/€/
íZonise pro jcđernou techniku č e s ke vědeckotechnická s p o l e č n o s t i
Koniisia p r e jadrovú techniku Slovenskej vědeckotechnické,] s p o l o č n o s t i
Československá komi-se pro atomovou e n e r g i i
5 . CELCSlfeí IXI^EREKCE O JADSIÍÍ:É EIÍE33STICE P i e s t a n ý , 1 . - 2 . p r o s i n c e 1970
VYUŽIJÍ LuVIERllLCVÉKO HSAS.TOIJJ V Č3SR
Autoři
I
Ing. J . Zběhlík
íeš u Prahy
Ve regret Chat sone of the pages in the Microfiche copy of this report,nay not be up to the proper legibility standards, even though the best possible copy was used for preparing the vaster fiche.
Využití materiálového reaktoru v ČSSS ;
- \
1. Potřeba ozařovací kapacity
x *^ ? líozsáhlé výstavba jaderná energetiky v CSSR sís stala nutností. Zabezpečení teto výstavby je nezbytně spojer|o s řešením široké výzkumné problematiky jaderného reaktoru. Významnou složkou výzkumné činnosti je zjištování radiační odolnosti palivových elementů a ostatních materiálů používaných .pjjři- výstavbě energetických Teaktor-V, jako jsou konstrukční materiály, materiály pro regulační tyče, chladivá pro #očlvod tepla z palivových článků a moderátory-. "*• 1
•
•
*
i
liedostatcčná zabezpečení ozařovácích kapacit v QS3R je vůbec nejslabším článkem výzkumné základny pro jadernjpu energetii/a. Dosud jediný výskumný reaktor W R - 3 je ayojí jbncepcí i ozařovacími možnostmi pro rozsáhlejší materiálový vjzkum zcela nevhodný. . I. Tato situace veđlc k provedení rady studií a nakonec ke o
-
''i'
t
zpracováni návrhu na výstavbu materiálového reaktoru. Sova > . kvalita v ozařovácích možnostech, kterou materiálový reaktor bezesporu představuje, se projeví v odpovídajícím rpzvóji ćeléhb našeho radiačního výzkumu. ?i'i stavbě r^eaktoru^je poefeopitelně třeba pamatovat i na zajiřtční nutné přípiavy jeho/experimentálního yyužití. S tím nezt-ytnt souvisí" i v^stavba^ mnohdy0 veliii náročh/ch experimentálních zařízení. ° !l
'«
í
;
•
.
-
'
' ^
°"„ •
,»
Domníváme s e , že i když není atćela přesně ó táno ven aměr rozvoje jaderné energetiky v ČSSB, j e nutii4 labezpečit potřeby ná experimentální sarízení pro radiační v^súa». Potřeba dobudování experimentální zálcLadity, j w i z nesbytopii. souSáatl bude Ba.teriálový r e a k t o r , typlývé % poměrně snaSojKdi po&iůjerTA roevcj jaderné ettergetiky. Při předpoklad« ei«ktT0reo bvđoa nákXtfy tm
nákladů, ješ se předpokládá v dohledné cíobS" investovat do jaderná energetiky. Chc5-li Československo uskutečňovat rozsáhlý program výstúvby jaderných elektráren, která má v nejbližěí budoucnosti pokrývat veškeré energetické přírůstky, a chce-li být partnerem ostatním státům s podobnými záměry, jeví se nám výafcvLa materiálového reaktoru v současné době jako nutná. 2. Dokorapletování experimentální základny pro- .iaderně-ener^etický výzkum •
'
•
V Československu jsou již vybudovaná nebo se staví něktev
o
rá nákladná experimentální zařízení. Tato 2,31'ízení netvoří ú-' plnou výzkumnou základnu pro zabezpečení radiačních experimentů. K jejímu do kompletování a plnér.u využití je* třeba zabezpečit značnou radiační kapacitu.
, i Jj ij
Za zařízení, která budou využívána v • souvislosti,-s provozem materiálového reaktqru a odpovídajícího experimentálního vybavebí, je so2no pokládat předevSím horké komory, V t-'chtc komorJ.cn se elementy palivového členku po vyjmutí a kanálu experimentální soiyčky .a po příslušném dochiazení podrobí jdůklcci.. né prohlídce s rozbořen vnějších znaků poškození, ^kouškám. na . těsnost, povlaku, metalografickému vyšetření, "provedou se nekte^ rá fyzikální měření, zjistí se mechanické vlastnosti„materiálu apođ. Ž takto získaných údajů se vyhodnotí konečný výsledek experimentu, vedoucí k vysvětlení indikovaných změn,; chování u ozóřeného elementu a jeho vlastností. Vazby mezi radiačníM experimenty a jejich výzkumem v horkých komorćch musí Ipýt cđ nej• *" užší, nebot zjištěné0 skutečnosti se vysvětlují nav zájem.
