KFKI-1987-69/G,M
FODOR M, MATUS L. VIGASSY J.
FŰTŐELEM. VISELKEDÉS
Hungarian academy of Sciences CENTRAL RESEARCH INSTITUTE FOR PHYSICS BUDAPEST
KFKI-1987-69/G,M PREPRINT
FŰTŐELEM VISELKEDÉS FODOR M., MATUS L., VIGASSY J. Központi Fizikai Kutató Intézet 1525 Budapest 114, Pf. 49
HU ISSN 0368 5330
Fodor M., Matus L., Vigassy J.: Fűtőelem viselkedés.• KFKI-1987-69/G,M KIVONAT A report az atoroerőmUvl fűtőelemek viselkedésének néhány kritikus pont jával foglalkozik. Egy korlátozott terjedelmű kutatási program terveit is elemezzük.
Фодор M., Матуш Л., Вигашии Я.: Поведение топлива. KFKI-1987-69/G,M АННОТАЦИЯ Дается краткий обзор основных критических параметров эффективности теп ловыделяющих элементов ядерных реакторов на основе их химического и механи ческого поседений. Описывается также ограниченная научная программа по этой тематике.
М. Fodor, L. Matus, J. Vigassy: Fuel behaviour. KFKI-1987-69/G,M ABSTRACT A short summary of the main critical points in fuel performance of atomic power reactors from chemical and mechanical point of view is given. A schedule for a limited research program is included.
Bevezetés A WER-lOOO reaktorok fűtőelemeinek kihasználása és ezzel együtt igénybevétele egyaránt -
- üzemviteli és üzemzavari állapotokban
ugy van megtervezve, hogy a biztonsági tartalékok
a lehető legnagyobb, de még megengedhető mértékben csökkentve legyenek a korszerű ез gazdaságosabb technológiai mutatók el érése céljából. Az ilyen
"feszitett" üzemmód még az előzetes
kutatás, fejlesztés és tervezés során sem engedi meg azt, hogy a fűtőelemekben lejátszódó reaktorfizikai, hőtechnikai, szilárdságtani, kémiai és besugárzástechnológiai folyamatok kölcsönhatásaitól el lehessen tekinteni. Addig, amig a rend kívül üzembiztos WER-440 fogadásának előkészítése kapcsán a felsorolt egyedi folyamatok legtöbbjével a megfelelő egyedi diszciplína, vagy pedig a reaktorbiztonsági analízisek kereté ben elegendő volt" foglalkozni, a WER-1000 megkívánja, hogy a fűtőelemek kérdéseit mélyrehatóan és összefüggéseiben vizs gáljuk. A problémakör jelölésére az eddig kialakult hazai és kUlföldi gyakorlatnak megfelelően a "fűtőelem viselkedés" elnevezést használjuk. Hazánkban az elmúlt 20-25 évben több helyen folyt olyan kuta tómunka, amely hasznos tapasztalataival kedvező kiindulási alapot nyújt a fűtőelemek problémáinak felméréséhez. A 60-as években a KFKI Kémiai Főosztályán foglalkoztak
urán-dioxid
technológiával, préseléssel, pelletgyártással. Ugyanitt fo lyamatosan foglalkoznak azóta is a forróatom-kémia, а зидагkémia és a reaktoranyagok korróziójának kérdéseivel, támo gatva a kutatásokat az aktivációs analízis, a tömegspektrometria és a termoanalitika módszereivel. Ugyancsak a Kémiai Fő osztály szervezeti keretében folynak a reaktor-metallurgiai kutatások. Az elmúlt 5 évben az OKKFT A/11-2 alprogram nyújtott
- 2 -
kereteket oly*-
'-'itatásokhoz, amelyeknek célja számítógépes
apparátus, soii...... .. létrehozása volt a fűtőelemek viselke désének leírására baleseti üzemállapotok között. Elmondható, hogy a KFKI R-45-ös számítógépén már honosítási fázisban van az SSYST-3 programrendszer, amely a kérdéskör hazai software bázisához alapul szolgálhat. Ennek előfeltétele az a másfél évtizedes hőfizikai kutatómunka volt, amelynek ke retében a KFKI AEKI Termohidraulikai Osztályán több, a fűtő elem állapotát kiszámító egyszerűbb számítógépi program se gítségével a WER-440 reaktor fűtőelemeinek viselkedését kí vánták megismerni. Mindezzel párhuzamosan a KFKI Reaktor fizikai Osztálya teremtette meg azokat a feltételeket, ame lyek az üzemelő fűtőelemekben lejátszódó izotópösszetétel változások számitógépes leírását lehetővé tették. 1. Célok A munka kezdeti fázisában a szakirodalom kritikai felmérésé vel az elérhető információk összegyűjtése, rendezése, a WER-1000 típusra vonatkoztatható felmérése a feladat. A ren dezéshez kapcsolódóan olyan adatbank felállítását is tervez zük, ami az információk gyors elérését, szelektálását, éppen aktuális szempontok szerinti áttekintését megkönnyíti. Miután a nyomottvizes atomerőművi reaktorok fizikai tulajdon ságai a világ minden részén гagyon hasonlóak, a szakirodalom ból nyerhető információk várhaLóan különösebb átértékelés nélkül hasznosíthatók lesznek. Mindamellett már az előzetes áttekintésből kiderült, hogy a WER-1000 fűtőelemekre vonat kozóan egyes adatokat nem ismerünk elfogadható megbízhatóság gal. Szükségesnek látszik tehát aktiv kísérleti kutatómunka során megszerezni azokat az információkat, amelyek lehetővé teszik az eltérő anyagminőségek szerepének elbírálását és a hiányzó
- 3 -
adatok pótlását. Célirányosan megválasztott kémiai és fizikai kémiái modellkísérleteken át meg kell ismerni a fűtőelemekben lejátszódó kémiai folyamatokat, de legfőképpen azok hatását a fűtőelem burkolat szilárdságára. A modellezésnél a normál üze mi és üzemzavari tartományt kívánatos átfedni. A nagyobb hő mérsékletek tartományában a külső korrózió sebességének megis merését is feladatként kell kitűzni. A fizikai-kémiai és az ehhez kapcsolt mechanikai-szilárdság tani vizsgálatok célja tehát a saját fűtőelemekre kísérleti leg megalapozott adatbázis létrehozása. Nem gondolhatunk azon ban arra, hogy minden információt saját munkánk eredménye képpen állítsunk elő. Ez lehetőségeinket nagyságrendekkel hrladja meg. A szakirodalmon tul, nemzetközi kapcsolatok révén lehet kibővíteni a saját munkánkból nyert információkat. Erre azonban csak akkor gondolhatunk siker reményével, ha saját magunk is tudunk ismereteket nyújtani ellenszolgáltatásul.
