Atomenergetikai alapismeretek

Atomenergetikai alapismeretek Dr. Czifrus Szabolcs czifrus@reak.bme.hu BME Nukleáris Technikai Intézet BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 1

Tartalom Bevezetés A reaktivitás-szabályozás és kompenzálás célja, anyagai, módszerei Fűtőelemek üzemi viselkedése Az üzemelő és leállított reaktor, mint sugárforrás Reaktortartály-felügyelet Összefoglalás BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 2

1. rész: A reaktivitás-kompenzálás és -szabályozás célja, anyagai, módszerei BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 3

Bevezetés A reaktivitás a reaktor egyik legfontosabb globális jellemzője Értéke 1,0 ha a reaktor állandó teljesítményen működik Ettől eltérő mennyiség a reaktivitás-tartalék Ez függ a reaktor állapotától, azaz a szabályozórendszertől (rudak, bórsav, kiégő mérgek) a hőmérsékletektől (üzemanyag, moderátor) a teljesítménytől a kiégéstől és más paraméterektől (pl. hasadási termékek mennyisége) BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 4

Reaktivitástartalék tart = a reaktorban felszabadítható maximális reaktivitás nagysága Felszabadítható, ha a neutronabszorbens anyagokat kivonjuk Függ a reaktor állapotától is, így a paraméterek szabályozásával lehet változtatni Így -> a névleges értékek mellett a neutronabszorbensek kivonásával rejtett tartalék,névleges a reaktor paramétereinek változtatásával felszabadítható reaktivitás BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 5

Kiégési ciklus Kiégés : a hasadóanyagok fogyása,hasadási termékek megjelenése Egymást követő két fűtőelem-átrakás közötti üzem Effektív üzemidő : P( t) dt ( T ) Teff T P0 eff T üzemidő BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 6

A reaktivitás-tartalék alakulása Indulás -> fölmelegítés üzemi hőmérsékletre Szivattyúval, majd TK fűtőtestekkel 260 ekkor kb. 3-4%-kal csökken a reaktivitás 100%-ra felterheléskor ismét csökken, -ig, ami ~1,5%-ot jelent A Xe mérgeződés 50 70 óra alatt alakul ki, ami ~2,5 %-kal csökkenti a tartalék értékét A Sm további ~0,58 %-kal Így összességében 1 hónap alatt lefeleződik majd utána havonta ~1%-kal csökken A névleges tartalék a jelenlegi blokkokban mintegy 11 effektív hónapra elég 0 C tartalék BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 7

A reaktivitás-tartalék alakulása BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 8

A reaktivitás-tartalék alakulása Folyamat Jelölése (előző ábra), % Reaktor felfűtése üzemi hőmérsékletre t,0 t,1 2 4 Teljesítményemelés nominális értékre MET-ről t,1 t,2 1 2 Egyensúlyi xenonmérgezettség Xe,e 2,5 3 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 BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 9

Reaktivitás kompenzálás és szabályozás eszközei =0 esetben stacioner a teljesítmény (ezt akarjuk) A tartalék reaktivitás jóval nagyobb, ezért -t le kell kötni Eszközei : 1. Kiégő mérgek 2. Szabályozó rudak, ill. kazetták 3. Hűtővízben oldott bórsav alkalmazása Kompenzálás: hosszú távú folyamatok reaktivitásváltozásait követi Szabályozás: gyors változásokra képes BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 10

Reaktivitás-szabályozásra, -kompenzálásra 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 ) Nagyon magas ár Izotópdúsítás: lehetséges módszer, amivel a nagy hatáskeresztmetszetű izotópokat felhasználjuk, a többi használható más célra BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 11

Ritkaföldfémek tulajdonságai Elem Gadolínium Diszprózium Európium Erbium 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-155 14,80 15800 41,40 Gd-156 20,47 0,876 3,16 Gd-157 15,65 68700 18,20 Gd-158 24,84 1,03 1,60 Gd-160 21,86 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-161 18,91 287 30,2 Dy-162 25,51 103 66,7 Dy-163 24,90 70,1 41,8 Dy-164 28,18 1240 7,64 EU-151 47,8 4700 61,6 Eu-153 52,2 136 41,2 Er-162 0,14 9,83 13,6 Er-164 1,61 6,89 4,34 Er-166 33,6 9,77 3,18 Er-167 22,95 1280 42,4 Er-168 26,8 1,39 1,29 Rendszám Olvadáspont, C 64 1312 66 1407 63 826 68 1497 Er-170 14,9 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 BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 12

