Fűtőelemek üzemi viselkedése
Üzemanyag Követelmények (geometriai, hőtani, kémiai, reaktorfizikai, gazdaságossági) az üzemanyag + burkolat Zr ötvözet UO 2 Szemcsék (5-20 mikron)
Üzemanyag
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
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
Burkolat Funkciója kettős - mechanikai szilárdságot adni a fűtőelemnek - a radioaktív anyagok fontos határvonala (mérnöki gát) Követelmény: magfizikai és hőtechnikai megfelelőség
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)
Anyagok - burkolat A cirkónium és ötvözetei kiváló kompromisszumot jelentenek Zircaloy nyugati PWR-ek Ötvözet neve Sn, % Nb, % Fe, % Cr, % O, ppm Egyebek Zircaloy-4 1,2-0,18-0,1 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
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
Fűtőelem-kötegek - konstrukció Fűtőelemek rögzítése A legkisebb együtt mozgatható egység A PWR fűtőelem-kötegeinek lehetséges keresztmetszeti vázlata
Fűtőelem-kötegek VVER háromszögrács, így a köteg hatszög keresztmetszetű 349 kazetta h köteg = 3217mm PWR köteg nyitott VVER-1000 Westinghouse BWR
Fűtőelem-kötegek VHTR CANDU
7.16. ábra. A VVER-440 fűtőelemkötege a) önálló köteg b) szabályozó elem fűtőelem követője
Új típusú fűtőelem-kötegek Karbidok és nitridek alkalmazása Sűrűségük 13-14 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
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
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)
Nemesgázok 133 135 135m 138 137 85m 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
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
Illékony hasadási termékek 131 I 133 135 132 134 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
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 40-50 Mwnap/kg kiégés fölött a porozitás elérheti a 30%-ot
Transzuránok keletkezése
Fűtőelemek mechanikai igénybevétele - nemesgázok hatása Hőfeszültség + rideg anyag Repedések A repedések dudorokat okozhatnak a fűtőelemeken belül,amelyek nyomják a burkolatot
Fűtőelemek hőtechnikai és mechanikai igénybevétele Olvadá áspont ( C) 3000 2950 2900 2850 2800 2750 2700 2650 2600 2550 2500 orosz MATPRO 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Kiégés (MWd/kgU)
Tömörödés, duzzadás, repedések
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 10-20 µm vastag ZrO réteg alakulhat ki az UO2-ből Korrózió a külső felületen Crud = Chalk River unidentified deposit - lerakódások
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
A burkolat élettartama tablettaburkolat kölcsönhatások 500 5 400 besugárzott 4 E110 Folyáshatár (MPa) 300 200 100 besugárzatlan Kúszási (%) 3 2 1 0 0 200 400 600 800 1000 Hőmérséklet ( C) E635 0 0 1 2 3 4 5 Neutron fluens (10 22 cm -2 )
Üzemzavarok Lineáris teljesítmény (kw/cm) 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 LOCA Reak ktor teljesítmény (MW) 100000 90000 80000 70000 60000 Reaktivitásüzemzavarok 50000 40000 30000 rideg sérülés teljesítmény 0 0 1E-3 0,01 0,1 1 10 100 idő (s) felfúvódás és felhasadás burkolat hőmérséklet 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 Burkolat hőmérséklet ( C) 20000 10000 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)
Kísérletek CODEX SPERT
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
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
Meghibásodási gyakoriság 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
PWR fűtőelem-meghibásodások Meghibásodási mechanizmus 1987-1990 fő okai 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
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 3,85 132 I 8,37E-5 2,28 h 4,30 5,39 133 I 9,26E-6 20,8 h 6,70 6,93 134 I 2,20E-4 7,71 7,27 135 I 2,91E-5 6,64 h 6,30 6,45 85m Kr 4,30E-5 4,48 h 1,30 0,566 87 Kr 1,52E-4 1,26 h 2,52 0,987 88 Kr 6,78E-5 2,84h 3,55 1,32 133 Xe 1,53E-6 5,25 d 6,70 6,98 133m Xe 3,66E-6 2,39 d 0,190 0,233 135 Xe 2,12E-5 9,09 h 6,54 7,60 138 Xe 8,18E-4 6,42 5,12 135m Xe 7,40E-4 1,16 1,69
Mikrohiba, makrohiba, spiking
I-131 I-134
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
A sipping eljárás