2. A fűtőelemek A W E R tipusu nyomottvizes reaktorokban a fűtőelemek cirkónium ötvözetből készült, kb. 9 mm külső átmérőjű függőleges csőben - burkolatban -
elhelyezett keramikus urán-dioxid pasztillák-
ból állnak. A pasztillák közepén 1-2 mm átmérőjű furat talál ható. A burkolat külső oldalán áramlik a hűtővíz, amely egyben az atomreaktor moderátoranyaga is. Még baleset- illetve zavarmentes üzemállapotok során is külön féle fizikai-kémiai folyamatok veszik igénybe a fűtőelemek anyagait. A burkolatot kívülről korróziv és kavitációs folya matok terhelik. A burkolat anyagát változó hő-, mechanikai- és sugárterhelés ridegiti, öregbiti. A burkolat anyagába a leg különfélébb anyagok diffundálnak bele. A burkolat belső fel színét az uránkémia hő- és mechanikai hatása koptatja, az
- 4 -
agresszívebb hasadási termékek, a gyártási folyamatból visszamaradt szennyeződések korródeálják. A sugár- és hőigénybevétel hatására az uránkerámia deformálódik, átkríttályosodik és részben szétporlik. A hasadó anyagok kiégetését, azaz a fűtőelemek a reaktorban eltölthető időtartamát reaktorfizikai okokon túlmenően az emiitett kémiai hatások korlátozzák. /1./ 2.1 A fűtőelem meghibásodásokat előidéző kémiai, fizikai-kémiai, mechanikai és korróziós folyamatok A fűtőelem
/hasadó anyag és burkolat/
meghibásodások alap
vető okaiként a következő jelenségeket tekintik /2./ : - Hidridképződés A burkolat
/cirkóniumötvözet/
belső falán meginduló, az UO_
hidrogéntartalmú szennyeződéseinek
/maradék nedvességtarta
lom és szerves szennyező anyagok radiolizisének/
tulajdonit
ható hidrogénfeldusulás, abszorpció, majd cirkónium-hidridképződés, amely áthatol a burkolat külső felületén; hólyagosodásban, repedésben, majd átlyukadásban jelentkezik /"nap kitörés"/, A hidridképződést befolyásolja a felületek álla pota
/előzetes felületkezelés, passziváló oxidréteg jelen
léte/, a passziváló oxidréteg fennmaradását befolyásoló kör nyezeti szennyeződések, illetve hatások mint katalizátorok; felesleg-oxigénje,
/halogenidek, cézium,
HF maratási szennyező, UO. pasztillák 0/U aránya/
jellege.
- Pasztilla-burkolat kölcsönhatások Mechanikai okoknak és az illékony hasadási termékek
/főleg
jód és cézium/ /3. / által indukált kémiai hatásoknak tulaj donitható a burkolal feszültség korróziós repedések kelet kezése. Megjelenésük szoros összefüggésben van a hasadási gázok kiszabadulásának mechanizmusával, a besugárzási és hőmérsékleti viszonyokkal.
