Reaktivitás kompenzálás és szabályozás

Átírás

1 Reaktivitás kompenzálás és szabályozás

2 Reaktivitástartalék = a reaktorban felszabadítható maximális nagysága tart Felszabadítható, ha a neutronabszorbens anyagokat kivonjuk Viszont függ a reaktor állapotától is, így a paraméterek szabályozásával lehet változtatni

3 Reaktivitástartalék tartalék,névleges Így -> a névleges értékek mellett a neutronabszorbensek kivonásával rejtett a reaktor paramétereinek változtatásával felszabadítható reaktivitás, t t n t, r

4 Kiégési ciklus Kiégés : a hasadóanyagok fogyása,hasadási termékek megjelenése Egymást követő két fűtőelem-átrakás közötti üzem Effektív üzemidő : Teff T üzemidő T eff ( T ) P( t) dt P 0

5 A reaktivitás-tartalék alakulása Indulás -> fölmelegítés üzemi hőmérsékletre Szivattyúval, majd TK fűtőtestekkel 260 -ig, ekkor kb. 3,8 %-kal csökken a reaktivitás 100 %-ra felterheléskor ismét csökken pcm P 15 ami 1,5 %-ot jelent (%) P 0 0 C

6 A reaktivitás-tartalék alakulása A Xe mérgeződés óra alatt alakul ki, ami 2,5 %-kal csökkenti a tartalék értékét A Sm további 0,58 %-kal Így összességében 1 hónap alatt lefeleződik a tartalék,ami utána havonta 1%-kal csökken A névleges tartalék mintegy 10,5 effektív hónapra elég

7 A reaktivitás-tartalék alakulása

8 A reaktivitás-tartalék alakulása Folyamat Jelölése (l ábra), % Reaktor felfűtése üzemi hőmérsékletre t,0 t,1 2 4 Teljesítményemelés nominális ér-tékre MET-ről t,1 t,2 1 2 Egyensúlyi Xe,e 2,5 3 xenonmérgezettség Xenon-tranziens csúcs 1 2 Egyensúlyi szamáriummérgezettség sm,e 0,6 0,8 Szamárium-tranziens csúcs 0,2 0,4 Üzemanyag kiégése 5 10 Összesen t,0 12,3 22,2

9 Reaktivitás kompenzálás és szabályozás =0 esetben stacioner a teljesítmény Ezért -t le kell kötni Eszközei : 1. Kiégő mérgek 2. Szabályozó rudak, ill. kazetták 3. Hűtővízben oldott bórsav alkalmazása Ebből a 10-es izotóp a jelentős 10 B 11 B Barn

10 Alkalmazott anyagok Ritkaföldfémek: Gadolínium Erbium Európium Szamárium Diszprózium Nagy hatáskeresztmetszetű elemek Bór (bór-karbid, bóracél) Kadmium (acél felületén, AgInCd) Indium (AgInCd) Hafnium (szabályozórudak) Ezüst (AgInCd) Kobalt Előfordulásuk bizonyos országokra korlátozódik (Kina, Oroszország, USA ) Ár! Izotópdúsítás

11 Elem Gadolínium Diszprózium Európium Erbium Tulajdonságaik Izotóp Előfordulási arány az elemben, % Abszorpciós hatáskeresztmetszet*, barn Termikus neutronokra Epitermikus neutronokra Gd-152 0,20 7,35 11,7 Gd-154 2,18 42,8 6,56 Gd , ,40 Gd ,47 0,876 3,16 Gd , ,20 Gd ,84 1,03 1,60 Gd ,86 0,389 0,309 Dy-156 0,06 18,1 27,5 Dy-158 0,10 20,5 5,82 Dy-160 2,34 30,6 29,3 Dy , ,2 Dy , ,7 Dy ,90 70,1 41,8 Dy , ,64 EU , ,6 Eu , ,2 Er-162 0,14 9,83 13,6 Er-164 1,61 6,89 4,34 Er ,6 9,77 3,18 Er , ,4 Er ,8 1,39 1,29 Rendszám Olvadáspont, C Er ,9 2,91 1,39 Megjegyzés: */ A táblázatban a termikus (E n < 0,625 ev) és az epitermikus neutronok (E n > 0,625 ev) energiaspektrumára átlagolt hatáskeresztmetszetek szerepelnek a VVER 400 típusú reaktor 3,6% dúsítású üzemanyagában lévő neutronspektrum figyelembevételével

12 Kiégő mérgek alkalmazása Nagy abszorpciós hatáskeresztmetszettel rendelkező anyag fűtőelembe beépítve (belekeverve vagy felületet bevonva) vagy különálló rudak formájában Nem szabályozható Csak kompenzálásra 1,5 2 éves kampányok egyre inkább terjednek Lokális, a teljesítmény térbeli eloszlását is befolyásolja,így használható az egyenetlenségek kompenzálására is