Kiégő mérgek alkalmazása Cél: reaktivitás-tartalék csökkentése Nagy abszorpciós hatáskeresztmetszettel rendelkező anyag fűtőelembe beépítve (belekeverve vagy felületet bevonva) vagy különálló rudak formájában Nem szabályozható: a fűtőelem 235 U tartalmának csökkenésével párhuzamosan ég ki Csak kompenzálásra használatos 10-12 hónapos helyett a 15-18 hónapos kampányok egyre inkább terjednek Lokális, a teljesítmény térbeli eloszlását is befolyásolja,így használható az egyenlőtlenségek kompenzálására is BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 13

Kiégő mérgek alkalmazása Követelmények: - elegendően nagy legyen a - az üzemanyaggal kompatibilis legyen Miért szükséges? Miért nem elegendő bórsavat használni? Túl nagy bórsavkoncentráció biztonsági szempontból aggályos (moderátor hőfoktényezője pozitív lehet) Különböző anyagokat, különböző formában és térbeli eloszlásban használnak BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 14

Bór Kiégő mérgek alkalmazása formában Al O mátrixban 2 3 ZrB 2 formában Bóracél Boroszilikát Probléma: hidrogént nyel el, felfúvódik 10 7 4 B n Li He B 4 C Gadolínium Gd UO2 formában az -ba keverve 2 O 3 Az egyik legelterjedtebb kiégő méreg Nyomottvizes reaktorokra ez a jellemző IFBA=Integral Fuel Burnable Absorber Erbium BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 15

Kiégő mérgek térbeli elhelyezkedése VVER-440 AP-1000 BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 16

Kiégő mérgek alkalmazási formái Üzemanyaghoz keverve Üzemanyag felületén Különálló rudak formájában Rúd belsejében víz moderátor Wet Annular Burnable Absorber Vezetőcsövekben Boroszilikát üvegrudak rozsdamentes acélburkolattal 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 - - - 10 B 10 B 155 Gd, 157 Gd 10 B 167 Er BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 17

A méreg kiégése A kiégő méreg legintenzívebben az üzemanyag felületén ég ki Az üzemanyag közepe fel haladva a kiégés lassul A kiégő méreg általában kb. 8-14 MWnap/kgU kiégés értékig hatásos Utána megszűnik a hatása A gadolínium magsűrűségének változása a kiégés függvényében, a tabletta különböző gyűrűs térfogat-elemében BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 18

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 BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 19

Szabályzókazetták (VVER-440) Hajtások, hajtóművek Közbenső rudak Fékező mechanizmusok Kilökődésgátló Szabályozóelem Jellemző anyagok: - VVER-440: bóracél - PWR: ezüst-indium-kadmium (AgInCd, 80-15-5%) A neutronelnyelő anyag megválasztása függ a neutronspektrumtól és attól, hogy durva vagy finom szabályozásra használjuk BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 20

B 4 C Előnyök Magasabb kezdeti neutronértékesség, mint az AgInCd vagy a Hf esetében Alkalmazott anyagok I. Hátrányok Az átalakulási termékek, He, Li és H 3 nagyobb duzzadást okoznak, mint az AgInCd vagy a Hf ese-tében Magas olvadáspont A hőmérséklet-gradiens és a térfogatváltozás pálca-lyukadást és szivárgást okoz az üzemanyaghoz hasonlóan. Kompatibilis a burkolattal Gáz halmazállapotú bomlási termékek (hélium) jönnek létre, amelyek kiszabadulhatnak Alacsony költség Széleskörű sikeres tapasztalat közepes besu-gárzásnál AgInCd Előnyök 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. Hátrányok Jó abszorber mind az epitermikus, mind a Viszonylag alacsony olvadási hőmérséklet, ami baleseti termikus neutronokra helyzetben problémát okozhat Hosszú nukleáris élettartam Magas költség Alacsony felfúvódási hajlam és jó szerkezeti Gyenge korrózió-ellenálló képesség a hűtőközeggel szemben épség A kis térfogatváltozás és a jó szerkezeti tulajdonságok Az ezüst felaktiválódása miatt gamma-forrás, amely tárolási miatt alacsony hajlam a és kezelési problémákat okozhat mechanikai kölcsönhatásra a burkolattal Nincsen gáznemű bomlási termék Könnyű megmunkálni Kompatibilis a burkolattal Hosszú ideje gyűjtött kiváló tapasztalatok BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 21

