CZ32602U1 - Vyhořívající absorbátor pro jaderný reaktor - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká dlouhodobé regulace reaktivity v reaktoru pomocí vyhořívajících absorbátorů, které mají jak regulační, tak bezpečnostní funkci.

Dosavadní stav techniky

Vyhořívající absorbátory jsou v různých podobách používané v současné době ve všech komerčně provozovaných energetických lehko vodních jaderných reaktorech PWR, BWR, či VVER, a v těžkovodních jaderných reaktorech CANDU. Vyhořívající absorbátory kompenzují počáteční přebytek reaktivity v reaktoru, která je způsobena čerstvým palivem, a proto umožňují částečné prodloužení palivového cyklu použitím paliva s vyšším obohacením. Z hlediska vyhořívání absorbátorů rozlišujeme rychlý a pomalý vyhořívající absorbátor. Rychlý absorbátor lépe kompenzuje na počátku kampaně, ale poměrně rychle vyhoří, např. Gd. Pomalý absorbátor hůře kompenzuje na počátku, ale vydrží do vyšších vyhoření, např. Dy. Dlouhodobá regulace není jediným úkolem vyhořívajícího absorbátorů, zároveň také může přispět k negativnímu teplotnímu koeficientu reaktivity chladivá. Zejména u lehkovodních reaktorů s použitím kyseliny borité v chladivu. Dnes se jako nejčastější absorbátory používají prvky gadolinium (Gd), bór (B), europium (Eu), erbium (Er) a dysprosium (Dy). Důvod použití těchto prvků je, že mají vysoký absorpční průřez pro neutrony a následně po záchytu neutronu se přemění na prvek s malým absorpčním průřezem, což lze také nazývat vyhořívání absorbátorů. Tento proces je žádoucí, neboť s postupným vyhoříváním paliva klesá i přebytek reaktivity, tudíž není potřeba tak velká absorpce neutronů jako na začátku kampaně, tj. na začátku doby pobytu paliva v jaderném reaktoru. Proto je rychlost vyhořívání jedním z hlavních kritérií pro výběr prvku, který by mohl sloužit jako vyhořívající absorbátor.

V současné době se vyhořívající absorbátory používají ve dvou provedeních, integrál bumable absorber IBA s podprovedením integrál fuel burnable absorber IFBA a burnable poison rod assembly BPRA. První jmenovaný je homogenní směs paliva (UO2) a vyhořívajícího absorbátorů (Gd, Er atd.) zpracovaná do formy palivových pelet.

Tuto formu absorbátorů používají lehkovodní reaktory PWR, BWR i VVER s výjimkou reaktorů od firmy Westinghouse a dále i těžkovodní reaktory CANDU. Reaktory od firmy Westinghouse používají podprovedení absorbátorů IBA, tzv. absorbátorů IFBA. V tomto případě je tenká vrstvička, setiny milimetru, absorbátorů (ZtBí) nanesená na vnější povrch palivové pelety. Druhou možností vyhořívajícího absorbátorů je provedení reaktoru BPRA a v takovém případě je absorbátor ve formě tyče, která je vložená do vodící trubky pro regulační klastry. Pro reaktory PWR je možné použít oba druhy vyhořívajících absorbátorů, avšak reaktory BWR mohou používat pouze absorbátor IBA.

U současných absorbátorů je největší problém nelinearita kompenzace přebytku reaktivity. Zpravidla je na začátku potřeba kompenzace největší a následně by měla klesat s vyhoříváním paliva. Avšak dnes absorbátory kompenzují na počátku kampaně nedostatečně a na konci, kde už je žádoucí mít kompenzaci nulovou, stále ještě zachytávají neutrony. Tento problém je jeden z důvodů, proč není možné přejít na vyšší vyhoření paliva, tj. vyšší využití. Odstraněním tohoto nedostatku by bylo možné prodloužení kampaně paliva, lepší využití paliva a zároveň možná lepší ekonomika paliva.

Při použití oxidu gadolinia (GdíOa) ve formě absorbátorů IBA jako vyhořívajícího absorbátorů dochází ke zmenšení tepelné vodivosti paliva a současné se také snižuje teplota tavení paliva. Obě tyto změny musí být brány v potaz při řešení bezpečnostních výpočtů. U použití absorbátorů

- 1 CZ 32602 U1 ve formě absorbátoru IFBA se neovlivňují materiálové vlastnosti paliva, na druhou stranu je problémový hygroskopický charakter zirkonia, tzn., že prudce reaguje s vodní párou za vzniku oxidu zirkoničitého, vodíku a velkého množství tepla, což je nebezpečné zejména při havarijních stavech reaktoru.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nevýhody vyhořívajících absorbátorů používaných v jaderných reaktorech odstraňuje vyhořívající absorbátor složený ze dvou prvků, v tomto případě samarium a iridium, připravený jako homogenní směs paliva a absorbátoru, tzv. integrál bumable absorber IBA.