; . * 'c Další základní.zařízení, které alougí materiálovému výzku,,. " tBIU « jsou \objekty neaktivního výzkumu materiálů. Radiační výzkum 4*! áe<Sň«i ze" složek komplexu výzkumu a vývoje materiálů pro pa-?
I ..^Uiltfií Články a soufiástí rnVtivai zóijy reaktoru, J« ?Í«k notně I ó * vývoá« eateriálů v neaktivních podmínkách. $sfcé
2Sh" >.^.
n\ezi aktivní a neaktivni složkou výzkumu zabezpečuje nejen potřebné tempo řešení p:ru2ným zásobováním.radiačních experimentů vzorky materiálu a modely článků, ale. i užitečnou1 ekonomii celého komplexu V3*zkumu předběSným vyřazením některých méně vhodných .variant, a tím i> omezením poč^u nekladných radiačních experimentů. % Výše uvedená zařízení jsou v ÚJY k dispozici nebo se budu j i . J e j i c h plné využití není myslitelné bez výstavby výkon-" n,ého ozařovacího z a ř í z e n í . , ,' • \ !' . Pro tepelně tydaeaulický výzkum a v,ýv;oj palivových elementů a článků se předpokládá úzká ďpolujSráce všech zaintereso-v váných pracovižt, vlastnících neaktivní experimentální zařízení.' • • '• í! '"•__ •• 3. Současný atav ozar-ovacich experimentů
• , .,
K ozařování je v ČS3R v současné době využíván jifdiný výzkumný reaktor VVB-'S, umístěný v Uatavu jaderného výzkumu. V tomt^ reaktoru je zabudována plynová smyčka s chladicím m é diem kysličníkem uhličitým s iaaxr. množstvíin 2 t/h, max. tlakem 40 ata a teplotou plynu do 450° C. Ve amyfice lze.odvést = ze zkušebních palivových elementů xepelny" ^ýkon do cca 40 kW. Smyčka je v provozu od r. 1960.JBylj ina ní provedeny náročné experimenty s palivovými elementy z přírodního i obohaceného uranu. . - ° ' ,\ ' j. , . ° "I í Pro korosní experimenty v aktivních podmínkách bez paliva je používána tiakovodní cirkulační vák%Qtcná smyčka• Y pro vozu je od roku 1953. í*a dayčce bj^jr pri>t»4ti^Nf ^fk\«gr ifytávui koroM oceli a Tyxkumy radiační »tatility inhibitoru vodní ro«t pro konatrukční ó^ í : T aktivní s*a* noho« tiýt ae provaćiifr
trolovanj'zni parametry ozařování. Eyly vyzkoušeny prototypy sondy pro ozařování uranu při regulované'teplotě do 55C° C a sonSy^pro ozařování konstrukční'oceli při regulované teplotě do 500° .C. Frovádí se vývoj sond pro ozařování pod statickým >a-dynarlckým zatížením. • Omezené možnosti reaktoru VVR-S pr9 radiační výzkum jsou dony ze jména' absolutní hodnotou neutronového toku a experimen- ' télním prostorem, který je k dispozici:pro ozařování, Experimentální prostor je nedostatečný jak p&ípxó/v aktivní zóně, tak i pro zařízení experimentálních smyček umístěných v ostatním \ " '''-i'1 '"
prostoru reaktorové budovy.
"
v,v
:
•
Se studií, které byly provedeny, vyplynulo, že rekonstruk-, cí(. reaktoru VVH-S se ani při zvýšení výkonu; na £-lCri.:W nedosáhne výrazného zvětše.ní ozařovacích možností* Ozařovací prcce potřebné i pro dnešní rozsah radiačního výzkíunu značně převyíu• jí r.ožnosti reaktoru W R - 3 . Zabezpečeni ozařovacích rr-oěností v zahraničí je pochopitelně z řady d&vodů omezené. Celkoví lze říci, že dlouhodobé využívání Reaktoru FTi-S spolu 3 úpravami umožňujícími zabudování složitých experimentálních zařízení pro radiační experimenty, vytvořilo základní předpoklad rozvoje radiačního výzkumu reaktorových-, materiálů v ÚJV. Umožnilo zvládnout techniku experimentálních; smyček, ozařovacích sond a po3tradiačního výzkumu. Další využívání reaktoru VYR-3 nemůže ani po rekonstrukci zabezpečit pbdststiié zvýšení cdarovacích možností.' , • .^ V 4• ^rogyam ozařovacích pragi a experimentální zařízení „. ' navržený materiálový; reaktor, byl zpracován "Bjcperxineriprogram výzkumného materiál o váho reaktorů"i?řPrc«raia uví4Í obecnou výíkumnou problemáitiloi palivových mátéiiáid «r konstrukčních materiálů a. chlađiv. Zabývéi i«
reaktoru exp«rlaa«nt«lni« zmtiztnlm. £ je i návrh vyulití matoriilov«so henktotu ^ti
^
určité úseky výzkumné problematiky rychlých reaktorů.