Alkalmazott anyagok II. Hf 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 BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 22

PWR szabályzórudak VVER-1200 is ilyenekkel rendelkezik BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 23

A szabályozó rúdnyalábok elhelyezése a PWR-ben A reaktor kialakításának megfelelő szimmetria Teljes és részhosszúságú szabályozórudak A részhosszúságú rudak a xenon-lengés szempontjából nagyon fontosak 3 3 5 5 1 3 1 1 P P P 3 2 2 5 4 4 5 1 P 1 P 1 5 4 4 5 2 2 3 P P P 3 1 5 5 1 3 1 3 szabályozórudak szabályozó rúdnyalábok leállító rúdnyalábok 1, 2, 3, 4, 5: teljes hosszúságú szabályozó rúdnyalábok csoportjának sorszáma; P: részhosszúságú szabályozórudak; BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 24

A szabályozórudak elhelyezésének szabályai Mindig az adott elrendezéssel kialakuló fluxusmaximumokhoz célszerű tenni a szabályozóelemeket A A φ φ φ r r r Reaktor Reaktor Abszorber- Reaktor rúd BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 25

VVER-440 37 db szabályozó kazetta Ebből 30 db BV rúd BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 26

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 BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 27

I, % differenciális rúdértékesség, %/cm Differenciális és integrális értékesség 0,014 0,012 5. csoport nélküli mozgás 5. csoporttal történő mozgás 0,01 0,008 0,006 0,004 2,5 0,002 0 0 50 100 150 200 250 300 6. csoport helyzete, cm 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0 100 200 6. SZBV csoport mélysége a zónában, cm BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 28

Bórsav Két izotópja van: 10 B a 4000barn a 0, 005barn 11 B Kritikus bórsavkoncentráció: az a koncentráció, amely mellett a reaktor éppen kritikus Jellemzően a kampány eleji 8 g/kg értékről fokozatosan csökken 0-ra Tendencia PWR-eknél: Hosszabb kampány, nagyobb teljesítménysűrűség, magasabb hűtőközeg-hőmérséklet Ezért: induló dúsítás növelése és a bór dúsítása A nagy bórsavkoncentráció pozitív visszacsatolást eredményezhet a moderátor melegedésekor! BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 29

Bórsav Elsődlegesen kompenzálásra használatos,csak másodsorban szabályozásra A lebórozás 500x, a felbórozás 14x lassabb a szabályzó rudak mozgásánál Feladata a lassú folyamatok és a kiégés kompenzálása, valamint a Xe folyamatok követése Bórsav oldhatósága 100 g bórsav / kg oldat, de a gyakorlatban 20 g/kg-nál többet nem használnak Legnagyobb koncentrációt átrakásnál, biztonsági okok miatt használnak: ne lehessen a rendszer kritikus semmilyen körülmények között BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 30

Összefoglalás (1. rész) Az erőművi reaktorok nagy beépített reaktivitástartalékát kompenzálni kell, azaz le kell kötni Ennek legfőbb módjai a kiégő mérgek és bórsav alkalmazása A bórsavnak komoly hatása van a visszacsatolásokra a moderátor sűrűségváltozásán keresztül A rövidtávú, gyors folyamatokat szabályozórudakkal, illetve kazettákkal kell szabályozni BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 31

Fűtőelemek üzemi viselkedése BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 32

Bevezetés A fűtőelem főleg oxid üzemanyagból és fém burkolatból áll Ezek hőmérsékletváltozásra eltérően reagálnak A pasztilla és a burkolat is mérnöki gátak, ezért alapvető biztonsági szerepük van Több évet kell a reaktorban kibírniuk A fűtőelem-kazetták a legkisebb, együtt mozgó egységek A pálcák rácsosztása, és a kazetta egyéb tulajdonságai fontos reaktorfizikai paramétereket szabnak meg BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 33