- 5 -
- Burkolat külső korróziója A fűtőelem külső felületén, a burkolat oxidációjának tulaj doníthatóan - főleg a burkolat túlhevülése esetén - fel gyorsul a korrózió /reve képződés/. A reve képződés, ill. kozzózió sebessége függ a vízkémiai paraméterektől, a víz körrel érintkező szerkezeti anyagoktól, a rudak hofluxusá tól, az oxidréteg hővezetőképessc^étol, az oxidréteg makroés mikrostruktúrajától, a sugárzási háttértől, valamint egyéb szennyezők /nitrogén, HF/ jelenlététől. A cirkóniumötvözetek vizes korróziójánál képződő hidrogén egy része a burkolat kUlső felületén abszorbeálódik, old hatósága a hőmérséklet növekedésével nő, ugyanakkor a kép ződött cirkónium-hidrid tulajdonsága a törékenyből a hajlé konyba megy át. Ez esetben, normál üzemi körülmények között, nincs törési kockázat. Újratöltési és tárolási periódusnak megfelelő alacsony hőmérsékleten azonban a hajlékonyság a hidridképződés következtében olyannyira lecsökkenhet, hogy törési meghibásodás következik be. - Fűtőanyag tömörödés, burkolat összeomlás, ill. lapoáodás Az ÜO- pasztillák tömörödése révén, az UO-pasztilla töltet zsugorodásából, illetve összeeséséből, valamint üregek kép ződéséből származó elégtelen burkolattartó szilárdságnak tulajdonitható a burkolat összeroppanás, behorpadás, laposodás. - CirkőMumötvőzet megnyúlása Besugárzás hatására a cirkóniumötvözet cső hosszának megnö vekedéséből, ill. differenciális növekedési hatásokból szár mazó szerkezeti változás, amely meghaladja a konstrukciós tervezési határokat. /4./
- б -
- Kopási és fáradási korrózió Az idegen részecskéknek vagy az egyes fUtőelemrudak, szerel vények rezgésének tulajdonitható a kopási és fáradási kor rózió. Amint ez a vázlatos felsorolás is mutatja, a fűtőelem meg hibásodások nagy részét olyan kémiai, fizikai-kémiai, szilárd test-kémiai, ill. korróziós és mechanikai folyamatok okozzák, amelyek szorosan összefüggnek az anyagok előéletével és tulaj donságaival, a környezeti hatásokkal, a besugárzási és hő mérsékleti viszonyokkal. Ezeknek a folyamatoknak a kézben tar tása csak az egyes mechanizmusok értelmezése, a folyamatokat befolyásoló paraméterek szerepének pontos megismerése után si kerülhet. üzemzavari, illetve baleseti helyzetek elemzésekor egyes folya matokra fokozatosan figyelemmel kell lenni. Ilyenek: a Zr-H-0 reakció sebessége, a reakciósebesség hőmérsékletfüggése,
a
cirkónium-oxid rétegvastagságának hatása a redukcióra és a bur kolat szilárdságára, a burkolat-felhasadás mértékétol függően a hasadási termékek és hasadó anyagok kikerülése és kihordása. Külön kérdéscsoport a gyártási és izotépdusitási tűrések és sző rások hatásának analízise az eddig vázolt folyamategyüttessel kapcsolatban. Jóllehet kisebb jelentőséggel, de valamennyi eddig ismertetett folyamat hatással volt a WER-440 reaktor üzembiztonságára is. A WER-1000 reaktor esetében a lecsökkentett biztonsági tarta lékok szükségessé teszik e folyamatok kölcsönhatásban való részletesebb vizsgálatát. Ehhez kellő szintű modell-alkotásra, a modellhez megfelelő mennyiségű és minőségű adatra, azaz be menő paraméterre van szükség. A kérdéskörben nem engedhető meg olyan szintű bizonytalanság és meghatározatlanság, amilyen a WER-440 reaktorok esetében még elviselhető volt.
- 7 -
A reaktorfizika ad számot azokról a folyamatokról a fűtőeleme ken
belül, amelyek neutronok keletkezésével vagy befogásával
járnak: igy л reaktorfizika irja le a fűtőelemekben lejátszó dó hasadási és neutronabszorpciós folyamatokat az ezekhez kapcsolódó
hasadó anyag kiégetési és hasadási termék lebom
lási foly.amtokkal együtt. Gyakran használják azt a közelitő feltételezést, hogy az izotópösszetétel a fűtőelem sugara men tén
állandó, ebben az esetben az izotópok migrációját nem kell
figyelembe venni. Valójában a hasadási termékeknek koncentráció gradiense van és diffúziójuk a pasztillákban bizonyos komponen seknél magas hőmérsékleten nem elhanyagolható- E folyamatok leirása „negfelelő diffúziós modellekkel a "fűtőelem viselkedés" keretében történhet, jóllehet reaktorfizikai konzekvenciái is ie hétnek
/xenon- és jódvándorlás feltételezése esetén megváltoz
nak a jódgödör és a xenonlengés paraméterei/. A kérdéskörről csak szórványos ismeretekkel rendelkezünk. Nem ismerjük pontosan azt sem, hogy a WER-440 és a WER-1O0O reaktorok paraméterei nek, elsősorban a fűtőelemek hőmérsékleteinek eltérése milyen mértékben befolyásolja ezen folyamatokat. A reaktor hofizika
/termohidraulika/
ad számot arról,
hogy
milyen hőmérsékleti viszonyok alakulnak ki egy fűtőelem belsejé ben. E hőmérsékleteloszlásra szüksége van a reaktorfizikának: a reaktorfizikai folyamatok leírásában felhasznált effektiv hatás keresztmetszetek a hőmérséklet függvényei. A hofizikai analizis hővezetés! és hőátadási tényezőket használ fel, amelyek több paramétertől, igy a fűtőelemeknek a reaktorban eltöltött besu gárzási idejétől is függnek. Jelentős befolyása van még a hő mérsékleti vizsonyokra a burkolat és a pasztilla közötti rés méretének, illetve az itt fellépő összepréselő erőnek. Mind ezen befolyásokat olyan paraméterekkel Írhatjuk le, amelyek részletes elemzése a "fűtőelem viselkedés" keretében történhet. /5./
- 8 -
A fűtőelem viselkedés jelentós részterülete a fűtőelemek hőfokfüggő plasztikus és rugalmassági analízise. Ez az analizis ad választ a résméret és az összepréselő nyomás
kérdésében.
A válasz megadásához olyan anyagminőség- és besugárzás-függő anyagi paraméterek ismerete szükséges, mint a rugalmassági modulusz, keresztkontrakciós
tényező, folyás- és nyuláshatár,
hőtágulási együttható, stb. Ez az alakváltozás-analízis választ kell hogy adjon arra a kérdésre is, hogy mekkora belső nyomást idéznek elő a termelődött hasadási gázok, illetve milyen nyo máskülönbséget képes meghibásodás nélkül a burkolat elviselni.