Použití absorbátoru podle tohoto technického řešení umožňuje snížit nelinearitu kompenzace reaktivity, přičemž reaktivita je na počátku kampaně kompenzována dostatečně a následně kompenzace klesá až ke stavu bez vyhořívajícího absorbátoru. Absorbátor taktéž napomáhá vyrovnat koeficient nevyrovnání, který je jedním z licenčních podmínek. Zároveň je odstraněna velká nelinearita kompenzace mezi jednotlivými překládkami paliva, jak lze vidět na obr. 2. Na počátku kampaně je při použití tohoto absorbátoru multiplikační faktor, tj. poměr mezi počtem neutronů současné generace Ni a generace předchozí N-i, při stálém výkonu roven 1, téměř roven 1, dále stoupá až do hodnoty přibližně 1,13a poté klesá ke stavu bez použití absorbátoru. Toto je výrazné zlepšení proti např. gadoliniovému absorbátoru, který se používá v dnešní době. Zvyšování multiplikačního faktoru v několika prvních krocích kampaně se dá kompenzovat kyselinou boritou, což je dnes běžně používaný rozpustný absorbátor neutronů. Díky tomu, že v tomto absorbátoru nefiguruje zirkonium, odstraňuje se tímto také problém s hygroskopickým charakterem zirkonia.

Objasnění výkresů

Technické řešení bude dále ilustrováno pomocí obr. 1 a obr. 2. Tyto obrázky zobrazují průběh koeficientu násobení s absorbátorem podle tohoto technického řešení a bez absorbátoru v průběhu palivového cyklu. Obr. 1 zobrazuje průběh koeficientu násobení pro celkové využití paliva v elektrárně. Obr. 2 ilustruje použití paliva s VA a bez VA při 31etém palivovém cyklu, přičemž zde je vidět rapidní pokles maxim koeficientu násobení mezi výměnami paliva a celkové ustálení průběhu koeficientu násobení.

Příklady uskutečnění technického řešení

Navrhovaným předmětem předloženého technického řešení je kompenzace počáteční reaktivity obohaceného paliva vyhořívajícím absorbátorem, složeným z kombinace prvků samarium a iridium. V předloženém řešení je kupříkladu zvolena optimální koncentrace prvků v hmotnostním poměru 64 % samaria a 36 % iridia. Toto konkrétní řešení jez neutronového hlediska ideální. Kompenzace reaktivity je na počátku kampaně dostatečná a následně se postupně blíží stavu bez absorbátoru. Celková hmotnostní koncentrace absorbátoru v palivu bude 0,1382%, což je přibližně 0,74 kg v jednom palivovém souboru jaderného reaktoru EPR. Absorbátor může být vyroben jako kombinace oxidů a kovů, např. oxidu samaria SimCh a kovového iridia. Při použití této směsi, dojde díky kovovému iridiu ke zvýšení tepelné vodivosti paliva, což je výhodné z hlediska bezpečnosti.

Průmyslová využitelnost

Výše uvedené technické řešení vyhořívajícího absorbátoru tvořeného kombinací prvků samarium a iridium může být využito pro kompenzaci reaktivity v jaderném reaktoru. Zejména se toto

-2CZ 32602 U1 řešení dá použít u lehkovodních reaktorů PWR, BWR či VVER, a taktéž u těžkovodních reaktorů CANDU. Toto řešení přispívá k lepšímu využití paliva, lepší ekonomice a také prodloužení kampaně.

Claims (3)

10 1. Vyhořívající absorbátor pro jaderný reaktor, vyznačující se tím, že je tvořen kombinací prvků samarium a iridium, přičemž hmotnostní koncentrace samaria v absorbátoru je v rozmezí 5 až 95 %.

2. Vyhořívající absorbátor pro jaderný reaktor podle nároku 1, vyznačující se tím, že

15 hmotnostní koncentrace samaria v absorbátoru je v rozmezí 30 až 85 %.

3. Vyhořívající absorbátor pro jaderný reaktor dle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že hmotnostní koncentrace samaria v absorbátoru je v rozmezí 60,1 až 79,9 %.