Üzemanyag fő jellemzői Pasztillákból áll, melyek fém csőbe vannak betöltve (burkolat) Követelmények: geometriai, hőtani, kémiai, reaktorfizikai, gazdaságossági az üzemanyag általában a burkolat Zr ötvözet Szemcsék (5-20 mikron szemcsemérettel) UO 2 BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 34

Üzemanyag Pasztilla felépítése Üzemanyagpálca szerkezete BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 35

Üzemanyag Az erőművi üzemanyag szinte mindig keramikus (oxid) Ezért rideg Átmeneti hőmérséklet > 1300 K g Elméleti sűrűsége: 10,96 cm 3 VVER-440: d 7, 6mm h 9 12mm d furat 1, 6mm h aktívzóna 2420mm BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 36

Pasztilla gyártása UO 2 granulátum + kötőanyag Préselés 60-140 MPa nyomáson,majd 200-300 MPa-on Így elérik az elméleti sűrűség 50%-át Szinterelés He atmoszférában 95-98% Követelmények Homogenitás sűrűség és dúsítás szempontjából Ne legyen benne repedés O/U arány BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 37

Speciális üzemanyagok UO - kiégő mérgek alkalmazása 2 Gd2O3 MOX (Mixed Oxide Fuel): UO2 PuO 2 Gyártástechnológia bonyolultabb, mivel a Pu aktivitása nagyságrendekkel nagyobb, mint az uráné Előnyök hátrányok 4. generációs reaktorok elsődleges üzemanyaga Alkalmazása: elvileg lehet VVER-1200-ban is A reaktorfizikai jellemzőket nagyon erősen megváltoztatja!! BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 38

Burkolat Funkciója kettős - mechanikai szilárdságot adni a fűtőelemnek - a radioaktív anyagok fontos határvonala (mérnöki gát) Követelmény: magfizikai és hőtechnikai megfelelőség befogási Magfizikai: legyen kicsi Hőtechnikai: hőtágulás, olvadáspont Mechanikai szilárdság: szívós Sugárzástűrő képesség Kompatibilistás az üzemanyaggal és a hűtővízzel (kémiailag ne lépjen reakcióba) BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 39

A cirkónium és ötvözetei kiváló kompromisszumot jelentenek Zircaloy nyugati PWR-ek Rozsdamentes acél 4. generációs reaktorok: kerámia! Anyagok - burkolat Ötvözet neve Sn, % Nb, % Fe, % Cr, % O, ppm Egyebek Zircaloy-4 1,2-0,18-0,1 1000-1400 1,7 0,24 Zircaloy-2 1,2-1,7 0,07-0,20 0,05-0,15 1300 Ni 0,03-0,08% NDA 1 0,1 0,3 0,2 1200 E635 1,3 1 0,4 900 ZIRLO 1 1 0,1 1200 MDA 0,8 0,5 0,2 0,1 1200 E635M 0,8 0,8 0,35 700 Opt. ZIRLO 0,7 5 1 0,1 1200 E110 (Zr1%Nb) 1 0,01 600 F szennyezés M5 1 0,04 1200 20 ppm S E125 (Zr2.5%Nb) 0,0 05 2,4-2,8 0,03-0,065 900-1300 BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 40

Fűtőelem-kötegekre vonatkozó követelmények DNBR (filmforrás kialakulásának veszélye) 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 BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 41

Fűtőelem-kötegek - konstrukció Fűtőelemek rögzítése A legkisebb együtt mozgatható egység A PWR fűtőelem-kötegeinek lehetséges keresztmetszeti vázlata BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 42

PWR üzemanyagköteg BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 43

Fűtőelem-kötegek VVER háromszögrács, így a köteg hatszög keresztmetszetű 349 kazetta PWR köteg nyitott VVER-1000 h köteg 3217mm BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 44

VVER-1000 üzemanyag BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 45

Fűtőelemkötegek (TVEL) BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 46

A VVER-440 fűtőelemkötege önálló köteg szabályozó elem fűtőelem követője BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 47

