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 • Így ρ tartalék ,névleges -> a névleges értékek mellett a neutronabszorbensek kivonásával • ρ rejtett a reaktor paramétereinek változtatásával felszabadítható reaktivitás •
ρ t = ρ t ,n + ρ t ,r
Kiégési ciklus • Kiégés : a hasadóanyagok fogyása,hasadási termékek megjelenése • Egymást követő két fűtőelem-átrakás közötti üzem P (t )dt ∫ • Effektív üzemidő : (T ) Teff =
•
Teff < Tüzemidő
P0
A reaktivitás-tartalék alakulása • Indulás -> fölmelegítés üzemi hőmérsékletre 0 • Szivattyúval, majd TK fűtőtestekkel 260 C -ig, ekkor kb. 3,8 %-kal csökken a reaktivitás • 100 %-ra felterheléskor ismét csökken pcm ami 1,5 %-ot jelent α P = −15 P0 (%)
A reaktivitás-tartalék alakulása • A Xe mérgeződés 50 – 70 óra alatt alakul ki, ami 2,5 %-kal csökkenti a ρtartalék értékét • A Sm további 0,58 %-kal • Így összességében 1 hónap alatt „lefeleződik” a ρtartalék ,ami utána havonta 1%-kal csökken • A névleges ρtartalék mintegy 10,5 effektív hónapra elég
A reaktivitás-tartalék alakulása
A reaktivitás-tartalék alakulása Folyamat
Jelölése
∆ρ, ∆ρ %
(l. 15.1. ábra) üzemi
ρt,0 – ρt,1
2–4
MET-ről
ρt,1 – ρt,2
1–2
Egyensúlyi xenonmérgezettség Xenon-tranziens csúcs
ρXe,e
2,5–3
Egyensúlyi szamáriummérgezettség
ρsm,e
Reaktor felfűtése hőmérsékletre Teljesítményemelés nominális ér-tékre
1–2
Szamárium-tranziens csúcs
0,2–0,4
Üzemanyag kiégése Összesen
0,6–0,8
5–10
ρt,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 10 11 alkalmazása B+ B Ebből a 10-es izotóp a jelentős σ 10 = 4000 Barn
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
Tulajdonságaik Elem
Gadolínium
Diszprózium
Európium
Erbium
Abszorpciós hatáskeresztmetszet*, barn
Előfordulási arány az elemben, %
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
Dy-160
2,34
30,6
29,3
Dy-161
18,91
287
30,2
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 Er-162
52,2 0,14
136 9,83
41,2 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
Izotóp
Rendszám
Olvadáspont, °C
64
1312
66
1407
63
826
68
1497
Er-170 14,9 2,91 1,39 Megjegyzés: */ A táblázatban a termikus (En < 0,625 eV) és az epitermikus neutronok (En > 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: - σ a elegendően nagy legyen - az üzemanyaggal kompatibilis legyen • Miért szükséges? Miért nem elegendő bórsavat 0,006 használni? 0,004 0,002 α T,0 , %/⁰C
0 -0,002 -0,004 -0,006 -0,008 -0,01 -0,012
CB=11,5 g/kg CB=kritikus CB=10,0 g/kg CB=8,5 g/kg
-0,014 107,5
157,5
207,5 Hőmérséklet T ⁰C)
257,5
Kiégő mérgek alkalmazása • Kiégő méregként használatos anyagok: - gadolínium - bór - erbium - európium - diszprózium
Kiégő mérgek alkalmazása Bór B4 C formában Al2O3 mátrixban ZrB2 formában Bóracél Boroszilikát A probléma: hidrogént nyel el, felfúvódik 7 4 10 Li + He B+n
Kiégő mérgek alkalmazása • Gadolínium Gd 2 O3 formában az UO2-ba • 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 NeutronAbszorbens
Bór
Bór
Elhelyezése
Fűtőelemköteg vezetőcsöveiben
UO2 tabletta felületén
Boroszilikát üveg Rozsdamentes acél
Al2O3/ B 4C
Al2O3/ B 4C
Cirkónium
Cirkónium
Abszorber anyaga Burkolat anyaga Hatásos izotóp
10
B
10
B
Bór Fűtőelemköteg vezetőcsöveiben
10
Gadolínium UO2 tablettába keverve
Bór
Erbium
UO2 tabletta felületén
UO2 tablettába keverve
Gd2O3/ UO2
ZrB2
Er2O3/ UO2
-
-
-
10
167
155
B
Gd, Gd
157
B
Er
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
Hátrányok
Magasabb kezdeti neutronértékesség, Az átalakulási termékek, He, Li és H3 nagyobb duzzadást mint az AgInCd vagy a Hf esetében okoznak, mint az AgInCd vagy a Hf ese-tében Magas olvadáspont
A hőmérséklet-gradiens és a térfogatváltozás pálca-lyukadást és szivárgást okoz az üzemanyaghoz hasonlóan.
