Fűtőelemek üzemi visel e ked e é d s é e

Átírás

1 Fűtőelemek üzemi viselkedése

2 Üzemanyag Követelmények (geometriai, hőtani, kémiai, reaktorfizikai, gazdaságossági) az üzemanyag + burkolat Zr ötvözet UO 2 Szemcsék (5-20 mikron)

3 Üzemanyag

4 Üzemanyag Keramikus üzemanyag Rideg Átmeneti hőmérséklet > 1300 K g Elméleti ρ = 10,96 3 cm VVER-440: d furat = 1, 6mm d = 7, 6mm h = 9 12mm h aktívzóna = 2420mm

5 Speciális üzemanyagok UO - kiégő mérgek alkalmazása 2Gd 2O3 MOX UO 2 + PuO 2 Gyártástechnológia bonyolultabb, mivel a Pu aktivitása nagyságrendekkel nagyobb mint az uráné Előnyök hátrányok 4. generáció elsődleges üzemanyaga Alkalmazása országfüggő

6 Burkolat Funkciója kettős - mechanikai szilárdságot adni a fűtőelemnek - a radioaktív anyagok fontos határvonala (mérnöki gát) Követelmény: magfizikai és hőtechnikai megfelelőség

7 Követelmények a burkolatra Magfizikai: legyen kicsi σ befogási Hőtechnikai: hőtágulás, olvadáspont Mechanikai szilárdság: szívós Sugárálló, kompatibilis kell legyen az üzemanyaggal és a hűtővízzel (kémiailag ne lépjen reakcióba)

8 Anyagok - burkolat A cirkónium és ötvözetei kiváló kompromisszumot jelentenek Zircaloy nyugati PWR-ek Ötvözet neve Sn, % Nb, % Fe, % Cr, % O, ppm Egyebek Zircaloy-4 1,2-0,18-0, ,7 0,24 Zircaloy-2 1,2-1,7 0,07-0,20 0,05-0, Ni 0,03-0,08% NDA 1 0,1 0,3 0, E635 1,3 1 0,4 900 ZIRLO 1 1 0, MDA 0,8 0,5 0,2 0, E635M 0,8 0,8 0, Opt. ZIRLO 0, , E110 (Zr1%Nb) 1 0, F szennyezés M5 1 0, ppm S E125 (Zr2.5%Nb) 0,0 05 2,4-2,8 0,03-0,

9 Fűtőelem-kötegekre vonatkozó követelmények DNBR Reaktivitás-lezárás biztosíthatósága Reaktivitás-tényezők Maximális dúsítás Burkolat-feszültségek és deformációk Oxidáció és hidridizáció Belső nyomás Tabletta és burkolat közötti mechanikai kölcsönhatás Tabletta és burkolat kémiai kölcsönhatása

10 Fűtőelem-kötegek - konstrukció Fűtőelemek rögzítése A legkisebb együtt mozgatható egység A PWR fűtőelem-kötegeinek lehetséges keresztmetszeti vázlata

11 Fűtőelem-kötegek VVER háromszögrács, így a köteg hatszög keresztmetszetű 349 kazetta h köteg = 3217mm PWR köteg nyitott VVER-1000 Westinghouse BWR

12 Fűtőelem-kötegek VHTR CANDU

13 7.16. ábra. A VVER-440 fűtőelemkötege a) önálló köteg b) szabályozó elem fűtőelem követője

14 Új típusú fűtőelem-kötegek Karbidok és nitridek alkalmazása Sűrűségük g/cm3 Inert Matrix Fuel (nincs benne U-238) helyette pl. ZrO2 lehet Vigyázni kell!!! Tórium-dioxid Két oldalról hűtött fűtőelem U-Zr hidrid kutatóreaktorokban elterjedt (pl. TRIGA) rendkívül nagy negatív visszacsatolás jó hővezetés nagyobb konverziós tényező

15 Pasztilla gyártása UO 2 granulátum + kötőanyag Préselés MPa nyomáson,majd MPa-on Így elérik az elméleti sűrűség 50%-át Szinterelés He atmoszférában % Követelmények Homogenitás sűrűség és dúsítás szempontjából Ne legyen benne repedés O/U arány

16 Radioizotópok keletkezése és migrációja Csoportjai: Hasadási termékek Transzurán izotópok Hasadási termékek: Nemesgázok (Xe, Kr) Illékony hasadási termékek (I, Cs, Te) Nem illékony hasadási termékek (Ru,Ba,Mo) Transzurán izotópok: elsődleges (Pu iz.-ok) másodlagos(np, Am, Cm)

