Materiálový výzkum pokročilých typů jaderného palivaPokročilá jaderná paliva - ATF a)...

transcript

Materiálový výzkum pokročilých typů jaderného paliva

Martin Ševeček, Radomír Řeháček,Stanislav Linhart, Josef Běláč

Jaderné dny 2019, 14. 5. 2019, Plzeň

1. Pokročilá jaderná paliva - ATFa) Paliva se zvýšenou odolností

b) Cíle ATF

c) Programy ve světě

d) ATF povlaky vyvíjené v rámci projektů ALVEL

2. Testování materiálových vzorků Zr-slitina) Projekt MCA a POMA

b) Cíle programu

c) Harmonogram

Jaderné dny 2019, 14. 5. 2019, Plzeň2

PALIVA SE ZVÝŠENOU ODOLNOSTÍ

➢ Všechny současné reaktory využívají - kombinace UO2+Zr slitiny

➢ Obrovské zkušenosti a know-how

➢ Vyvinuté průmyslové kapacity

➢ Velmi dobré chování (koroze, vodík, vysokoteplotní chování)

➢ Hlavní negativum – těžké havárie (tvorba vodíku, obrovské množství tepla z chemické reakce s párou, urychlená degradace) = Fukushima, Three Mile Island

➢ Vývoj nových typů jaderných paliv iniciován americkým kongresem po havárii ve Fukushima-Daiichi

3Jaderné dny 2019, 14. 5. 2019, Plzeň

CÍLE ATF

➢ Hlavním cílem je poskytnout operátorovi více času při havárii na její zvládnutí

➢ Zároveň však musí být zajištěno, že nové typy paliv negativně neovlivní provoz reaktoru v jiných režimech (zejména při nominálním provozu)

➢ Musí být také ekonomické, průmyslově vyrobitelné a kompatibilní se současnými zařízeními a postupy (přeprava, skladování…)

ATF KONCEPTY

➢ Palivo➢ Dopované pelety (Cr2O3, Al2O3 ..)➢ Vysokohustotní palivo – křemičitany,

nitridy, karbidy, kov (UN, U2Si3, U2SI5, UC)

➢ FCM (Triso obdoba)

➢ Povlaky➢ Modifikace Zr slitin

➢ Coatingy➢ Povrchové úpravy (ODS)

➢ Pokročilé materiály➢ FeCrAl (AISI)➢ Mo-slitiny➢ SiC – duplex, triplex

➢ Nepalivové části AZ➢ ATCR – řídící tyče➢ SiC channel box - BWR

SVĚTOVÉ PROGRAMY

➢ USA – světový leader - WEC (USi+Cr CS; USi+SiC/SiC), GE (FeCrAl, Armorcoating), AREVA (Cr PVD + Cr-UO2; SiC/SiC) + podpora pro univerzity a national labs➢ LTR/LTA – 2018 – FeCrAl-BWR; 2019 – Cr coatingy+dopované pelety; 2022 – SiC/SiC

➢ Francie – financované zejména z amerického programu (Framatome)

➢ Korea – vlastní ambiciozní program – CrAl coatingy + microcell pelety

➢ Čína – rozvíjí prakticky všechny publikované koncepty

➢ Rusko – ve větším rozsahu začalo teprve v 2018 – Cr coatingy; 42HNM

➢ + desítky menších skupin z celého světa včetně ČR

4. - 6. 4. 2018 Martin Ševeček: ATF - Aktuální stav vývoje 6Jaderné dny 2019, 14. 5. 2019, Plzeň

NRC – ČASOVÝ PLÁN LTA/LTR (POUZE USA)

FRAMATOME – OZAŘOVÁNÍ

➢ IMAGO – Švýcarsko – bez paliva➢ Vogtle – první ATF soubory i s palivem➢ GOCHROM – Švýcarsko➢ 4 další v USA➢ Výzkumné reaktory

VÝVOJ ATF POVLAKŮ V ALVEL (1)

➢ Zaměřené na modifikace současných palivových povlaků➢ Na slitiny v současnosti používané ve VVER reaktorech jsou pomocí

unikátních technologií nanášeny ochranné vrstvy Cr, CrAl, CrN, TiN a CrN + Cr

➢ Ochranné vrstvy jsou velmi tenké, lze je kombinovat a mohou mít různé funkce➢ Ochrana před korozí➢ Zabránění interakce jednotlivých součástí➢ Zlepšení mechanických vlastností nebo zvýšení odolnosti proti otěru

➢ Ochranné vrstvy byly vybrány na základě mnoha omezení, např.:➢ Malá absorpce neutronů➢ Odolnosti při vysokých teplotách (tání, reakce s párou)➢ Odolnost materiálu při provozu (cca 320°C, agresivní chemické prostředí)

VÝVOJ ATF POVLAKŮ V ALVEL (2)

➢ Ve spolupráci s FS a FJFI ČVUT v Praze jsou povlaky naneseny na předem vyrobené vzorky

➢ Vzorky jsou testovány v UJP Praha na odolnost vůči korozi a zejména odolnost při simulovaných havarijních podmínkách

➢ Technologie nanášení a složení ochranných vrstev jsou průběžně modifikovány s cílem dosažení zvýšené odolnosti a zlepšení základních charakteristik

➢ Testy jsou prováděny na neozářeném materiálu

➢ Finální produkt bude ozařován ve výzkumných reaktorech v ČR nebo v Rusku

PROJEKT OZAŘOVÁNÍ MATERIÁLOVÝCH

VZORKŮ (MCA) NA ETE

➢Hlavní cíl projektu:➢ Prověřit radiační růst a další mechanické a

materiálové parametry vzorků pokrytí v závislosti naobdržené fluenci neutronů v provozních podmínkáchreaktoru VVER-1000.

