Fűtőelemek üzemi viselkedése
Üzemanyag • Követelmények (geometriai, hőtani, kémiai, reaktorfizikai, gazdaságossági) • UO2 az üzemanyag + burkolat Zr ötvözet • Szemcsék (5-20 mikron)
Üzemanyag
Üzemanyag • • • •
Keramikus üzemanyag Rideg Átmeneti hőmérséklet > 1300 K g Elméleti ρ = 10,96 3 cm
• VVER-440: d = 7,6mm d furat = 1,6mm
h = 9 − 12mm
haktívzóna = 2420mm
Speciális üzemanyagok • UO2 Gd 2 O3 - kiégő mérgek alkalmazása • MOX UO2 + PuO2 • 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: σ befogási legyen kicsi 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 Ötvözet neve Zircaloy nyugati Zircaloy-4 PWR-ek
Nb, %
NDA E635 ZIRLO
Sn, % 1,21,7 1,21,7 1 1,3 1
MDA E635M Opt. ZIRLO
Zircaloy-2
Fe, %
Cr, %
O, ppm
0,1
1000-1400
0,050,15 0,2
1300
0,1 1 1
0,180,24 0,070,20 0,3 0,4 0,1
0,8 0,8
0,5 0,8
0,2 0,35
0,1
1200 700
0,7 5
1
0,1
1200
1
0,01
600
F szennyezés
1 2,42,8
0,04 0,030,065
1200 900-1300
20 ppm S
E110 (Zr1%Nb) M5 E125 (Zr2.5%Nb)
0,0 05
Egyebek
Ni 0,03-0,08%
1200 900 1200
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 hköteg = 3217 mm • 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 •U-Zr hidrid kutatóreaktorokban elterjedt (pl. TRIGA) rendkívül nagy negatív visszacsatolás jó hővezetés nagyobb konverziós tényező
Két oldalról hűtött fűtőelem
Pasztilla gyártása • UO2 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 y kum % 133
Xe 135 Xe 135 m
138
137
Xe
Xe
Xe 85 m Kr 88 Kr 87 Kr
6,2 6,5 1,1 6,2 6,1 1,3 3,5 2,5
T1 / 2 5,3 nap 9,2 óra 15,9 perc 14,2 perc 3,9 perc 4,4 óra 2,8 óra 1,3 óra
Hasadási termékek (g/kg heavy metal) Elem Bróm Kripton Rubídium Stroncium Ittrium Cirkónium Nióbium Molibdén Technécium Ruténium Ródium Palládium Ezüst Kadmium Indium Ón Antimon Tellúr Jód Xenon Cézium Bárium Lantán Cérium Prazeodímium Neodímium Promécium Szamárium Európium Gadolínium Összes
13,0 0,0093 0,16 0,16 0,47 0,24 1,56 0,045 1,23 0,33 0,84 0,17 0,23 0,015 0,011 0,0007 0,014 0,0058 0,16 0,080 2,02 1,14 0,56 0,51 1,30 0,43 1,38 0,13 0,23 0,036 0,0094 13,5
26,0 0,018 0,31 0,29 0,82 0,42 2,97 0,044 2,57 0,64 1,76 0,35 0,68 0,042 0,037 0,0013 0,032 0,013 0,34 0,17 4,07 2,27 1,10 0,99 2,34 0,87 2,89 0,18 0,51 0,10 0,037 26,9
Kiégés, MWd/kgU 39,0 0,026 0,45 0,41 1,11 0,58 4,27 0,042 3,89 0,91 2,76 0,50 1,34 0,073 0,080 0,0016 0,054 0,020 0,53 0,27 6,16 3,34 1,66 1,45 3,28 1,30 4,42 0,19 0,81 0,19 0,10 40,3
52,0 0,034 0,54 0,51 1,36 0,71 5,48 0,040 5,18 1,14 3,85 0,60 2,18 0,11 0,15 0,0017 0,079 0,027 0,74 0,37 8,28 4,36 2,26 1,90 4,19 1,71 5,93 0,19 1,10 0,27 0,22 53,6
65,0 0,041 0,64 0,60 1,57 0,82 6,62 0,038 6,46 1,33 5,00 0,66 3,18 0,14 0,23 0,0018 0,11 0,034 0,96 0,47 10,4 5,32 2,89 2,32 5,07 2,11 7,41 0,17 1,36 0,34 0,40 66,8
Illékony hasadási termékek T1/ 2 131
I 133 I 135 I 132 I 134
137
I
Cs
134
Cs
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 3000 2950 2900
Olvadáspont (°C)
2850
orosz
2800 2750 2700 2650
MATPRO
2600 2550 2500 0
5
10
15
20
25
30
35
40
Kiégés (MWd/kgU)
45
50
55
60
