INSPEKCE PALIVA V ČECHÁCH Martina Malá 1 1 Centrum výzkumu Řež s.r.o. Martina.Mala@cvrez.cz ABSTRAKT Ačkoliv je poškozování paliva tlakovodních reaktorů běžným jevem, snahou je těmto poškozením zabránit či je alespoň minimalizovat, prodloužit tak životnost paliva a zamezit šíření štěpných produktů do chladiva a dále do životního prostředí. Vhodnými metodami sledování paliva během jeho provozu se pak předchází rozvoji jeho nekontrolovatelného chování, jež by mohlo mít závažné důsledky pro provoz elektrárny. K těmto metodám patří poradiační monitorování, neboli inspekce paliva, pomocí vybraných technik, např. vizuální kontrola, ultrazvuková zkouška, sipping test ad. Inspekce paliva byly doménou zejména na západních blocích LWR, ale se současnými narůstajícími požadavky na palivo, např. vyšší vyhoření, prodlužování palivových kampaní, se inspekce dostávají také na východní typy paliva. V České republice se inspekce ozářeného paliva vykonávají na JE Temelín již od roku 2003, zprvu z důvodu použití východní koncepce reaktoru se západním typem paliva, později pak pro potvrzení nového paliva od jiného výrobce. Od roku 2008 pak na inspekcích spolupracuje Centrum výzkumu Řež s.r.o., jehož tým od roku 2011 působí jako nezávislá kontrola dodavatele paliva. V rámci poradiačního programu jsou vždy během odstávky na daném bloku prováděny kontroly stavu vybraných palivových souborů, tj. probíhá vizuální kontrola a měření zkrutu, průhybu a délky palivového souboru. 1 ÚVOD Pod inspekcemi paliva si lze představit např. inspekce výroby paliva ve výrobním závodě, inspekce čerstvého paliva na elektrárně při přejímce od dodavatele, kontroly zavezení kontejnerů na použité palivo, kontroly správnosti zavezení aktivní zóny a další. Mnohými kontrolami prochází palivo nejen energetických reaktorů, ale také reaktorů výzkumných, kdy inspektoři státních dozorných orgánů či IAEA kontrolují evidenci jaderných materiálů. Problematické je zejména měření a zkoumání stavu jaderného paliva energetických reaktorů po ozáření, během tzv. pool-side inspekcí. Vysoce aktivní jaderné palivo má vysoký zbytkový tepelný výkon a emituje γ-záření a neutrony, proto jeho inspekce musí probíhat pod vodou v bazénech paliva. V současnosti jsou ve světě pro inspekce používány zejména vizuální metody hodnocení, ale postupně jsou stále více používány i jiné moderní metody měření a zkoumání (např. laser, viz [1], ultrazvuk). Pool-side inspekce byly zavedeny v 70. letech s narůstajícími se poškozeními paliva během provozu a byly doménou zejména západních bloků (PWR, BWR). Avšak se stále vyššími nároky na provoz paliva v aktivní zóně (např. vyšší vyhoření, delší cykly) se inspekce dostávají i do jiných oblastí světa (např. bloky VVER). Inspekce jsou zpětnou vazbou nejen pro výrobce paliva, ale také pro provozovatele jaderné elektrárny. S poškozením paliva úzce souvisí jeho výrobní proces (výrobní vady vedoucí k netěsnostem), manipulace s palivem (poničení konstrukce paliva) a provozní parametry aktivní zóny (chemický režim, teplota, výkon paliva a průtok chladiva aktivní zónou vedoucí např. ke korozi pokrytí, vibracím paliva způsobující otěr pokrytí o distanční mřížky či cizí předměty, hydridaci pokrytí či interakci - 1 -
palivo-pokrytí). Nejčastějšími příčinami poškození paliva PWR/VVER je koroze a otěr, neboli fretting (grid-to-rod, otěr pokrytí paliva o distanční mřížku, a debris, otěr cizího předmětu o pokrytí paliva) [2]. Přínosy pravidelného sledování stavu paliva spočívají v pravidelném ověřování bezpečnostní rezervy paliva během provozu z hlediska jeho deformací a ke včasnému podchycení nebezpečných trendů v chování paliva. Dalším přínosem je ekonomika palivového cyklu, neboť je možné kvantifikovat projektové rezervy paliva a podložit tak např. navýšení výkonu či vyhoření paliva. K metodám inspekcí ozářeného paliva typu pool-side, tedy přímo na jaderné elektrárně, v bazénu paliva, patří např. vizuální kontrola, ultrazvuková zkouška, měření geometrie palivového souboru, měření oxidických vrstev vířivými proudy, sipping test. Sipping test (více zde [3]) se od ostatních metod odlišuje tím, že se provádí ve většině případů během vyvážení paliva z aktivní zóny, přímo na zavážecím stroji. již během provozu z měření aktivit chladiva lze posoudit, zda je palivo těsné či nikoliv. První informace o stavu (o těsnosti) konkrétního palivového souboru však plyne až z vyvážení zóny (ze sipping testu). Zbylé metody jsou pak aplikovány v bazénu paliva. Součástí vybavení bloků PWR je tzv. fuel building, který umožňuje vykonávat veškeré kontroly i manipulace (např. zavezení kontejnerů použitým palivem) prakticky bez omezení. Naproti tomu inspekce na blocích VVER jsou omezeny pouze na odstávku bloku, kdy jsou bazény paliva přístupné. Pro tyto účely byly vyvinuty různé konstrukce, tzv. stendy; jedním z nich je právě Mobilní stend inspekcí a oprav na JE Temelín. 