13 α T,0, %/⁰C Kiégő mérgek alkalmazása Követelmények: - elegendően nagy legyen a - az üzemanyaggal kompatibilis legyen Miért szükséges? Miért nem elegendő bórsavat 0,006 használni? 0,004 0, ,002-0,004-0,006-0,008-0,01-0,012-0,014 CB=11,5 g/kg CB=kritikus CB=10,0 g/kg CB=8,5 g/kg 107,5 157,5 207,5 257,5 Hőmérséklet T ⁰C)

14 Kiégő mérgek alkalmazása Kiégő méregként használatos anyagok: - gadolínium - bór - erbium - európium - diszprózium

15 Kiégő mérgek alkalmazása Bór formában Al O 2 3 mátrixban ZrB 2 formában Bóracél Boroszilikát A probléma: hidrogént nyel el, felfúvódik 7 4 B 4 C 10 B n Li He

16 Kiégő mérgek alkalmazása Gadolínium Gd O 2 3 -ba UO 2 formában az Az egyik legelterjedtebb kiégő méreg Nyomottvizes reaktorokra ez a jellemző Nem változik a gyártástechnológia IFBA=Integral Fuel Burnable Absorber

17 Kiégő mérgek alkalmazása AP-1000

18 Kiégő mérgek alkalmazása Különálló rudak formájában Rúd belsejében víz moderátor Wet Annular Burnable Absorber

19 Kiégő mérgek alkalmazása Különálló rudak formájában Vezetőcsövekben Boroszilikát üvegrudak rozsdamentes acélburkolattal Boroszilikát (PYREX) rudak az AP ben

20 Kiégő mérgek alkalmazási módjai Neutron- Abszorbens Elhelyezése Bór Bór Bór Fűtőelemköteg vezetőcsöveiben UO 2 tabletta felületén Fűtőelemköteg vezetőcsöveiben Gadolínium UO 2 tablettába keverve Bór UO 2 tabletta felületén Erbium UO 2 tablettába keverve Abszorber anyaga Burkolat anyaga Hatásos izotóp Boroszilikát üveg Rozsdamentes acél 10 B Al 2 O 3 / B 4 C Al 2 O 3 / B 4 C Gd 2 O 3 / UO 2 ZrB 2 Er 2 O 3 / UO 2 Cirkónium Cirkónium B 10 B 155 Gd, 157 Gd 10 B 167 Er

21 A méreg kiégése A gadolínium magsűrűségének változása a kiégés függvényében, a tabletta különböző gyűrűs térfogat-elemében

22 Szabályozórudak, -kazetták Mozgatható elem Technikai okok miatt korlátozott a számuk A fő cél a reaktivitás szabályozása, így a teljesítmény szabályozása Befolyásolják a fluxuseloszlást Reaktortípus-függő a szerkezetük, elhelyezkedésük, számuk, anyaguk PWR-nél általában hengeres rúd, azonos, vagy kisebb hosszal mint az aktív zóna

23 Szabályzókazetták Hajtások, hajtóművek Közbenső rudak Fékező mechanizmusok Kilökődésgátló Szabályozóelem Jellemző anyagok: - VVER-440: bóracél - PWR: ezüst-indium-kadmium (AgInCd, %) - BWR: bór-karbid A neutronabszorber anyag megválasztása függ a neutronspektrumtól és attól, hogy durva vagy finom szabályozásra használjuk

24 Alkalmazott anyagok I. Előnyök Magasabb kezdeti neutronértékesség, mint az AgInCd vagy a Hf esetében Hátrányok Az átalakulási termékek, He, Li és H 3 nagyobb duzzadást okoznak, mint az AgInCd vagy a Hf ese-tében Magas olvadáspont Kompatibilis a burkolattal Alacsony költség Széleskörű sikeres tapasztalat közepes besu-gárzásnál A hőmérséklet-gradiens és a térfogatváltozás pálca-lyukadást és szivárgást okoz az üzemanyaghoz hasonlóan. Gáz halmazállapotú bomlási termékek (hélium) jön-nek létre, amelyek kiszabadulhatnak A hűtőközeggel szemben gyenge korróziós ellenállóképesség A rudakban az átmérő növekedés következtében létrejövő feszültségek felhasadást okozhatnak és kimosódás révén a B 4 C elvész a tervezett nukleáris élettartam lejárta előtt. B 4 C Előnyök Jó abszorber mind az epitermikus, mind a termikus neutronokra Hosszú nukleáris élettartam Alacsony felfúvódási hajlam és jó szerkezeti épség A kis térfogatváltozás és a jó szerkezeti tulajdonságok miatt alacsony hajlam a mechanikai kölcsönhatásra a burkolattal Nincsen gáznemű bomlási termék Könnyű megmunkálni Kompatibilis a burkolattal Hosszú ideje gyűjtött kiváló tapasztalatok Hátrányok Viszonylag alacsony olvadási hőmérséklet, ami baleseti helyzetben problémát okozhat Magas költség Gyenge korrózió-ellenálló képesség a hűtőközeggel szemben Az ezüst felaktiválódása miatt gamma-forrás, amely tárolási és kezelési problémákat okozhat AgInCd