Kompatibilis a burkolattal
Gáz halmazállapotú bomlási termékek (hélium) jön-nek létre, amelyek kiszabadulhatnak
Alacsony költség
A hűtőközeggel szemben gyenge korróziós ellenállóképesség
Széleskörű sikeres közepes besu-gárzásnál
tapasztalat A rudakban az átmérő növekedés következtében létrejövő feszültségek felhasadást okozhatnak és kimosódás révén a B4C „elvész” a tervezett nukleáris élettartam lejárta előtt.
B4C Előnyök
Hátrányok
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
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 Hosszabb nukleáris élettartam, mint a B4C és az AgInCd esetében A reakció- és bomlástermékei más hafnium izotópok
Alacsonyabb kezdeti reaktivitásértékesség, mint a B4C esetében A magas sűrűség más anyaghoz történő illesztését megnehezítheti A sugárzás anizotróp térfogatváltozást, -növekedést, 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) 1 3
1
3
szabályozórudak szabályozó rúdnyalábok leállító rúdnyalábok
5 5
1
3 P
5 2 4
P
P 3
4
1 P
1
2
5
1
P
4 2 5
1
P
3
5
4
2 P
3
5
P 3
5
1
1
3
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
Reaktor
A
φφφφ
φφφφ
φφφφ r
A
r
r
Reaktor
Abszorberrúd
Reaktor
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 5. csoport nélküli mozgás 5. csoporttal történő mozgás
0,012 0,01 0,008 0,006 0,004 0,002 0 0
50
100
150
200
250
2,5
300
6. csoport helyzete, cm 2,0
1,5
ρ I, %
differenciális rúdértékesség, %/cm
0,014
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 dρ dρ dz = dt dz dt
260
0
dρ $ C: = 0,0201 dz cm
dρ $ = 0,0201 ⋅ 2 = 0,0402 dt s
dz cm =2 dt s
Reaktivitás értékesség
Bórsav • Elsődlegesen kompenzálásra használatos,csak másodsorban szabályozásra 10
B
σ a = 4000barn
11
B
σ a = 0,005barn
E n = 0,025eV
Bórsav oldhatósága 100 g/kg Maximum 40g/kg Pakson 20g/kg
Reaktivitásértékesség különböző üzemállapotokban Reaktorállapot: SZBV rúd megnevezése
Az összes szabályozókaze-ta reaktivitásértékessége a leghatékonyabb fennakadása esetén A leghatékonyabb szabályozókazetta kilökődésekor felszabaduló reaktivitás
Az állapot időpontja a cikluson belül
Bóros kampány vége
Ciklus eleje Ciklus vége Ciklus eleje
A 6. SZBV csoport integrális reaktivitásértékessége
T - moderátorhőmérséklet N = 0 MW T= névleges névleges N = 0 MW T=
Reaktivitás értékesség
7,450 %
0,134 % 0,158 % 0,567 %
N = 0 MW Ciklus vége
A 6. SZBV csoport tetszőleges magassága mellett a differenciális reaktivitásértékesség
N - reaktorteljesítmény
Ciklus vége
Ciklus eleje Ciklus vége
T= N = 0 MW T= N = 0 MW T= névleges
0,597 %
0,0241 $/cm
1,890% 2,254%
Bórsav • Leállított reaktornál a primerkörben a g C b = 12 kg
maximum
3 m A primerkör 200 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 növelése,magasabb hűtőközeg hőmérséklet Induló dúsítás növelése és a bór dúsítása