2 INSPEKCE PALIVA NA JE TEMELÍN Poradiační monitorování paliva na JE Temelín bylo zavedeno na americkém palivu VVantage-6 (Westinghouse) z důvodu potvrzení kompatibility západního typu paliva s východní koncepcí reaktoru. První kontroly proběhly zhruba před deseti lety na prvním bloku. Během provozu soubory vykazovaly značné průhyby, a proto byl původní typ souboru postupně modifikován. Konstrukce souboru byla postupně zpevňována. Pokrytí paliva, vodicí trubky a vnitrní mřížky byly vyrobeny ze slitiny Improved Zircaloy-4. Tento design ovšem vykazoval větší růst a prohýbání proutků a následně způsoboval nedosedání regulačních klastrů. Soubory také vykazovaly náchylnost k opotřebení pokrytí v místech styku proutků s distanční mřížkou (již zmiňovaný grid-to-rod fretting). K poškození pokrytí došlo již v průběhu první kampaně na prvním bloku. Typ VVantage-6 prošel řadou konstrukčních změn do podoby, která umožnila omezení průhybu proutků. Od roku 2007 byl do reaktoru zavážen typ obsahující slitinu ZIRLO TM, jež umožnil omezit opotřebení vlivem grid-to-rod fretting. [2] Od roku 2011 inspekce pokračují na palivu od ruského dodavatele TVEL (typ TVSA-T, tzv. Alternative Fuel Assembly for Temelín NPP). Tento typ paliva je pevnější a odolnější díky skeletu s úhelníky ze Zr slitiny. Soubory typu TVSA jsou dnes používány na blocích VVER-1000 v Rusku, Bulharsku a na Ukrajině. Na JE Kalinin se od roku 1998 testují soubory TVSA, typ TVSA-T byl zavezen k testování v roce 2003. Odzkoušeno bylo 108 souborů, vizuální inspekce nepotvrdila žádné poškození. Zkušební provoz prokázal dobrou provozní schopnost, pevnost skeletu a geometrickou stabilitu během zavážení i během provozu. [2] Totožné výsledky prokázaly kontroly paliva na JE Temelín. Poradiační monitorování paliva provádí primárně dodavatel paliva, TVEL, nezávislým hodnocením stavu paliva jsou pověřeni pracovníci Centra výzkumu Řež s.r.o. Vše probíhá ve spolupráci se zaměstnanci JE Temelín, kteří se věnují provozu a manipulacím s palivem. Během tří let prošlo kontrolou na obou blocích v součtu přes 50 souborů. Výsledky z inspekcí potvrzují dobrý korozní i mechanický - 2 -
stav paliva. [5] V roce 2014 k padesáti změřeným souborům přibude dalších zhruba 20. Kontrolou tak projdou jednoleté, dvouleté, tříleté, ale také již čtyřleté soubory. Inspekce paliva na JE Temelín v současnosti sestávají z vizuální inspekce celého palivového souboru pomocí černobílé radiačně odolné podvodní kamery umístěné na Mobilním stendu inspekcí a oprav a z měření geometrie palivového souboru (zkrut, průhyb a délka). Při vizuální kontrole se v záběru ocitají periferní palivové proutky, úhelníky, distanční mřížky a hlavice a patice. Kamery se používá také pro měření geometrie souboru. 3 ULTRAZVUK PRO MĚŘENÍ GEOMETRIE PALIVA Důvodem inspekcí paliva je pravidelné ověřování bezpečnostní rezervy paliva během provozu z hlediska jeho deformací a včasné podchycení nebezpečných trendů v chování paliva. Proto se pracovníci CVŘ zabývají možnostmi inspekcí paliva na jaderných elektrárnách typu VVER. Jednou takovou metodou je právě ultrazvuk, který umožňuje s velkou přesností a rychlostí stanovit deformaci palivového souboru. V současnosti se ultrazvuku v oblasti paliva používá zejména k identifikaci netěsných palivových proutků. V případě aplikace této metody na měření geometrie souboru by došlo ke zkrácení doby měření i vyhodnocování dat oproti stávající vizuální metodě, ale zároveň tato metoda nabízí možnost navýšit počet měřených souborů při zachování současné doby inspekcí paliva během odstávky. Nejedná se sice o novinku na trhu, avšak nabízená zařízení jsou k dispozici většinou jen pro čtvercové soubory (např. Areva, Westinghouse). [6] V