2.2 A fűtőelem viselkedés modellezése A W E R fűtőelemet felépitő anyagok közel állnak a nyugati orszá gokban alkalmazottakhoz: cirkóniumötvözet, urán-oxid kerámia. A fűtőelemek szerkezetében kisebb eltérések vannak, főképpen a hasadási gázok tárolására beépített terek elhelyezése-kiosztása tárgyában. Az urán-dioxid kerámia gyártástechnológia eltérései ből adódó differenciák megítélésére első lépésben nincs módunk. Nyomottvizes reaktorok esetére a Stuttgarti Műszaki Egyetem Magenergetikai és Energiarendszerek Intézete NSZK/
/IKE, Stuttgart,
közreműködésével moduláris programrendszert hoztak létre
a fűtőelem viselkedés leírására SSYST néven. E rendszer két verziója
/SSYST-2 /6J
további pedig
és SSYST-3 \li
/SSYST-4 /8./ /
/
hozzáférhető, egy
jelenleg van fejlesztés alatt.
A KWU 1300 MW-os blokkokat épit, a legmodernebb integrális fűtőelem vizsgálatok és az SSYST-4 rendszer verzió eredményeit vetik egybe /9./ A fűtőelem viselkedés témaköréhez tartozó software bázis hazai kialakitása lényegében a KFKI AEKI Termohidraulikai Osztályán kifejlesztett hőtechnikai programok kőzött kezdődött. Említésre méltók a FOURIER programverziók /10./,/11./ , amelyekkel jellemző
- 9 -
fűtőelem keresztmetszetek hődilatációs és rugalmassági analí zise végezhető el. Olyan esetek hőmérsékleti viszonyainak elemzésére, amelyekben a fűtőelemek időfüggő deformációja ehanyagolható, dolgozták ki a háromdimenziós időfüggő BIOT programverziókat /12J,/13J
. A kvázistacioner fűtőelem álla
potok höfüggo rugalmassági analízisére a csehszlovák PIN program /14./ mintájára a FUEL /15./ program készült, amelyet sikeresen teszteltek a standardként
elfogadott GAPCON-THERMAL-2
program /16./ segítségével. Mindezen előtanulmányok ellenére a fűtőelem viselkedés hazai software bázisául az SSYST program rendszert fogadták el, mivel több tekintetben előnyösebbnek bi zonyult már eddig is a hazai fejlesztésű programoknál. A WER-1000 kompatibilis modellhez a rendelkezésre álló infor mációkat /17./ , azok részletességét össze kell vetni az SSYST rendszer könyvtárának tartalmával. Egy előzetes egybevetés alap ján már eddig is megállapítást nyert, hogy nem ismerjük kellően a - WER-10O0 fűtőelemek burkolatában alkalmazott Nb hatását a cirkónium paramétereire, - a szovjet technológiával előállított urán-oxid kerámia fizikai-kémiai tulajdonságait,
A modulokba magukba elrejtett információk alkalmazhatóságának megítélésénél még nehezebb a helyzet. Az SSYST modulok doku mentációja rendkivtil terjedelmes és információink szerint nem is teljes.
A modulok
-
mindent egybevetve -
több tízezer
sort tartalmaznak. A teljesítőképessége nálunk még kellőképpen nincs felmérve. További nehézséget jelent, hogy ugy tűnik -
a
- az előzetes áttekintésből
fűtőelemekből való
üzemi
vagy üzemzavari
kibocsátásokkal összefüggő bizonyos fizikai-kémiai folyamatok jelenleg még nincsenek SSYST modulokkal leirva.
- ю A kémiai, f i z i k a i - k é m i a i é s mechanikai k í s é r l e t i munkák t e r v e Előzmények Az AEKI Kémiai Főosztálya ezeken a k u t a t á s i t e r ü l e t e k e n már bizonyos h á t t é r r e l é s t r a d í c i ó v a l r e n d e l k e z i k . A f ő o s z t á l y megalakulása óta r é s z t v e t t a hazai u r á n é r c - f e l d o l g o z á s és i z o t ó p g y á r t á s megalapozásában; r e a k t o r k é m i a i - , magkémiai-, sugár kémiai- é s s z i l á r d t e s t - k é m i a i kutatásokban, n a g y t i s z t a s á g u uránvegyületek és u r á n - d i o x i d kerámia t i p u s i k í s é r l e t i f ű t ő elemek e l ő á l l í t á s á b a n . Az OKKFT A/11-3 alprogramja keretében foglalkozott az atomé rőmüvi primer kör vízkémiájával és k o r r ó ziós folyamatainak tanulmányozásával, a 4. alprogram keretében a s z e r k e z e t i anyagok mechanikai t u l a j d o n s á g a i v a l és az e l ő b b i ekkel összefüggő a n a l i t i k a i és f i z i k a i - k é m i a i kérdések meg oldásával, A hatvanas évek közepén az urán-oxid kerámia fűtőanyagok e l ő á l l í t á s á n a k és k i s é r l e t i fűtőelemek k é s z í t é s é n e k l a b o r a t ó r i u mi v i z s g á l a t a már e l j u t o t t a k i s é r l e t i üzem tervezésének s t á diumába, amikoris megfelelő igény és anyagi támogatás h i á nyában a műnké megszakadt. "ov i l y e n l a b o r a t ó r i u m ú j b ó l i meg teremtése és/vagy a kié^ ütőelemek v i z s g á l a t á h o z szüksé ges "forró" fülkesor l é t e s í t é s e a j e l e n l e g i gazdas?fi l e h e tőségeket messze meghaladja. Az eddig megszerzett t a p a s z t a l a tok azonban jó k i i n d u l á s i p o z í c i ó t mutatnak olyan k u t a t á s o k és kémiai modellvizsgálatok e l v é g z é s é h e ? , amelyek az előzőek ben t á r g y a l t fűtőelem v i s e l k e d é s programokhoz adatokat s z o l gáltatnak. T
A főosztályon r e n d e l k e z é s r e á l l n a k olyan a n a l i t i k a i módszerek, amelyek támogatni tudják az extrém k i s koncentrációk nagyság rendjébe eső elemek v i z s g á l a t á t i s . Ide t a r t o z n a k : - reaktoraktivációs analitika, - neutrongenerátoros a n a l i t i k a ,
- 11 -
- szikratömegspektrometria, - rlektroanaiitika, - lézeres tömegspektrometria /bevezetés alatt/. Ugyancsak a főosztályhoz tartozik az AEKI törésmechanika laboratóriuma.