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 izotópok) másodlagos(np, Am, Cm) BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 48

A hasadási termékek egyik legfontosabb csoportja Burkolatsérülésnél nagyon könnyen ki tudnak jutni Nagy a keletkezési gyakoriságuk Jelentős szerepük van a pasztilla duzzadásában, a burkolaton belüli nyomás fokozódásában Nemesgázok 133 Xe 135 Xe 135m Xe 138 Xe 137 Xe 85m Kr 88 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 BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 49

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 BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 50

Illékony hasadási termékek Kijutás esetén kulcsszereplők Viszonylag könnyen mérhetők Biológiai hatásuk kiemelt 131 I 133 135 132 I I I 134 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 BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 51

Transzurán izotópok Nehéz elemek, kicsi a mozgékonyságuk, az eloszlásukat az üzemanyagon 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 m-es szemcsék 1 m-nél kisebbekre esnek szét 40-50 MWnap/kg kiégés fölött a porozitás elérheti a 30%-ot BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 52

Transzurán izotópok keletkezése BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 53

Fűtőelemek mechanikai igénybevétele - nemesgázok hatása Hőfeszültség + rideg anyag Repedések A repedések dudorokat okozhatnak a fűtőelemeken belül, amelyek nyomják a burkolatot Jelentős hőmérsékletkülönbség a pasztillán belül BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 54

Tömörödés, duzzadás, repedések BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 55

Élettartam Hasadási termékek és aktinidák a burkolat alatti résben A gyakori teljesítményváltozás erősen befolyásolja a burkolat élettartamát, mivel a gázok nyomása függ a hőmérséklettől Így a fárasztó igénybevételek nőnek 10-20 m vastag ZrO réteg alakulhat ki az UO2-ből Korrózió a külső felületen Crud = Chalk River unidentified deposit - lerakódások BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 56

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 BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 57

LOCA: hűtőközegvesztéssel járó baleset Reaktivitásüzemzavarok Üzemzavarok Reaktor teljesítmény (MW) 100000 90000 80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 1000 900 rideg sérülés felfúvódás és felhasadás 1000 900 0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 Idő (s) Lineáris teljesítmény (kw/cm) 800 700 600 500 400 300 200 100 teljesítmény burkolat hőmérséklet 800 700 600 500 400 300 200 100 Burkolat hőmérséklet ( C) 0 0 1E-3 0,01 0,1 1 10 100 idő (s) BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 58

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 B 4 C 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 BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 59

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 50 200 g vagy több BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 60

Meghibásodási gyakoriság 1 000 000 fűtőelem-pálcára jutó sérülések száma a teljes élettartamra nézve Reaktor Meghibásodási gyakoriság (ppm) típus 1987-1990 1991-1994 1995-1998 1999-2002 2003-2006 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 BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 61

PWR fűtőelem-meghibásodások fő okai Meghibásodási mechanizmus 1987-1990 1991-1994 1995-1998 1999-2002 2003-2006 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 0 0 0 0 0,6 (PCMI) Kezelési hiba 1,4 2,0 0,6 0,3 0 Hidraulikai hiba (baffle jetting) 2,1 0 0 0 0 Ismeretlen ok 50,0 48,0 26,7 14,6 33,2 BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 62

Mikrohiba, makrohiba, spiking A fűtőelem-sérülések miatt a hasadási termékek kijuthatnak a primer körbe Ez tranzienseknél (indulás, leállás, teljesítményugrás) jelentősen megnő A jelenség mérésekkel jól monitorozható Ezzel lehet kimutatni, hogy van-e sérült pálca BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 63

I-131 I-134 BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 64

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 BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 65

A sérült üzemanyag megkeresése: a sipping eljárás BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 66

Összefoglalás (2. rész) Az üzemanyag élete során töredezik, dagad, kölcsönhathat a burkolattal A burkolat bizonyos valószínűséggel megsérülhet Élettartamára jelentős hatással van a gyakori teljesítményváltoztatás Burkolatsérülés véges valószínűséggel optimális üzemeltetés mellett is bekövetkezhet Ekkor radioaktív nemesgázok, illékony hasadási termékek juthatnak a primer körbe A sérült fűtőelemet tartalmazó kazettát meg lehet keresni BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 67