17 Nemesgázok m m 88 Xe Xe Xe Xe Xe Kr Kr 87 Kr y kum% T 1/ 2 6,2 5,3 nap 6,5 9,2 óra 1,1 15,9 perc 6,2 14,2 perc 6,1 3,9 perc 1,3 4,4 óra 3,5 2,8 óra 2,5 1,3 óra

18 Hasadási termékek (g/kg heavy metal) Elem Kiégés, MWd/kgU 13,0 26,0 39,0 52,0 65,0 Bróm 0,0093 0,018 0,026 0,034 0,041 Kripton 0,16 0,31 0,45 0,54 0,64 Rubídium 0,16 0,29 0,41 0,51 0,60 Stroncium 0,47 0,82 1,11 1,36 1,57 Ittrium 0,24 0,42 0,58 0,71 0,82 Cirkónium 1,56 2,97 4,27 5,48 6,62 Nióbium 0,045 0,044 0,042 0,040 0,038 Molibdén 1,23 2,57 3,89 5,18 6,46 Technécium 0,33 0,64 0,91 1,14 1,33 Ruténium 0,84 1,76 2,76 3,85 5,00 Ródium 0,17 0,35 0,50 0,60 0,66 Palládium 0,23 0,68 1,34 2,18 3,18 Ezüst 0,015 0,042 0,073 0,11 0,14 Kadmium 0,011 0,037 0,080 0,15 0,23 Indium 0,0007 0,0013 0,0016 0,0017 0,0018 Ón 0,014 0,032 0,054 0,079 0,11 Antimon 0,0058 0,013 0,020 0,027 0,034 Tellúr 0,16 0,34 0,53 0,74 0,96 Jód 0,080 0,17 0,27 0,37 0,47 Xenon 2,02 4,07 6,16 8,28 10,4 Cézium 1,14 2,27 3,34 4,36 5,32 Bárium 0,56 1,10 1,66 2,26 2,89 Lantán 0,51 0,99 1,45 1,90 2,32 Cérium 1,30 2,34 3,28 4,19 5,07 Prazeodímium 0,43 0,87 1,30 1,71 2,11 Neodímium 1,38 2,89 4,42 5,93 7,41 Promécium 0,13 0,18 0,19 0,19 0,17 Szamárium 0,23 0,51 0,81 1,10 1,36 Európium 0,036 0,10 0,19 0,27 0,34 Gadolínium 0,0094 0,037 0,10 0,22 0,40 Összes 13,5 26,9 40,3 53,6 66,8

19 Illékony hasadási termékek 131 I I I I I 137 Cs 134 Cs T 1/ 2 8,04 óra 20,8 óra 6,61 óra 2,3 óra 52,6 perc 30,1 év 2,08 év

20 Transzurán izotópok Nehéz elemek, kicsi a mozgékonyságuk, az eloszlásukat az üa-on belül a keletkezés eloszlása határozza meg A legtöbbet a rezonancia tartományban nyeli el Ha a neutron a rezonancia energiával jön,akkor a felületen történik az elnyelés a hőmérséklet is kisebb itt Az 5-10 µm-es szemcsék 1 µm-nél kisebbekre esnek szét Mwnap/kg kiégés fölött a porozitás elérheti a 30%-ot

21 Transzuránok keletkezése

22 Fűtőelemek mechanikai igénybevétele - nemesgázok hatása Hőfeszültség + rideg anyag Repedések A repedések dudorokat okozhatnak a fűtőelemeken belül,amelyek nyomják a burkolatot

23 Fűtőelemek hőtechnikai és mechanikai igénybevétele Olvadá áspont ( C) orosz MATPRO Kiégés (MWd/kgU)

24 Tömörödés, duzzadás, repedések

25 Élettartam Hasadási termékek és aktinidák a burkolat alatti résben A gyakori teljesítményváltozás erősen befolyásolja a burkolat élettartamát, mivel a gázok nyomása függ a hőmérséklettől l Így a fárasztó igénybevételek nőnek µm vastag ZrO réteg alakulhat ki az UO2-ből Korrózió a külső felületen Crud = Chalk River unidentified deposit - lerakódások

26 A folyamatok összefoglalása 1. Indulásnál nagy külső nyomás = nagy feszültség 2. Melegedés 2x-es nyomás, hőmérsékletkülönbségek, töredezés az első induláskor; hőtágulás 3. Néhány hónapnyi tömörödés. Burkolat kúszása. Résméret nő 4. Hasadási termékek miatt duzzad a tabletta, kúszás folytatódik, résméret csökken 5. Duzzadás folytatódik, rés bezárul. Burkolat-pasztilla mechanikai és kémiai kölcsönhatása 6. Porózus peremréteg kialakulása, oxidréteg képződése