3.2 A kémiai vizsgálatok célkitűzései A kémiai munkák célkitűzéseinek megválasztásánál figyelembe vettük az igényelt információk körét, az eszközállományunk adta lehetőségeket, beleértve az előre jelzett támogatás ból adódóan a ráfordítható kutatási kapacitás közelítő nagy ságát, továbbá munkatársaink szakmai tapasztalatait. Korlá tozó tényezőnek tekinthetjük, hogy a kiégett fűtőelemekkel kísérletileg,a rendelkezésre álló munkafeltételek mellett, nem tudunk foglalkozni. Ugyancsak nem célozunk olyan vizs gálatokat, ahol több eredeti fűtőelem kellene, hogy rendelke zésünkre álljon. lay nem tervezünk méréseket az eredeti, még I használatba nem vett fűtőelemek belső szennyezőinek meghatá.rozására, annak ellenére, hogy a szakirodalom szerint ezek a burkolat belső korróziójánál fontos szerepet játszanak. Feltételezzük azonban, hogy kis mennyiségben el tudu.ik érni fűtőelem tablettát és burkoxatanyagot is. A modellvizsgálatokat
- jelenlegi ismereteink birtokában -
a kővetkező problémákra kívánjuk kiterjeszteni: a/ A fűtőanyag tabletta hővezetése és viselkedése sztatikus és dinamikus hőterhelés hatására. A vizsgálatokat inert atmoszférában és a kiégés végén megjelenő kémiai környezet mellett is célszerű elvégezni. Az utóbbi modellezése elvé gezhető, hiszen a reaktorfizikai ismeretek alapján a kémiai
- 12 -
környezet modellezhető. Kivételt jelent a plutónium, azt nem célozzuk a modellkísérletekhez felhasználni a rend kívül nehéz munkavédelmi feltételek miatt. b/ Hasadványtermékek diffúziója. A W E R fűtőelemek eltérő zsugorítás! foka miatt várhatóan a hasadványtermékek dif fúziója eltér az SSYST programokhoz használt adatokban reprezentált sebességektől. A tervezett kísérletek során fordított irányban történik a diffúzió, a pelletet a ki égés végén megjelenő kémiai atmoszférába helyezve magas hőmérsékleteken diffundálnak be a komponensek. A diffúzi ós folyamat végén a főosztályon rendelkezésre álló nagy érzékenységű lokális analízisekre alkalmas berendezésekkel meghatározzuk a kialakult koncentráció profilt. c/ A burkolat belső korróziója. Ugyancsak magas hőmérsékletű környezetben a burkolatanyagot olyan kémiai hatásoknak tesszük ki, amelyek üzemi körülményeket reprezentálnak. A kísérletek során tág lehetőség nyilik a környezeti felté telek olyan variálására, amelyek bizonyos üzemzavari vagy fűtőelem meghibásodási állapotokat jellemeznek. Egy-egy kísérlet végén a modell-burkolatanyagot szükség szerint a legkülönfélébb vizsgálatoknak vethetjük alá. d/ A burkolatanyag külső korróziója. A tervezett vizsgálatok tulajdonképpen üzemzavari állapotoknál fellépő körülmények esetére adnak felvilágosítást.
/Az SSYST modellprogramban
a Zirkalloy ötvözetekre vonatkozóan vannak az adatok beé pítve. A Zr-Nb ötvözetek.« ezeket pontosítani kivánatos./ Magashőmérsékletü falanyagot vizgőz hatásának tesszük ki, vizsgáljuk a
H
2
megjelenését a vízgőzben, majd az egyes
kísérletek után a keletkezett oxidréteg vastagságát jellegét.
és
- 13 -
e/ Hasadványtermékek diffúziója a burkolatanyagban. А с/ pontban emiitett belső korróziós kísérletekhez hasonló, esetleg azzal összekapcsolt modellezés azzal a feltétel lel, hogy a hőkezelés végén a burkolatanyagban a kompo nensek mélységi profilja, de még nagyobb súllyal a mecha nikai tulajdonságok megváltozása a vizsgálat célja. f/ A burkolatanyag ? yulása. A hoterhelés hatására bekövetkező méretváltozás a vizsgálat célja. Modellezésünk során szin tén a kémiai környezet függvényében célszerű a változáso kat vizsgálni. g/ A burkolatanyag mechanikai tulajdonságainak megváltozása. A c/ - f/
kísérletek során kezelt burkolatanyagok mechani
kai tulajdonságait minden esetben a szokásos szilárdsági vizsgálatoknak is alávetve a modulprogram megfelelő adatait ellenőrizni szilárdságtani szempontból.