Az üzemelő és leállított reaktor, mint sugárforrás BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 68

Bevezetés Milyen típusú sugárzások keletkeznek? Melyik ellen milyen körülmények között kell védekezni? Miért fontosak ezek? Hol jön létre a sugárzás? Milyen folyamatokban, illetve milyen nuklidokból keletkezik? Hogyan függ a sugárforrás intenzitása az üzemállapottól? Milyen védelmi anyagok vannak és mik ezek tulajdonságai? BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 69

VVER-440 biológiai védelme védőcsőblokk felső rácslemez melegági csonkok hajtások védőcsövei védőcsőblokk felső rácslemez akna melegági csonkok hidegági csonkok hajtások védőcsövei bóros száraz keverék szerpentines nehézbeton szerpentines könnyűbeton védőcsőblokk alsó rácslemez bóros száraz keverék szerpentines nehézbeton hidegági csonkok akna reaktortartály akna hővédelem szerpentines könnyűbeton védőcsőblokk alsó rácslemez zónakosár reaktortartály vasbeton kosár alsó rácslemez fékezőcsőblokk felső rácslemez fékezőcsövek és védőcsövek fékezőcsőblokk alsó rácslemez akna zónakosár hengerpalástja kavicsbeton fékezőcsőblokk felső rácslemez fékezőcsövek/ védőcsövek fékezőcsőblokk hengerpalástja fékezőcsőblokk alsó rácslemez perforált elliptikus fenék perforált elliptikus fenék BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 70

Keletkezés helye szerint Aktív zóna Zónát körülvevő térrész: üzem közben a neutronok befogódnak a szerkezeti anyagokban, biológiai védelemben A sugárzásos befogás, mint magreakció prompt befogási gamma-fotonok keletkezéséhez vezet Felaktiválódott szerkezetek (védelem is!) sugárzás forrása Primer kör (hűtőközeg és a csővezetékek is) BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 71

Keletkezés módja szerint n-források Hasadás: Spontán Indukált Alfa-n reakciók Gamma-n reakciók n-emisszió -források Hasadás: Prompt fotonok Késői fotonok (bétabomlás kísérője) Neutronbefogás (n, ) reakciók Felaktiválódott nuklidok BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 72

Neutronforrások BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 73

Hasadási neutronok energia-spektruma A hasadási neutronok legfőbb tulajdonságai Hasadásonként kb. 2,5 n keletkezik (ez függ a hasadóanyag fajtájától) Maximális energiájuk akár 20 MeV is lehet Átlagenergiájuk 2 MeV Legvalószínűbb energiájuk 1 MeV Üzemelő erőművi reaktor meghatározó neutronforrása a láncreakció A neutronforrás erőssége kb. 10 20 n/s BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 74

Leállított reaktor, mint neutronforrás A csak (!) friss üzemanyagot tartalmazó reaktor kis intenzitású neutronforrás (10 5 n/s körül) A legalább részben kiégett üzemanyagot is tartalmazó reaktor intenzív neutronforrás (akár 10 10 n/s körül) Ennek fő oka a transzurán izotópok spontán hasadása Ezek közül is kiemelkedő a kűrium BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 75