25 Alkalmazott anyagok II. Előnyök Jó abszorber mind az epitermikus, mind a termikus neutronokra Hosszabb nukleáris élettartam, mint a B 4 C és az AgInCd esetében A reakció- és bomlástermékei más hafnium izotópok Jó méretstabilitás Jó korrózió-ellenálló képesség. Alkalmas a hűtőközegben burkolatnélküli felhasználásra Jó tapasztalatok az USA hajóreaktoraiban Hátrányok Alacsonyabb kezdeti reaktivitásértékesség, mint a B 4 C esetében A magas sűrűség más anyaghoz történő illesztését megnehezítheti A sugárzás anizotróp térfogatváltozást, -növekedést, deformációt okoz, ami tervezési nehézségekre vezet. Kevés a publikált tapasztalat Viszonylag magas költség Hf

26 PWR szabályzórudak

27 7.13. ábra. A PWR-ek lehetséges szabályozó rúdnyalábjai (4, 8 és 12 rudas nyalábok)

28 A szabályozó rúdnyalábok elhelyezése a PWR-ben (EPR) P P P P 1 P P P P szabályozórudak szabályozó rúdnyalábok leállító rúdnyalábok 1, 2, 3, 4, 5: teljes hosszúságú szabályozó rúdnyalábok csoportjának sorszáma; P: részhosszúságú szabályozórudak;

29 7.9. ábra. A BWR fűtőelemmodulja a) b)

30 BWR szabályzópengék

31 BWR hajtás Az ABB biztonságvédelmi működtető mechanizmusa Előnyök, hátrányok Több, független rendszer!!!

32 Átvezetések

33 A szabályozórudak elhelyezésének szabályai A A φ φ φ r r r Reaktor Reaktor Abszorber- Reaktor rúd

34 VVER db szabályozó kazetta Ebből 30 db BV rúd

35

36 Reaktivitásértékesség Differenciális: 1 cm-re vonatkozó reaktivitás értékesség,amely függ a fluxus értékétől Integrális: adott mélységbe benyúlt rúd által lekötött reaktivitás Teljes: rúdérték, a teljes mélységig benyomott rúd értékessége Meghatározásuk számítással, illetve méréssel Több paraméter (pl. a többi rúd állapota, bórsavkoncentráció, teljesítmény) függvényei

37 I, % differenciális rúdértékesség, %/cm Differenciális és integrális értékesség 0,014 0, csoport nélküli mozgás 5. csoporttal történő mozgás 0,01 0,008 0,006 0,004 0, csoport helyzete, cm 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, SZBV csoport mélysége a zónában, cm

38 Reaktivitásértékesség Hideg állapotban kicsi a szabályozókazetták reaktivitásértékessége, ezért is kell hidegen a bórsav d dt d dz dz dt d C : dz $ 0,0201 cm d 0, ,0402 $ dt s dz dt 2 cm s

39 Reaktivitás értékesség

40 Bórsav Elsődlegesen kompenzálásra használatos,csak másodsorban szabályozásra 10 B 11 B a 4000barn a 0, 005barn Bórsav oldhatósága 100 g/kg Maximum 40g/kg Pakson 20g/kg E n 0, 025eV

41 Reaktivitásértékesség különböző SZBV rúd megnevezése Az összes szabályozókaze-ta reaktivitásértékessége a leghatékonyabb fennakadása esetén A leghatékonyabb szabályozókazetta kilökődésekor felszabaduló reaktivitás A 6. SZBV csoport tetszőleges magassága mellett a differenciális reaktivitásértékesség A 6. SZBV csoport integrális reaktivitásértékessége üzemállapotokban Az állapot időpontja a cikluson belül Bóros kampány vége Reaktorállapot: N - reaktorteljesítmény T - moderátorhőmérséklet N = 0 MW T = Reaktivitás - értékesség 7,450 % Ciklus eleje névleges 0,134 % Ciklus vége névleges 0,158 % Ciklus eleje N = 0 MW T = 0,567 % Ciklus vége Ciklus vége N = 0 MW T = N = 0 MW T = 0,597 % 0,0241 $/cm Ciklus eleje N = 0 MW T = 1,890% Ciklus vége névleges 2,254%

42 Bórsav Leállított reaktornál a primerkörben a C b 12 g kg maximum A primerkör m vizet tartalmaz Itt a bórsavkoncentráció rövid idő alatt változik

43 Bórsav A lebórozás 500x A felbórozás 14x lassabb a szabályzó rudak mozgásánál Feladata a lassú folyamatok és a kiégés kompenzálása, valamint a Xe folyamatok követése Lassú rúdmozgások kompenzálása Pl.: teljesítmény növelésekor

44 Bórsav Kritikus bórsavkoncentráció: önmagában képes lekötni a teljes reaktivitást Tendencia PWR-eknél: Hosszabb kampány,teljesítménysűrűség növelése,magasabb hűtőközeg hőmérséklet Induló dúsítás növelése és a bór dúsítása