Vysokoteplotní oxidace a creep nových konceptů palivového pokrytí

Abstract

Zirkoniová palivová pokrytí jsou využívána v současných lehkovodních reaktorech díky řadě žádoucích vlastností při normálním provozu. Avšak při změně provozních podmínek na projektový nebo dokonce nadprojektový scénář havárie přináší tyto materiály omezení. Rychlá exotermická oxidace mezi zirkoniem a vodní párou při vysokých teplotách zhoršuje uchladitelnost systému a současně dává za vznik značnému množství vodíku, který ohrožuje bezpečnost reaktoru. Závažné havárie jaderných zařízení v minulých desetiletích poukázaly na tato úskalí a motivovaly vývoj paliva odolného vůči haváriím. Vyvíjená paliva s vyšší odolností jsou zcela nové, případně modifikované typy jaderných paliv, která dokáží tolerovat havarijní podmínky v aktivní zóně reaktoru po podstatně delší dobu a do vyšších teplot. Dalšími cíli těchto paliv je zvýšení bezpečnostních rezerv a dosažení vyšší ekonomičnosti provozu. Kromě toho je jejich zavádění vyžadováno Evropskou komisí ve smyslu udržitelnosti projektu jaderného zařízení. Existují různé koncepty paliv se zvýšenou odolností. Tato práce se zabývá chováním pokročilého pokrytí z Cr-Ni slitiny a referenční zirkoniové slitiny během hypotetické havárie LB-LOCA lehkovodního reaktoru. Soubor experimentů zaměřených na stanovení teploty tání, popis kinetiky vysokoteplotní oxidace a rychlost creepu navrhované Cr-Ni slitiny byl proveden v UJP PRAHA a.s. a Institutu technologií v Karlsruhe.

Zirconium fuel claddings are used in current light water reactors due to their many beneficial properties during normal operation. However, these materials present some limitations when operating conditions change to a design or even beyond the design accident scenario. The rapid exothermic oxidation between zirconium and water vapour at high temperatures degrades the system's coolability and, at the same time, generates a significant amount of hydrogen that deteriorates reactor safety. Serious nuclear accidents in the past decades have highlighted these difficulties and motivated the development of accident-tolerant fuel. These advanced technology fuels under development are entirely new and possibly modified types of nuclear fuels that can tolerate accident conditions in the reactor core for extended time periods and up to higher temperatures. The other goals of these fuels include increasing safety margins and achieving a higher operating economy. In addition, their implementation is required by the European Commission in terms of the sustainability of the nuclear facility design. There are different concepts for fuels with enhanced performance. This paper investigates the behaviour of advanced cladding made of Cr-Ni alloy and a reference zirconium alloy during a hypothetical LB-LOCA light water reactor accident. A set of experiments aimed at determining the melting temperature, characterising the high-temperature oxidation kinetics, and the creep rate was carried out at UJP PRAHA a.s. and the Karlsruhe Institute of Technology. The results show the superior performance of the presented alloy compared to traditional zirconium alloys. Nevertheless, the Cr-Ni alloy also delivers a number of disadvantages and challenges, whose implication is discussed.