\ —
Zpracovaný program .prací na výzkumném materiálovém reaktoru respektuje zaměření^československé jaderné energetiky« Předpokládá se, že'navržený materiálový reaktor se bude výrazně podílet na zabezpečení výstavby tlakovodních energetických reaktorů typu VVER, na vývoji rychlýcíi množivych reak- . torů i na zdokonalení jaderné elektrárny A-l. případně dalším vývoji těžkovodních energetických reaktorů. Podstatnou součástí reaktorového komplexu je jeho vybavení experimentálním zařízením, bávrh experimentálního zařízení j9 veden snahou zabezpečit hlavní experimenty y oblasti vývoje, na kterém by se mělo v Československu v dohledné době pracovat. Experimentální pzařovací zařízení je možno rozdělit na ozařovací scl#ánky^ ozařovací sondy a experimentální smyčky.. Táto zařízení určřjí v závislosti na stupni, kvalitě a úplnósti dosažených Výsledků různé proporce v použití odpovídajícího ozařovacího zařízení. a) Ozařovérjí_ve_§chjánkácíi =
= »
•_
•
.
•
' •
'
Pro realisaci předpokládaných požadavků je třeba mít, k dispozici tafo zařízení:
"
.
otevřený kanál s mechanickým zakládáním v přestávkách pracovr nlho'cyklu - slouží k dlouhodobému ozařování materiálů a robě radioizotopů; ° , ° ' '*'• otevřený kanál s posuvným pouzdrem, umožňující zakládání a vyjímáni bihem pracovního cyklu - slouží k ofař^^ní po dobu krátil než pracovní cyklus; '* .y'":
- kanil e pneuaatickyai zakládáni« - slipjži k* tování »attriálů nevyžadujících * okaniitého spv««otání po ozáření •
\
—*
o
••
Smyslem .ozařování materiálu v sondách .je jednak odčíěle'" ný výzkum palivových,'konstrúkčníchj- (včetně regulačních) uateriálů a chladiv, jednak výzkum jejich vzájemné kompatibi- • lity. Ozářovací režim se v jednotlivých oborech liší v požadavcísh na poměr rychlých a tepelných neutronů, na druh měřených parametrů za ozařování i na uměle'modelované doplňující podmínky. .. „ . . • •• U keramického paliva se zkoumá zejména únik štěpných plynů, změny tepelné vodivosti a. obecné, změny vlastností, které ji ovlivňují (rekrystalizac.e, tvorba dutin, trhlin atd.) a. swelling.. Ozařování-vzorků, keramického paliva se bu~ • de provárx-t y sondách do vyhoření kolem 20 CpO ĎSá/t při / teplotních zatíženích až 40 kli7/kg pro tepelné reaktory,a do vyhoření'až ICC. 000 MiiVd/t při. zatíženích řádu 10^'kvíAg.pro. rychlé reaktory, vae při povrchových teplotách až SQO C, U kovového paliva je předmětem výzkumu rozměrová radiač-1ní stabilita "(swelling a radiační růst) a změny mechanických vlastností. Ozařování vzorků paliva pro výzkum rozměrové radiační stability se bude provádět do vyhoření 10 0C0"M/d/t při tepelných zatíženích, až SO kW/kg při ,. tlačíc.hř plynu až 120 kg/cm a při teplotách až 500°; C. Ozařování vzorků' paliva pro= výzkum mechanických vlastností ser bude provádět do. vyThoření 1 500 LIV/d/t př£ teplotách 600° C' při mechanickém ° žatí--
U povlakpvých a konstrukčních materiálů se:.zkoumají • především změny mechanických vlastností, stúdWje sé. vliv^aářeaí aa různých teplot na základní mechanické ¥Íastnosti. •„ -Specielnímu výzkumu ^ěhem ozařování se podrobuje tečení (creep)", dlouhodobá pevnost při různýeh teplotách, (rupture teai) a vliv 'cykliííkého namáhání přiJ různých tépJLot^Q^é J :ií^Řa.těclito expérinientíí sé provádí v,inertní0atmosféře k lojeni vlivů okolri-ího prostředí, V této výzkumné uoblasti
- 7-