➢Další cíle projektu:➢podpora procesu licencování pokročilých typů paliva

➢zajištění korelace mezi reálnými reaktorovými podmínkami a experimenty prováděnými ve výzkumných reaktorech.

➢ Významná část projektu je realizována v ČR

POPIS MCA

Název parametru Hodnota

Rozměry souboru pro zkoumání materiálu (průměr × výška), mm

144 ×2647

Počet ampulí pro zkoumání materiálu, ks

Délka ampule pro zkoumání materiálu (oddělená část), mm

Průměr ampule pro zkoumání materiálu, mm

Hmotnost souboru pro zkoumání materiálu, kg

Stanovená délka životnosti, let 6

Obsah materiálových ampulí: monitory fluence (Fe-54, Cu-63, Nb),vzorky pokročilých typů Zr-slitin

Jaderné dny 2019, 14. 5. 2019, Plzeň

POPIS ZAŘÍZENÍ POMA (1)

POMA + podstavec

POMA – princip činnosti

➢Výhody zařízení POMA:

➢jednoduchý princip činnosti

➢robustní konstrukce

➢kompatibilita s palivovými soubory AZ

➢zařízení využívá pouze gravitační energie

➢Oddělení ampulí je čistě mechanické(bez vzdáleného napájení či obsluhy)

PROJEKT MCA – CELKOVÝ SOUHRN

➢Doba trvání celého projektu: 2012 – 2024

➢6 ozařovacích cyklů, do vyvezení posledního MCA

➢POMA – absolvovány všechny zkoušky PKV/KV a zkušební provoz.

➢Byl vyroben imitátor MCA pro vyzkoušení POMA před stříháním ozářených vzorků

➢Každý rok:

➢vyvezení jednoho MCA z AZ (po U1C16 vyvezeno 4ks MCA), ostatní MCA se přeloží do další vsázky

➢odstřižení ampulí pomocí POMA(MCA M1 a M2 odstřiženy 4/2019)

➢transport ampulí do UJV k analýzám v transportním kontejneru

PROJEKT MCA - ANALÝZY

➢ Analýzy referenčních vzorků a vývoj metodik

➢ Vývoj metodik a analýzy referenčních (neaktivních) vzorků Zr-slitin pro budoucí srovnání ozářeného materiálu oproti referenčnímu

➢ Měření geometrie (délky) referenčních vzorků➢ Mikrostrukturní analýza, mikrotvrdost, SEM metalografie➢ Elektronová mikroskopie (TEM), stupeň rekrystalizace, velikost zrna, určení typu

dislokací, statistické vyhodnocení zrn)

➢ Analýzy ozářených vzorků:

➢ Rozřez ampulí, vyjmutí ozářených vzorků a monitorů fluence➢ Materiálové analýzy (stejné jako na referenčních vzorcích)➢ Stanovení fluence neutronů na základě aktivit monitorů fluence (Fe, Cu, Nb)➢ Uložení RAO

➢ Spolupráce s UJV Řež a CVŘ

ANALÝZY REFERENČNÍCH VZORKŮ (1)

4. - 6. 4. 2018Jaderné dny 2019, 14. 5. 2019, Plzeň

rní a

í ele

HR – TEM fázová analýza

Dislokace

4. - 6. 4. 2018 19Jaderné dny 2019, 14. 5. 2019, Plzeň

ANALÝZY REFERENČNÍCH VZORKŮ (2)

Analýza velikosti a typu zrnAnalýza stupně rekrystalizace

ZÁVĚR / SHRNUTÍ

✓ ATFs – “nežhavější” téma jaderné energetiky posledních let

✓ Většina aktivit iniciována a finacována USA, další země se postupně zapojily kvůli konkurenčnímu boji (Korea, Rusko, Čína, Japonsko)

✓ Ve vývoji jsou desítky alternativních konceptů v menšíchzemích a výzkumných skupinách včetně ALVEL

✓ Projekt MCA: V dubnu 2019 – střih prvních dvou sad a transport do HK UJV

✓ Projekt tímto vstoupil do fáze materiálových analýz ozářeného materiálu

DĚKUJI ZA POZORNOST☺

WWW.ALVEL.CZ

Materiálový výzkum pokročilých typů jaderného palivaPokročilá jaderná paliva - ATF a)...

Documents