Reaktivitás kompenzálás és szabályozás
Reaktivitástartalék ρ tart = a reaktorban felszabadítható maximális ρ nagysága Felszabadítható, ha a neutronabszorbens anyagokat kivonjuk Viszont függ a reaktor állapotától is, így a paraméterek szabályozásával lehet változtatni
Reaktivitástartalék ρ tartalék,névleges Így -> a névleges értékek mellett a neutronabszorbensek kivonásával ρ rejtett a reaktor paramétereinek változtatásával felszabadítható reaktivitás ρ = + ρ ρ t t, n t, r
Kiégési ciklus Kiégés : a hasadóanyagok fogyása,hasadási termékek megjelenése Egymást követő két fűtőelem-átrakás közötti üzem Effektív üzemidő : T eff < T üzemidő T eff = ( T ) P( t) dt P 0
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 α 15 ami 1,5 %-ot jelent P = (%) P 0 0 C
A reaktivitás-tartalék alakulása A Xe mérgeződés 50 70 óra alatt alakul ki, ami 2,5 %-kal csökkenti a ρ tartalék értékét A Sm további 0,58 %-kal Így összességében 1 hónap alatt lefeleződik a ρ tartalék,ami utána havonta 1%-kal csökken A névleges ρ tartalék mintegy 10,5 effektív hónapra elég
A reaktivitás-tartalék alakulása
A reaktivitás-tartalék alakulása Folyamat Jelölése (l. 15.1. ábra) ρ, % Reaktor felfűtése üzemi hőmérsékletre ρ t,0 ρ t,1 2 4 Teljesítményemelés MET-ről ρ t,1 ρ t,2 1 2 nominális ér-tékre Egyensúlyi ρ Xe,e 2,5 3 xenonmérgezettség Xenon-tranziens csúcs 1 2 Egyensúlyi szamáriummérgezettség ρ sm,e 0,6 0,8 Szamárium-tranziens csúcs 0,2 0,4 Üzemanyag kiégése 5 10 Összesen ρ t,0 12,3 22,2
Reaktivitás kompenzálás és szabályozás ρ =0 esetben stacioner a teljesítmény Ezért ρ -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 σ 10 = 4000Barn
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
Elem Gadolínium 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-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 Rendszám Olvadáspont, C 64 1312 Dy-160 2,34 30,6 29,3 Diszprózium Dy-161 18,91 287 30,2 66 1407 Európium Erbium 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 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
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
Kiégő mérgek alkalmazása Követelmények: - elegendően nagy legyen σ a - az üzemanyaggal kompatibilis legyen Miért szükséges? Miért nem elegendő bórsavat 0,006 használni? α T,0, %/⁰C 0,004 0,002 0-0,002-0,004-0,006-0,008-0,01-0,012-0,014 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)
Kiégő mérgek alkalmazása Kiégő méregként használatos anyagok: - gadolínium - bór - erbium - európium - diszprózium
Kiégő mérgek alkalmazása Bór B C formában Al O 4 2 3 mátrixban ZrB 2 formában Bóracél Boroszilikát A probléma: hidrogént nyel el, felfúvódik 10 7 4 B + n Li+ He
Kiégő mérgek alkalmazása Gadolínium Gd 2 O 3 formában az -ba UO 2 Az egyik legelterjedtebb kiégő méreg Nyomottvizes reaktorokra ez a jellemző Nem változik a gyártástechnológia IFBA=Integral Fuel Burnable Absorber
Kiégő mérgek alkalmazása AP-1000
Kiégő mérgek alkalmazása Különálló rudak formájában Rúd belsejében víz moderátor Wet Annular Burnable Absorber
Kiégő mérgek alkalmazása Különálló rudak formájában Vezetőcsövekben Boroszilikát üvegrudak rozsdamentes acélburkolattal Boroszilikát (PYREX) rudak az AP-1000 -ben