A spontán hasadó izotópok adatai Izotóp Felezési idő Felezési idő a spontán hasadásra T sf sf s -1 Fajlagos neutronhozam, neutron sg 235 U 7,04 10 8 a 1 10 19 a 2,198 10-27 5,633 10-6 Mennyisége, * g tonna U 236 U 2,342 10 7 a 2,5 10 16 a 8,787 10-25 2,242 10-3 4180 238 U 4,468 10 9 a 8,2 10 15 a 2,680 10-24 6,782 10-3 237 Np 2,14 10 6 a >1 10 18 a <2,197 10-26 <5,583 10-5 750 238 Pu 87,74a 4,75 10 10 a 4,626 10-19 2,30 2,69 10 3 220 239 Pu 2,41 10 4 a 8 10 15 a 2,747 10-24 6,923 10-3 5280 240 Pu 6570 a 1,16 10 11 a 1,894 10-19 2,07 9,84 10 2 2170 241 Pu 14,4 a <6,10 10 16 a >3,663 10-25 >9,154 10-4 1020 242 Pu 3,76 10 5 a 6,77 10 10 a 3,246 10-19 2,15 1,74 10 3 350 241 Am 432,1 a 1,0 10 14 a 2,197 10-22 5,491 10-1 50 243 Am 7380 a 2,0 10 14 a 1,099 10-22 2,724 10-1 90 242 Cm 162,8 d 7,0 10 6 a 3,139 10-15 2,61 2,04 10 7 9,6 244 Cm 18,11 a 1,32 10 7 a 1,665 10-15 2,80 1,15 10 7 33 252 Cf 2,64 a 85 a 2,585 10-10 3,77 2,33 10 12 Megjegyzés: * - PWR reaktorra 33000 MWnap/tonna kiégési szintnél A kivastagított számok egysége: hasadás/sg BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 76

PWR-es reaktor fűtőelemének spontán hasadásból származó fajlagos neutronhozama a kiégetési szint függvényében BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 77

Fotoneutron-reakciók A spontán hasadáson túlmenően jelentős neutronforrást jelentenek egyéb magreakciók is Ezek között az egyik legjelentősebb a fotoneutronreakció Nagyenergiájú fotonok (melyek a hasadási termékek erős sugárzása miatt vannak jelen a primer körben) képesek a vízben lévő deutériumból neutronokat kiütni Emiatt az aktív zónától távolabb is keletkeznek neutronok Szintén keletkeznek neutronok üzem közben aktivációs termékből is: az oxigénből keletkező 17 N neutronsugárzó izotóp, amelynek néhány s a felezési ideje, ezért képes eljutni a primer körben szinte bárhová BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 78

A 2 H(,n) 1 H reakció hatáskeresztmetszetének energiafüggése BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 79

Fotonforrások Üzemelő reaktor esetén a legfontosabb gammafotonforrás a hasadás Intenzitása kb. 10 20 foton/s Összemérhető fotonforrás származik a neutronok befogásából (H-nek pl. 2,2 MeV energiájú befogási gamma sugárzása van) Ez a szekunder fotonsugárzás A biológiai védelem távoli részein is viszonylag jelentős lehet Üzem közben a hűtőközegben jelentős a felaktiválódott szennyezők és a 16 N fotonsugárzása BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 80

A neutron- és fotonsugárzás gyengülése az aktív zónától távolodva Jól megfigyelhető, hogy a biológiai védelemben a a gamma-dózisteljesítmény a szekunder fotonok sugárzása határozza meg! BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 81

Egy 1000 MWe teljesítőképességű reaktor és az ahhoz kapcsolódó üzemanyagciklus teljes aktivitás-készlete Isotope type Fission products Operating NPP 4.5 10 5 77% Actinides 1.3 10 5 Activation products 23% 500 0.08% Inventory of spent fuel (peta Bq) Shutdown 1.5 10 5 77% 4.5 10 4 23% 160 0.08% 150 days after 5000 96% 165 3% 36 1% 10 years after 370 79% 95 20% 4 1% BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 82

A leállítás utáni remanens hőteljesítmény üzemi teljesítményhez viszonyított értéke 10-1 10-2 10-3 10-4 BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 83

Összefoglalás (3. rész) Az üzemelő erőművi reaktor legjelentősebb neutronforrása a hasadás, kb. 10 20 n/s intenzitással A leállított reaktor legfontosabb neutronforrása a spontán hasadás (10 10 n/s) Üzem közben a legfontosabb gamma-forrás a hasadás (kb. 10 20 foton/s) Fontos még a neutronbefogásból származó gamma-forrás és a 16 N is BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 84

Reaktortartály-felügyelet BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 85

Miért fontos a reaktortartály? Meghatározza az erőmű élettartamát (nem cserélhető elem) A mérnöki gátak közül a legfontosabb Sérülése nagy valószínűséggel zónaolvadáshoz vezet BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 86

Hogyan tervezzük? Ultrakonzervatív? Biztonságos, éppen ezért: Túlméretezett Így a szállítása nem megoldható Konzervatív Normál méretek Tartályfelügyelet szükséges! BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 87