A felsorolt kisérleti munkához olyan magashőmérsékletü kísér leti berendezést hozunk
létre, amelyben az előzőekben fel
sorolt modellkísérletek elvégezhetők. Ilyen jellegű munkákhoz természetesen széleskörű analitikai bázis szükséges, ami a főosztályon használatban lévő aktivációs analitikai módszerek, szikra-
és
lézerionizációs
tömegspektrometria, röntgen
fluoreszcencia, elektroanalitikai módszerek révén biztosított. A gázelemzésekhez gázkromatográfia és tömegspektrometria módszereit tudjuk felhasználni. A munka előrehaladása során szükségesnek látszik annak megítélése, hogy a hasadási termékek milyen kémiai formában vannak jelen. Erre a Kundsen-cellás nagyhőmérsékletü tömegspektrometria és a termogravimetria módszereit tudjuk célszerűen használni.
- 14 -
Ugyancsak a termogravimetria ad felvilágosítást a fázis átalakulásokról. Ezen módszerek felhasználásának igényét csak később tudjuk megítélni, a problémakör alaposabb elemzése után. Munkánk során támaszkodni kívánunk azokra az információkra, amelyek kísérleti munkánkkal párhuzamosan a software bázis feldolgozása és alkalmazása kapcsán állnak elő. A rendelke zésre álló anyagi és személyi feltételek egyelőre nem tesz nek lehetővé olyan volumenű számítástechnika munkát ezen a területen, amilyen a reaktorfizikai-termohidraulikai prob lémakörben van előirányozva. 3.3 A feladat kutatási és eszközigénye A vázolt munkákhoz szükséges idők emberév egységekben köze lítőleg a kővetkezők:
T é m a
1987
1988
1989
1990
ossz.
2
-
-
-
2
-
1 1
1
-
1 2
/diffúzió, hővezetés/
-
-
1
2
3
emberév
2
2
2
2
8
Szakirodalmi felmérés adatbank létrehozásával Magashőmérsékletü modellberendezés tervezése kivitelezés, tesztelés Kísérletek fütőelemtablettákkal
- 15 -
A j e l e n l e g i keretek nem elegendők a következő, már most szükségesnek i t é l t vizsgálatok elvégzéséhez;
Téma
Kapacitás /eirberév/
Fűtőelem f a l modellkísérletek /korrózió, diffúzió/
4
Mechanikai tulajdonságok v i z s g á l a t a
2
F e l ü l e t a n a l i t i k a i mérések
3
Fázisátmenet vizsgálatok
2
Nagyh6mérsékletü párolgás /hasadványtermékek/
3
- 16 -
IRODALOM 1. F. Garzarolli, R. von Jahn, H. Stehle: The main causes of fuel element failure in water cooled reactors. Atomic Energy Review, Г7. 31./1979/ 2. F. G a r z a r o l l i , H. S t e h l e : Behaviour of core s t r u c t u r e m a t e r i a l s in l i g h t water cooled power r e a c t o r s . I n t e r n a t i o n a l Symposium on Improvements in Water Reactor Fuel Technology and U t i l i z a t i o n , IAEA-SM-288/24. 3 . V.V.Novikov, I . S z . G o l o v i n , J u . K . B i b i l a s v i l i , A.Sz.Szotnikov, V.K.Sanardin, A . S z . P o g r o v s z k i j , L . I . S z t u p i n a , G.P. Kobülanszkij: Vnutroreaktornüje I s s z l e d o v a n i j a K o r r o z i j a v jode obolocsek t i p a WER i z plava ZR-l%Nb. I n t e r n a t i o n a l Symposium on Improvements in Water Reactor Fuel Technology and U t i l i z a t i o n , IAEA-SM-288/63. 4. J. Böhmert, L.Lübke, W. T z s c h e u t s c h l e r : Verhalten von u n b e s t r a h l t e m Zr-Nbl-Rohr u n t e r t a n g e n t i a l e r Zugdehnung in J o d h a l t i g e r Atmosphere. Journal of Nuclear M a t e r i a l s , 13_9. 131/1986/ 5 . V.Yakovlev, P . S t r i j o v , V. Murashov, J . J o h a n s s o n , R. Teräsvirta, 0. Tiihonen, K. Ranta-Puska: Research of WER-440 type fuel roads in MR r e a c t o r . I n t e r n a t i o n a l Symposium on Improvements in Water Reactor Fuel Technology and U t i l i z a t i o n , IAEA-SM-288/64. 6. R.Meyder: SSYST-2. Eingabebeschreibung und Handhabung. Report: KfK-2966, Nov. 1980.
- 17 -
7 . R.Meyder: SSYST-3 Eingabebeschreibung und Handhabung. Report: KfK-3654, Dez. 1983. 8 . ü . Lang e t a l . : Analysis of the fuel h e a t - u p and melting experiments NIELS-CORA with the code system SSYST-4. Report: KfK-3880/2, pp.948-957, S e p t . 1984. I n t . Meeting on Thermal Reactor Nucl. S a f e t y , 1 0 - 1 3 . S e p t , 1984. Karlsruhe 9. H.Borghwaldt et al.: The code system SSYST, Present Status and Current Development Contribution to the Technical Committee/Workshop on the IAEA Programme in the USE of Computer Codes for Safety Analysis Varna, Bulgaria, 28-Ob-Ol.06, 1984. 10. L. Szabados, I. Tóth: FOURIER-1, A Computer Program for Fuel Element Thermal Design Report: KFKI-70-32. 1 1 . Szabados L . , Tóth I . , Vigassy J . : FOURTER-II, számítógépi program fűtőelemek h ő f i z i k a i vezésére. Kézirat.
ter
12. I . Tóth, L. Szabados, P. G r i l l o : BIOT-A. 3 Dimensional S t e a d y - S t a t e and T r a n s i e n t Heat Conduction Code Report: KFKI-70-35. 1 3 . Tóth I . , Due M.: Biot-2. Háromdimenziós hovezetési kód időfüggő feladatok megoldására. Report: KFKI-79-85.
