materiálový výzkum pokročilých typů jaderného palivapokročilá jaderná paliva - atf a)...

Materiálový výzkum pokročilých typů jaderného paliva

Martin Ševeček, Radomír Řeháček,Stanislav Linhart, Josef Běláč

Jaderné dny 2019, 14. 5. 2019, Plzeň

OBSAH

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

3

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

6


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

6

Délka ampule pro zkoumání materiálu (oddělená část), mm

287

Průměr ampule pro zkoumání materiálu, mm

9,1

Hmotnost souboru pro zkoumání materiálu, kg

8

Stanovená délka životnosti, let 6

12

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

18

Stru

ktu

rní a

nal

ýza

–sk

eno

vací

tra

nsm

isn

í ele

ktro

no

vý m

ikro

sko

p

HR – TEM fázová analýza

Dislokace

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

19

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