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 Boroszilikát Al 2 O 3 / Al 2 O 3 / Gd 2 O 3 / Er ZrB 2 O 3 / anyaga üveg B 4 C B 4 C UO 2 2 UO 2 Burkolat Rozsdamentes Cirkónium Cirkónium - - - anyaga acél Hatásos 10 B 10 B 10 155 Gd, B izotóp 157 10 B 167 Er Gd
A méreg kiégése A gadolínium magsűrűségének változása a kiégés függvényében, a tabletta különböző gyűrűs térfogat-elemében
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
Szabályzókazetták Hajtások, hajtóművek Közbenső rudak Fékező mechanizmusok Kilökődésgátló Szabályozóelem Jellemző anyagok: - VVER-440: bóracél - PWR: ezüst-indium-kadmium (AgInCd, 80-15-5%) - BWR: bór-karbid A neutronabszorber anyag megválasztása függ a neutronspektrumtól és attól, hogy durva vagy finom szabályozásra használjuk
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
Alkalmazott anyagok II. Előnyök Hátrányok Jó abszorber mind az epitermikus, mind a termikus neutronokra Alacsonyabb kezdeti reaktivitásértékesség, mint a B 4 C esetében Hosszabb nukleáris élettartam, mint a B 4 C és az AgInCd esetében A magas sűrűség más anyaghoz történő illesztését megnehezítheti A reakció- és bomlástermékei más A sugárzás anizotróp térfogatváltozást, -növehafnium izotópok kedést, deformációt okoz, ami tervezési nehézségekre vezet. Jó méretstabilitás Kevés a publikált tapasztalat Jó korrózió-ellenálló képesség. Alkalmas a Viszonylag magas költség hűtőközegben burkolatnélküli felhasználásra Jó tapasztalatok az USA hajóreaktoraiban Hf
PWR szabályzórudak
7.13. ábra. A PWR-ek lehetséges szabályozó rúdnyalábjai (4, 8 és 12 rudas nyalábok)
A szabályozó rúdnyalábok elhelyezése a PWR-ben (EPR) 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;
7.9. ábra. A BWR fűtőelemmodulja a) b)
BWR szabályzópengék
BWR hajtás Az ABB biztonságvédelmi működtető mechanizmusa Előnyök, hátrányok Több, független rendszer!!!
Átvezetések
A szabályozórudak elhelyezésének szabályai φ φ A A φ r r r Reaktor Reaktor Reaktor Abszorberrúd
VVER-440 37 db szabályozó kazetta Ebből 30 db BV rúd
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
Differenciális és integrális értékesség 0,014 5. csoport nélküli mozgás 5. csoporttal történő mozgás differ renciális rúdértékesség, %/cm 0,012 0,01 0,008 0,006 0,004 0,002 0 0 50 100 150 200 250 300 2,5 6. csoport helyzete, cm 2,0 1,5 ρ I, % 1,0 0,5 0,0 0 100 200 6. SZBV csoport mélysége a zónában, cm
Reaktivitásértékesség Hideg állapotban kicsi a szabályozókazetták reaktivitásértékessége, ezért is kell hidegen a bórsav d ρ = dt d ρ dz dz dt 260 0 C dρ $ : = 0,0201 dz cm d ρ = 0,0201 2 = 0,0402 $ dt s dz dt = 2 cm s
Reaktivitás értékesség
Bórsav Elsődlegesen kompenzálásra használatos,csak másodsorban szabályozásra 10 B 11 B σ a = 4000barn σ a = 0, 005barn E n = 0, 025 ev Bórsav oldhatósága 100 g/kg Maximum 40g/kg Pakson 20g/kg
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 % N = 0 MW Ciklus eleje 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%
Bórsav Leállított reaktornál a primerkörben a C b = 12 g kg maximum 3 A primerkör 200 m vizet tartalmaz Itt a bórsavkoncentráció rövid idő alatt változik
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
Bórsav Kritikus bórsavkoncentráció: önmagában képes lekötni a teljes reaktivitást Tendencia PWR-eknél: Hosszabb kampány,teljesítménysűrűség ség növelése,magasabb hűtőközeg hőmérséklet Induló dúsítás növelése és a bór dúsítása