18 -
1 4 . F. P a z d e r a , M. Valach: u s e r ' s Guide f o r PIN: A Computer Program f o r C a l c u l a t i n g t h e Thermal Behaviour o f an Oxide F u e l Rod Report, Rez, 1 9 8 2 . 1 5 . Dus M., É z s ö l Gy.: FUEL-program atomeromüvi fűtőelemek
viselkedéséneic
számítására. Report: KFKI-84-56. 1 6 . C.E.Bayer e t
al.:
GAPCON-THERMAL-2: A Computer Code for C a l c u l a t i n g t h e Thermal B s h a v i o u r o f an Oxide Fuel Rod BNWL-1896, Nov. 1975. 17. B é r c i К . : J a v a s l a t az üzem zavarelemzésekben f i g y e l e m b e veendő f o l y a matokra, k i i n d u l ó adatokra é s
feltételezésekre
ERŐTERV, I . Iroda-NTO, 107007, 1 9 8 4 . d e c ,
Budapest
The issues of the KFKI preprint/report series are classified as follows: A.
Particle and Nuclear Physics
B.
General Relativity and Gravitation
1H.
Laboratory, Biomedical and Nuclear Reactor Electronics
I.
Mechanical, Precision Mechanical and Nuclear Engineering
J.
Analytical and Physical Chemistry
K.
Health Physics
C.
Cosmic Rays and Space Research
D.
Fusion and Plasma Physics
E.
Solid State Physics L.
Vibration Analysis, CAD, CAM
F.
Semiconductor and Bubble Memory Physics and Technology
M.
Hardware and Software Development, Computer Applications, Programming
Nuclear Reactor Physics and Technology
N.
Computer Design, CAMAC, Computer Controlled Measurements
G.
The complete series or issues discussing one or more of the subjects car» be ordered; institutions are kindly requested to contact the KFKI Liorary, individuals the authors. Title and classification of the issues published this year: KFKI-1987-01/A V.Sh. Gogokhia et al.
Nonperturbative approach to quark propagator in the covariant, transverse gauge
KFKI-1987-02/M M. Barbuceanu e t a l .
Integrating declarative knowledge programming styles and tools for building expert systems
KFKI-1987-03/G L. Szabados e t a l .
Primary loop dynamical investigations. Part 1. Computerized analysis of the total loss of flow in the Paks NPP on the basis of PMK-NVH experi mental data /in Hungarian/
KFKI-1987-04/G Gy. Egely
Critical comparison of nuclear safety reports. Part 1. Practice followed in the USA and in FRG /in Hungarian/
KFKI-1987-05/G Gy. Ézsöl e t a l .
A 7.4% cold leg break without SIPs. Description of the measurement /in Hungarian/
KFKI-1987-06/G Gy. Ézsöl et al.
Primary loop dynamical investigations. Part 1. Experimental investigation of the total loss of flow in the Paks NPP in the PMK-NVH facility /in Hungarian/
KFKI-1987-07/G L. Szabados et al.
A calculation method for the operation of the Paks NPP based on the subchannel approach. Part 1. A computing procedure and method applicable as part of the VERONA system /in Hungarian/
KFKI-1987-08/B L.B. Szabados
Commutation properties of cyclic and null Killing symmetries
KFKI-1987-09/E G. Györgyi et al.
Relaxation processes in chaotic states of one dimensional maps
KFKI-1987-10/D Gy. Egely
Hungarian ball lightning observations (case 1 - case 278)
KFKI-1987-11/M H. König
Developing protocol test software using the PDL-system
KFKI-1987-12/M D. Nicholson et al.
Advanced help through plan instantiation and dynamic partner modelling
KFKI-1987-13/M Katalin Tarnay et al,
Experiments with a network environment manipulator /in Hungarian/
KFKI-1987-14/A H.W. Barz et al.
Deconflnement transition in anisotropic matter
KFKI-1987-15/M R. Wittmann
An algebraic specification method for describing the protocols of computer networks /in Hungarian/
KFKI-1987-16/G O. Aguilar et al.
Monitoring temperature reactivity coefficient by noise method in a NPP at full power
KFKI-1987-17/M G. Németh et al.
Collection of scientific papers in collaboration with Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, USSR and Central Research Institute for Physics, Budapest, Hungary. Algorithms and programs for solution of some problems in physics. Fifth volume
KFKI-198 7-18/E G. Egely et al.
Experimental investigation of biologically induced magnetic anomalies
KFKI-1987-19/A B. Milek et al.
A model for particle emission from a fissioning system
KFKI-1987-20/M S. Wagner-Dibuz
The specification and testing of transport protocols /in Hungarian/
KFKI-1987-21/E B. Lukács et al.
Elementary quantum physical description of triplet superconductors
KFKI-1987-22/G M. Makai et al.
DIGA/NSL - New calculational model in slab geometry
KFKI-1987-23/A J. Erő et al.
Production of protons, deuterons and tritons on carbon by intermediate energy neutrons
KFKI-1987-24/K I. Balásházy et. al
Gamma-spectrometric examination of hot particles emitted during the Chernobyl accident
KFKI-1987-25/K A. Andrási et al.
Application of Ge-spectrometry for rapid in-situ determination of environmental radioactivity
KFKI-1987-26/G J. Végh
Neutron spectrum measurement in the channel No. 182/5 of the KFKI WWR-SM reactor
KFKI-1987-27/A S. Krasznovszky et al,
Universal description of inelastic and non(single)diffractive multiplicity distributions in op collisions at 250, 360 and 800 GeV/c
KFKI-1987-28/M F. Adorján et al.