27 A burkolat élettartama tablettaburkolat kölcsönhatások besugárzott 4 E110 Folyáshatár (MPa) besugárzatlan Kúszási (%) Hőmérséklet ( C) E Neutron fluens (10 22 cm -2 )

28 Üzemzavarok Lineáris teljesítmény (kw/cm) LOCA Reak ktor teljesítmény (MW) Reaktivitásüzemzavarok rideg sérülés teljesítmény 0 0 1E-3 0,01 0, idő (s) felfúvódás és felhasadás burkolat hőmérséklet Burkolat hőmérséklet ( C) ,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 Idő (s)

29 Kísérletek CODEX SPERT

30 Súlyos balesetek következménye a fűtőelemre Hőmérséklet 800 C az AIC ötvözetek olvadása Jelenség cirkóniumburkolat felfúvódása és felhasadása 940 C Fe/Zr és Ni/Zr eutektikumok képződése 1130 C eutektikus kölcsönhatás a B4C és acél komponensek között 1200 C a cirkónium és acél komponensek intenzív oxidációja vízgőzben 1300 C eutektikus kölcsönhatás a Zr és acél komponensek között 1450 C rozsdamentes acél komponensek olvadása 1800 C oxidálatlan fémcirkónium olvadása UO 2 oldódása a fémcirkónium olvadékban 1975 C O tartalmú, α-fázisú cirkónium olvadása 2400 C Zr/UO 2 és U/UO 2 olvadékok képződése B 4 C olvadás 2600 C (U,Zr,O) keramikus olvadék képződése 2690 C ZrO 2 olvadás 2850 C UO 2 olvadás

31 Burkolatsérülések Burkolat kopása (fretting) keringő törmelékek, távtartórácsok PCMI = Pellet-Cladding Mechanical Interaction Hiba mérete Kimosott U mennyisége pontszerű lyuk <10-5- átmérőjű hiba kb. 20- hosszú, széles repedés kb. fűtőelem teljes keresztmetszetű törése g vagy több

32 Meghibásodási gyakoriság Reaktor Meghibásodási gyakoriság (ppm) típus PWR 45,5 29,1 21,8 18,7 13,1 BWR 24,5 12,1 11,6 8,5 11,5 VVER 22,2 22,9 29,3 34,1 22,6 CANDU 15,8 12 2,3 1,9 5,5 LWR 36,2 23,4 20,2 18,3 13,7

33 PWR fűtőelem-meghibásodások Meghibásodási mechanizmus fő okai Rács és burkolat közti kopás 8,3 22,2 53,5 74,8 52,1 (fretting) Törmelék okozta kopás (debris 27,8 24,3 10,6 6,1 9,3 fretting) Gyártási hiba 10,4 3,5 7,0 2,9 4,8 Korrózió/crud 0 0 1,6 1,3 0 Tabletta és burkolat közötti kölcsönhatás ,6 (PCMI) Kezelési hiba 1,4 2,0 0,6 0,3 0 Hidraulikai hiba (baffle jetting) 2, Ismeretlen ok 50,0 48,0 26,7 14,6 33,2

34 λ Radioizotópok kijutása a hűtőközegbe PWR: jódizotópok monitorozása BWR: nemesgázok figyelése Izotóp Bomlási állandó Felezési idő Egy hasadás során keletkező atomok részaránya, %, 1/s 235 U 239 Pu 131 I 9,98E-7 8,04 d 2,88 3, I 8,37E-5 2,28 h 4,30 5, I 9,26E-6 20,8 h 6,70 6, I 2,20E-4 7,71 7, I 2,91E-5 6,64 h 6,30 6,45 85m Kr 4,30E-5 4,48 h 1,30 0, Kr 1,52E-4 1,26 h 2,52 0, Kr 6,78E-5 2,84h 3,55 1, Xe 1,53E-6 5,25 d 6,70 6,98 133m Xe 3,66E-6 2,39 d 0,190 0, Xe 2,12E-5 9,09 h 6,54 7, Xe 8,18E-4 6,42 5,12 135m Xe 7,40E-4 1,16 1,69

35 Mikrohiba, makrohiba, spiking

36 I-131 I-134

37 Sérülés detektálása, sérült kazetta kiválasztása On-line mérések 99 Mo- 99 Tc, 95 Zr- 95 Nb, 91 Sr, 92 Sr, 140 La, 239 Np 134 Cs, 137 Cs 90 Sr és 89 Sr Víz-mintavétel Sipping vizsgálatok: Jód és cézium izotópok

38 A sipping eljárás