používají sondy pro ozařování sa zvýšených teplot, sondy pro ozařování za vysokých«teplot, sondy pro studium tečení mate. riálů, sondy pro studium dlouhodobé pevnosti a sondy pro studium cyklického namáhání. Při výzkumu kompatibility a koroze je=jedním z hlavních problémů'výzkum chování porušených palivových článků s cílem stanovit podmínky znečištění okruhu korozními produkty paliva a určit metody detekce poruch palivových článků. c) Qzařování_v_exEerimentálních_smy_^kách v
-
•
• "
Vr-kanálech experimentálních smyček se. provádí: ozařováni . skutečných palivových sekcí (nebo reprezentativních modelů), v podmínkách totožných s projektovanými, za účelem prověření bezpečné funkce vyvinuté palivové Igekcs; * ozařování jednotlivých palivových elementů určitého typii v podmínkách totožných: nebo .zostřených pro tento typ v rámci jeho vývoje; ozařování konstrukčních materiálů v chíadivu pro výzkum koroze. ,? • f ,, Rozsah prací na jednotlivých Výzkumných or.ogrsniech, bude v určitých etapách provádění různý. Podle vzniklé potřeby bu-\ de niitné eventálně** rozšiřovat zařízení experimentálních jmy.-,. ček. Vzhledem k potfebnýjn nákladům,na',vybudování;!experimentální smyčky i na požadovaný prostor se pokládá za. nurtné vypro- 4 jektovat a zabudovat žařízahí experimentálních^smyček; á maximálním ohledem na univerzálnost .8 *žaniěnitelnos
ěákt.o-rji jsou .dostatečné; písostqrj''pro0 ^."budoVárií dalších dvou expertentáí* nich smyček, Typ "těchto fjmýčel budě určen podlé ilutného r ! hu°prapí na zvoleném prcjgramu. °c ' 0
V ©đni rmty čka tsad«. »it celkeá fieldovsié kan/jly
- 8 -
rože materiálů, radiolýzy a čištění vody při provozních podnínktch a parametrech předpokládaných v okruzích éner getickýčh.reaktorů. iíromě či.3té vody bučou pracovat i s roztoky r>rc kompenzaci reaktivity. Průtočné mnoiství vod/ každým kanálem 30 t/h, teplota do 3C0° C, tlak do 250 ata, " ' ' Jeden průtočný kanál, ve kterém budou zkoušeny palivové členky nebo jednotlivé elementy za komplexního působení různých parametrů. Tepelný výkon kanálu 700 kV, průtočné jnnožství vody 3C t/h, teplota" db'3£'0o C, /tlak do" 250 ^ta.
sloužit ozařovaní a výzkumu palivových elementů. Zkoumána bude zejména rozměrová stabilita, dlouhodobá těsnost a.jakost.povlaku v závislosti na jednotlivých parametrech i při jejich komplexním působení (tepelné zatížení, teploty, mechanické namáhání, erozní a chámické účinky chla divá, tlak, teplotní rázy vyhoření). Smyčkový okruh má 3 průtočné osařovací kanály, ve kterých bude současně ozařováno několik desítek palivových elementů, případně jejicli vzorků, Celkový tepelný výkon smyčky je 1 iflř, mnpž. plynu 3C t/h...Okruh 3ffiyčky bude dimenzován na výstupní teplotu plynu 550° C a tlak 10C ata. • „<
Je určena pro komplexní výzkum palivových elementů, palivových článků a chladivá rychlého reaktoru. Předmětem výzkumu paliva je v současné době keramický palivový článek« Dále to Budou povlakové materiály, zvláště nerezavějící ocel a konečně konstrukční materiály použité pro aktivní zonu a' tlakovou nádobu, SváŠtní pozornost bude věnována 90x^91 J^ írHeobecně uznávanénu ehlađivu'pro rychlé reaktory, koopatip příslušných materiálů a korozní, oroblojaatiee
buče !úít jeden fieldóvský kanál. Primární okruh bude ^eíen buď v integrální varianta > (-zařízení umístčno nad aLtivní zonu V bazénu reaktoru), nebo y. obvyklém uspořádání s. rozvinutým pr hrárním okrůhéfe. Tepelný výkon 500 k#, průtočné množství sodíku 25 t/h, tapjota do 650° Č, tlak C ata. 5. Volba typu materiálového reaktoru
*