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 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 5. Duzzadás folytatódik, 1. Indulásnál nagy külső nyomás = nagy feszültség rés bezárul. Burkolat-pasztilla mechanikai és kémiai 2. Melegedés – 2x-es kölcsönhatása nyomás, hőmérsékletkülönbségek, töredezés – 6. Porózus peremréteg kialakulása, oxidréteg az első induláskor; képződése hőtágulás 3. Néhány hónapnyi tömörödés. Burkolat kúszása. Résméret nő 4. Hasadási termékek miatt duzzad a tabletta, kúszás folytatódik, résméret csökken
A burkolat élettartama –tablettaburkolat kölcsönhatások 500
5
besugárzott
E110 4
300
Kúszási (%)
Folyáshatár (MPa)
400
200
3
2
besugárzatlan 100
1
0
0
E635 0
200
400
600
800
1000
0
1
2
3 22
Hőmérséklet (°C)
4 -2
Neutron fluens (10 cm )
5
Üzemzavarok 100000 90000
Reaktor teljesítmény (MW)
• LOCA • Reaktivitásüzemzavarok felfúvódás és felhasadás
800 700
teljesítmény
600
600
500
500
400
400
300
300
burkolat hőmérséklet
200
200 100
100 0 1E-3
60000 50000 40000 30000 20000 10000
0 0,01
0,1
1
idő (s)
10
0 0,00
900
100
Burkolat hőmérséklet (°C)
Lineáris teljesítmény (kW/cm)
rideg sérülés
800 700
70000
1000
1000 900
80000
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
Idő (s)
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
Kísérletek • CODEX • SPERT
Súlyos balesetek következménye a fűtőelemre Hőmérséklet 800 °C •
Jelenség az AIC ötvözetek olvadása
•
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
•
UO2 oldódása a fémcirkónium olvadékban
1975 °C
•
O tartalmú, α-fázisú cirkónium olvadása
2400 °C
•
Zr/UO2 és U/UO2 olvadékok képződése
•
B4C olvadás
2600 °C
•
(U,Zr,O) keramikus olvadék képződése
2690 °C
•
ZrO2 olvadás
2850 °C
•
UO2 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 típus
Meghibásodási gyakoriság (ppm) 19871990
19911994
19951998
19992002
20032006
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 fő okai Meghibásodási mechanizmus Rács és burkolat közti kopás (fretting) Törmelék okozta kopás (debris fretting) Gyártási hiba Korrózió/crud Tabletta és burkolat közötti kölcsönhatás (PCMI) Kezelési hiba Hidraulikai hiba (baffle jetting) Ismeretlen ok
19871990
19911994
19951998
19992002
20032006
8,3
22,2
53,5
74,8
52,1
27,8
24,3
10,6
6,1
9,3
10,4 0
3,5 0
7,0 1,6
2,9 1,3
4,8 0
0
0
0
0
0,6
1,4
2,0
0,6
0,3
0
2,1
0
0
0
0
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
, 1/s 131I 132I 133I 134I 135I 85mKr 87Kr 88Kr 133Xe 133mXe 135Xe 138Xe 135mXe
9,98E-7 8,37E-5 9,26E-6 2,20E-4 2,91E-5 4,30E-5 1,52E-4 6,78E-5 1,53E-6 3,66E-6 2,12E-5 8,18E-4 7,40E-4
8,04 d 2,28 h 20,8 h 6,64 h 4,48 h 1,26 h 2,84h 5,25 d 2,39 d 9,09 h
Egy hasadás során keletkező atomok részaránya, % 235U
239Pu
2,88 4,30 6,70 7,71 6,30 1,30 2,52 3,55 6,70 0,190 6,54 6,42 1,16
3,85 5,39 6,93 7,27 6,45 0,566 0,987 1,32 6,98 0,233 7,60 5,12 1,69
Mikrohiba, makrohiba, spiking
I-131
I-134
Sérülés detektálása, sérült kazetta kiválasztása • On-line mérések • 99Mo-99Tc, 95Zr-95Nb, 91Sr, 92Sr, 140La, 239Np • 134Cs, 137Cs • 90Sr és 89Sr • Víz-mintavétel • Sipping vizsgálatok: Jód és cézium izotópok
A sipping eljárás