Mi történik a tartállyal az élettartama során? Hőfeszültségek Mechanikai feszültségek Vibrációk, rezgések Legfontosabb azonban a gyorsneutronok hatása BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 88

Gyorsneutronok hatása az acélokra A törés fajtája hőmérsékletfüggő: - Rideg - Szívós Szobahőmérsékleten és e fölött általában a kérdéses acélok szívósak Besugárzás hatására nő a ridegtörési hőmérséklet! BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 89

Mi történik az anyaggal? Az E>0,5 MeV neutronok kiütik a kristályrácsból az atomokat Ha az atomoknak átadott energia >40eV keletkezik E min,átadott P(visszarendeződés)=p(T), akkor egy Frankel-pár Jó,hogy a tartály magas hőmérsékleten van BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 90

Ridegedés A ridegedésnek anyagszerkezet-változási okai vannak A ridegedés kialakulását nagymértékben meghatározza az acél szennyezőanyag (ötvöző) Koncentrációja (pl. réz) BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 91

Gyorsneutronok hatása A gyorsneutron-besugárzás hatására az acél ridegtörési átmeneti hőmérséklete akár 100-150 C fokkal is megnőhet BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 92

Gyorsneutronok hatása Adott hőmérsékleten csökken a törési energia Charpy vizsgálat: BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 93

Próbatestek A tartály anyagából próbatesteket készítenek,amelyeket elhelyeznek a reaktorban A VVER-440 esetében 1 év próbatestet érő sugárzás ~ 11 év valóságos f, tartálybesugárzásnak felel meg f, Ez túl nagy különbség! ASTM szerint max. 4-5, de jobb a 2 próbatest tartály 11 BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 94

Próbatestek elhelyezése a VVER-440-ben szerpentinites könnyűbeton zónakosár sokszögpalást akna plattírozás reaktortartály munkakazetta SZBV üzemi csoporthoz tartozó SZBV BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 95

Próbatestek elhelyezése a tokokban 20 20 11 próbatestek, 15H2MFA 4 10 B C titán 55 6 C A A 23 27 B C-C metszet (felülnézet) alumínium saválló acél A-A metszet (oldalnézet) B-B metszet (oldalnézet) BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 96

Próbatestek elhelyezése a PWR-ekben BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 97

Varratanyag Ebből is kell készíteni próbatestet Oka: különbözőség a tartály anyagától A paksi tartály vékonyabb a PWR-ek tartályainál,mivel vasúton szállíthatóvá kellett tervezni A varrat nem lehet a legterheltebb helyen BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 98

A tartály anyagára vonatkozó követelmények Sokkhatásra a mikrorepedések ne legyenek instabilak A tartályfal ¾ részénél ne terjedjenek tovább a repedések BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 99

Mi vezethet töréshez? Tranziensek ZÜHR működése LOCA esetén kevésbé veszélyes SB LOCA létrejöttekor azonban a tartály nagy nyomása és az alacsonyabb hőmérsékletű ZÜHR víz együttesen PTS-t (Pressurized Thermal Shock) okozhat A tartály állapotát a teljes élettartam alatt monitorozni kell Erre több féle technika van BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 100

Mikrorepedések Kiinduló esemény Nagy nyomás Alacsony Hőmérséklet Mechanikai feszültség Hőfeszültség Nagy Feszültség intenzitás Repedés Instabilitás Gyorsneutron fluxus Hideg tartály Besugárzás miatti szerkezetváltozás Ridegtörés Valószínűsége nagyobb Tartálytörés Szennyezők Forrás: Trampus Péter BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 101

Összefoglalás (4. rész) A reaktortartály élettartama meghatározza az erőműét A gyorsneutron-besugárzás rontja az acél mechanikai tulajdonságait Ez egy tranziens során (pl. LOCA) veszélyes lehet Gondos felügyelet szükséges Próbatesteket kell besugározni és vizsgálni a változásokat, pl. ridegtörés átmeneti hőmérsékletének eltolódását BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 102

Irodalomjegyzék Csom Gyula: Atomerőművek üzemtana II/3 és II/4 kötet BME NTI 2015 Atomenergetikai alapismeretek 103