VERONA-plus extended core-monitoring system for WWER-440 type nuclear power plants
KFKI-1987-29/G J. Végh et al.
Application of boron filters for neutron spectrum determination purposes in various neutron environ ments
KFKI-1987-ЗО/Е N. Menyhárd
Inhomogeneous mean field approximation for phase transitions in probabilistic cellular automata An example
KFKI-1987-31/M G. Németh et al.
Computation of generalized PaJé approximants
KFKI-1987-32/E I. Pócsik
Lone-pair model for high temperature superconduc tivity
KFKI-1987-33/B L.B. Szabados
Causal boundary for strongly causal space-time
KFKI-1987-34/A Z. Fodor et al.
Proton detection etficiency of a plastic scintillator telescope
KFKI-1987-35/C R.Z. Sagdeev et al.
Near nuclear region of comet Halley based on the imaging results of the VEGA mission
KFKI-1987-36/E Gy. Szabó
Thermodynamic aspects of chemically curved crystals
KFKI-1987-37/A Т. Nagy et al.
Lepton •+• lepton + photon decays and lepton g-2 factors in gauge theories
KFKI-1987-38/K S. Deme et al.
Real-time computing in environmental monitoring of a nuclear power plant
KFKI-1987-39/K L. КоЫinger
A review of Monte Carlo techniques used in various fields of radiation protection
KFKI-1987-40/A J. Balog et al.
Lattice classification of the four-dimensional heterotic strings
KFKI-1987-41/E I. Furo et al.
Evidence of antiferromagnetic ordering in La2CuC>4: re-interpretation of ^ЗЭг.а nuclear quadrupole resonance (NQR) data
KFKI-1987-42/J A. Vértes et al.
Kinetic energy distribution of ions generated by laser ionization sources
KFKI-1987-43/E Z. Juhász
Variations of the transfer function during Bi.Ge,0 growth
KFKI-:] 987-44/G A. Gács et al.
Simulation of the dynamic behaviour of the secondary circuit of a WWER-440 type Nuclear Power plant
KFKI-1987-45/M,N H. Koenig et al.
An intelligent protocol workstation
KFKI-1987-46/M,N P. Ecsedi Tóth et al.
Formal description oriented performance evaluation of protocols
KFKI-1987-47/A N.P. A l e s h i n e t a l .
Study of proton-deuteron break-up reaction in exclusive experiment at 1 GeV
KFKI-1987-48/E B. Sas et eil.
Scattering mechanisms and transport properties of FeTMB amorphous alloys
KFKI-1987-49/E A.G. Balogh et al.
Positron annihilation study on Y-Ba-Cu-0 high T superconduc tors
KFKI-1987-50/C R.Z. Sagdeev et al.
Plasma phenomena around comets: interaction with the .50lar wind
KFKI-1987-51/D D. Hildebrandt et al,
Impurity injection into tokárnak plasmas by erosion probes
KFKI-1907-S2/A J. Ziinányi cK ;il.
An interprn bible family of equations of state for dense hadronic nuitter
12
KFKI-1987-53/G L. Bürger et al.
Real-time executive for a basic principle simulator
KFKI-1987-54/E G. Konczos et al.
Recent progress in the apDlication of soft magnetic amorphous materials: alloys, preparation, devices
KFKI-1987-55/E Nguyen Minh Khue
A Green's function treatment of giant polariton problem in molecular semiconductors
KFKI-1987-56/G Gy. Ézsöl et al.
7.4% cold leg break with SITs and HPIS in action /in Hungarian/
KFKI-1987-57/G Z. Bazsó et al.
7.4% cold leg break without SITs and HPIS in action /in Hungarian/
KFKI-1987-58/G Tran Quoc Dung et al.
DUMA - a program to display distributions in hexagonal geometry
KFK1-1987-59/G S. Mikó et al.
Method for determining outlet temperature of fuel assemblies in the WER-440 core, wich are not furnished with direct temperature measurement /in Hungarian/
KFKI-1987-60/A T. Dolinszky
Strong coupling expansions for repulsive cut-off potentials
KFKI-1987-61/F M. Füstöss-Wégner et al.
Effect of microinhomogeneities on collection efficiency spectra in (p-i-n) a-Si:H junctions
KFKI-1987-62/D J.S. Bakos
Gas loser research in Hungary
KFKI-1987-63/B L. Fülöp
The harmonic oscillator in the forceless mechanics of Hertz and in the Riemannian space-time geometry
KFKI-1987-64/J Ä.G. Nagy et al.
Steric interactions of ferrocenyl ketones: A comparative evaluation of data from 13c NMR and IR spectroscopy and cyclical voltammetry /in Hungarian/
KFKI-1987-65/G,J H. U l y
Recent bibliography on analytical and sampling problems of a PWR primary coolant Supplement V.
KFKI-1987-66/D,E,F M.A. A l g a t t i e t a l .
Experimental investigations on nonequilibriu*n electron and thermal light emission from metals induced by short laser pulses
KFKI-1987-67/G,M J. Gadó et al.
WWER-1000 core physical model /in Hungarian/
KFKI-1987-68/G,M L. Maróti et al.
WWER-1000 core thermohydraulic model /in Hungarian/
KFKI-1987-69/G,M M. Fodor et al.
Fuel behaviour /in Hungarian/
Kiadja a Központi Fizikai Kutató Intézet Felelős kiadó: Gyimesi Zoltán Szakmai lektor: Szatmáry Zoltán Példányszám: 92 Törzsszám: 87-496 Készült a KFKI sokszorosító üzemében Felelős vezető: Töreki Bélánc Budapest, 1987. november hó