"Výstavba nového, typu reaktoru pro materiálovým v?,'zkusí se špičkovými parametr je značně náročná a nutně si vyšádá řadu experizrentálních prací potřebných k ověření zvolených předpokladů. Vyspělé průmyslové státy, které mají takováto zařízení, prošly dlouhou cestou postupného zlepšování vlastních výzkumných reaktorů a zvyšování jejich parametrů. fJelze pokládat za rozumné přikročitck výstavbě ma- o teriálového reaktoru se špičkovými parametry
- 10 -
Aktivní zónr. reaktoru.:-3, upravení, pro Ceskoslo\ c:iókó potřeby, dáví značnú ozsřovací možnosti. V centrální bur.ca je možno umístit kanál o válkem průměru, v 0312?. buňkách pak umístit další smyčková kanály eventuálně sondy, v 15 buňk^cL umístit sondy o velkán průměru a v 35 beryliových blocích učistit -sondy o v ně 3 aim- průměru 2 5 - 55 mm, z toho 11 v aktivní zóně a 24 v prvr.í řadič beryliového reflektoru. ?ro ozaiSovací účely je vhodné i druhá řada beryliového reflektoru. Velmi' podstatná je i možnost využití prostoru uvnitř pracovního palivového článku pro ozařovací účely - v e 20 palivových článcích je možno vyjciout postupně až 3 vnitřní palivové trubky a jejich prostor.zaplnit schránkami nebo ozařovacími sondami, lento prostor ;je výhodný žeJGén.a pro pokrytí požadavků ozařování rychlými neutrony. rllavní předpokládané úpravy na reaktoru ~í-x pro čs. potřebu jsou: 1. pro ozafovíní v ozsíovacích scliránkřxh zabezpečit umístční: ' a) prosté mechanické schránky se zakládáním v přcstávku-ch cyklu; . . b) schránky s posuvnýs pouzdrea pra zakládání běheci pracovního cyklu; c) schránky s pneumctickýffi zakládáním;
' "
2* pro ozařování v sondách s instrumentalí vymezit prostor pro umístění cca 20 sond o průměru- 40 - 120 ma;
••£?
3w o v centru aktivní zóny zabudovat otvor p průměru 200 mm - k tomu provést úpravu, aktivní zóny ze jména v 4« jí spodní části; " •
-
•
"
,
'
,
_
,
-
•
'
-
.
.
.
đ
4. zřídit rozměrnější baién a mo2flo#tl činností, rtmktor* při " ; jeho odkrytí, ° ' ° , / /
„ 8
-?;.» M
-r 11 -
Tyto úpravy je ložné provést bes. větších potíží. Využití výše uvedených mocností a provedení potřebných Ipr:.v ZDÍ ní reaktor typu UR v univerzální reaktor pro materiálový výzkum. Pro dalou zemi .jako ČSSH, která nié široký výziz>v2ný program na jeden reaktor, je takové řešení vhodné. K realizaci »reaktoru tohoto typu je třeba pokltdat z? nutné navázat úzkou spolupráci s odpovídajícími pracovišti v 3S3JI. Cílem spoluprť-ce by mělo být co nejryc:J.ejší vyfcu.í*cviní zařízení. Za nejpodstatnější je třeba pokládat splnění nesporně rozumného požadavku - uvést -do provozu reaktor, který splní experimentální požadavky v přijatelném: čase a bsz plýtvání prostředky. Toho lze dosáhnout pouze výstavbcrt již existujícího reaktoru s menšími úpravami, který nuže v :r.axinální míře splnit předpokládaný program. -lodifikcvaná uspořádání materiálového reaktoru bylo zpracováno v technické příloze k projektovému úkolu zprccovaníir.u Cheo opro jek tea ve spolupráci s ÚJV ČSAV, ZJL-Škoda a Energoprojckten, Tředpokiédaný tepelný výkon materiálového reaktoru bude 40 LI¥7, siax. tok tepelných neutronů 2,4 - 1(T n/cm s, tok neutronů 1,5 • IÍJ n/cxa^s, . • , c Lávšr
•
ó'
líavržená výstavba materiálového reaktoru spolu s před— pokládaným' experimentálním vybavením představuje náročné zařízení, vyžadující ^znacjae0 finanční prostředky. Při správné a rychlé realizaci budV velmi platným experimentální* zařízením, které výrazným způsobeni zasáhne do rozvoje jadarné «ner*' -;& gétiky v Československu,, ° °Q' Ů r.
