 Két oldalról hűtött fűtőelemek USA tervek Cél: PWR reaktorok teljesítménynövelése gyűrű alakú fűtőelemmel Előnye: Alacsony tabletta hőmérséklet normál üzemelés és üzemzavarok során. Westinghouse által gyártott szinterelt üzemanyag-tabletták Hátránya: Belső dugulás veszélye. Az USA-ban lecserélték a leggyakrabban használt 17x17 elrendezésű köteget 13x13 elrendezésűre : megnövekedett a fűtőelem-pálca átmérő, megjelent a belső áramlási csatorna. termohidraulikai vizsgálatok biztonsági elemzések reaktorfizikai számítások akár 50%-os névleges teljesítménynövelés Gyűrűs fűtőelem mintadarabok a szerkezeti elemek (pl. távtartórács, felső és alsó végzárók és megvezető csövek) megváltoztatása szükséges

17 Két oldalról hűtött fűtőelemek Koreai Köztársaság tervei Cél: teljesítménynövelés a reaktor belső szerkezeti átalakítása nélkül OPR-1000 nyomottvizes reaktor, 16x16 helyett 12x12 elrendezésű köteg 20%-os névleges teljesítménynövelés Az eddigieknél nagyobb DNBR szükséges a belső és külső csatornák eltérő és kiégésfüggő réshővezetése miatt. A burkolat anyaga HANA-4 ötvözet lenne a jelenlegi cirkónium ötvözet helyett. A fűtőelemköteg elhajlásának megelőzésére hideg megmunkálással és a végső hőkezeléssel változtatnának a mikroszerkezeten.

18 Két oldalról hűtött fűtőelemek VVER-1000 reaktorba adaptálás Kazimi és társai USA Az 50%-os névleges teljesítménynövelés elérhető Shiraz Egyetem munkatársai Irán Gyűrűs fűtőelem-pálcákat tartalmazó üzemanyag-kazetta elrendezései oldalanként 7 gyűrűvel, 8 gyűrűvel, 9 gyűrűvel

19 Az új típusú fűtőelemek erőművi használatának perspektívái A balesetálló, az inert mátrix és a két oldalról hűtött fűtőelemek különböző fejlesztési stádiumokban vannak. A kiválasztott anyagok kutatóreaktorokban történő besugárzása megkezdődhetett. Erőművi alkalmazásuk elképzelhető a jelenleg működő reaktorokban is. A javasolt konstrukciók többsége közel sem tekinthető kiforrottnak az ipari mértékű gyártásra és a rendszeres erőművi használatra. Hosszú távon a VVER reaktorokban is elképzelhető ilyen új fűtőelemek bevezetése, így az új paksi blokkok tervezett élettartama alatt bármelyik szóba jöhet üzemanyagként. A fejlesztések jelenlegi stádiumában a két oldalról hűtött fűtőelemek lehetnek legközelebb az erőművi alkalmazásokhoz.

20 Köszönöm a figyelmet!