loňském roce bylo v laboratoři CVŘ vybudováno experimentální zařízení pro měření pozice distanční mřížky šestihranného palivového souboru. Cílem tohoto zařízení je ověřit vhodnost použití ultrazvuku pro měření deformace (zkrutu a průhybu) ozářeného palivového souboru typu VVER. Ultrazvukové zařízení bylo navrženo tak, aby co nejvěrněji simulovalo podmínky při měření deformace palivového souboru v bazénu paliva. Pro realizovatelnost však bylo nutné přijmout některá zjednodušující opatření, např. neaktivní zkoušky (tzn. bez radiace), soubor je reprezentován pouze jednou distanční mřížkou (zatím nebyly použity makety palivových proutků), na začátek měření nebylo uvažováno s použitím kyseliny borité (která je součástí chladiva bazénů paliva), hydraulický tlak neodpovídá tlaku na dně bazénu paliva, výška hladiny chladiva je dána pouze nutností ponoření ultrazvukových sond. [6] Experimentální zařízení bylo navrženo jako skleněná nádrž s vyhříváním, vychylovacím systémem pro šestihrannou distanční mřížku a rámem pro pohyblivé umístění ultrazvukových sond. Vychylovací systém pro mřížku umožňuje simulovat všechny pohyby, které charakterizují změnu její polohy při deformaci palivového souboru: posun k sondám a od sond (projevuje se při průhybu podél strany souboru), posun zleva doprava (projevuje se při průhybu podél jedné strany souboru) a pootočení mřížky (projevuje se při zkrutu souboru). Jelikož je teplota v blízkém okolí palivového souboru výrazně ovlivněna konvektivním přenosem tepla z pokrytí, je teplotní pole kolem souboru proměnné. Ultrazvukové sondy bez teplotní kompenzace umístěné v různých výškách by tedy udávaly při stejných měřených vzdálenostech různé hodnoty. Řešení této situace jsou dvě: buď použít sondy s teplotní kompenzací, nebo provést kalibraci vzdálenosti se změnou teploty. Jednodušším řešením se jeví varianta se sondami s teplotní kompenzací. Pro určení teplotní závislosti během měření je tedy ultrazvukové zařízení možné vyhřívat. [6] V první sadě měření byl stanovován posun mřížky v rovině simulující zkrut a průhyb palivového souboru, zatím beze změny teploty. Z prvních výsledků měření pozic distanční mřížky plynou následující závěry: většina hodnot rozdílu mezi nastavenou a změřenou pozicí v případě měření průhybu souboru se pohybuje pod 0,5 mm (maximum je 0,6 mm). Rozdíly - 3 -
v nastavených a detekovaných pozicích lze vysvětlit několika důvody, a to nízkou tuhostí měřicího zařízení (zařízení se pod působením síly při nastavování mírně ohýbá), volností zavěšení distanční mřížky, vlivem lidského faktoru při nastavování pozice a odečítání hodnot a součtem chyb měření v různých směrech. Hodnoty rozdílu mezi nastavenou a změřenou pozicí jsou vyšší než předpokládané, avšak pro měření deformace palivového souboru v bazénu skladování vyhořelého paliva nejsou překážkou. V tomto případě jsou totiž z principu eliminovány první nejzávažnější důvody, tedy vliv konstrukce experimentálního zařízení; v případě použití automatizovaného sběru dat je vyloučen i vliv lidského faktoru na měření. V případě simulace měření zkrutu souboru jsou rozdíly mezi nastavenou a změřenou pozici velké. Vysvětlením může být samotná konstrukce experimentálního zařízení, vliv lidského faktoru při nastavování a odečítání hodnot, metoda výpočtu, či nedokonalá rovina bočního plechu distanční mřížky. Největší vliv na rozdíl v nastavených a měřených pozicích je vlivem nedokonalé roviny bočního plechu distanční mřížky. Pro měření pootočení distančních mřížek a zkrutu palivového souboru v bazénu skladování vyhořelého paliva se neuplatní první dva důvody, v případě automatizovaného sběru dat je vyloučen i vliv lidského faktoru. [6] Další sady měření obsahující vliv různé teploty vody, příměsi kyseliny borité a radiace na měření pokračují v roce 2014, čímž se ověří vhodnost použití metody na celý ozářený palivový soubor. 4 ZÁVĚR Inspekce ozářeného paliva na jaderných elektrárnách jsou důležitou součástí provozu, neboť v sobě zahrnují zpětnou vazbu o stavu a chování paliva během provozu a umožňují pravidelně ověřovat bezpečnostní rezervy paliva během provozu z hlediska jeho deformací a zavčasu podchytit nebezpečné trendy v chování paliva. Dalším přínosem je ekonomika palivového cyklu, neboť je možné kvantifikovat projektové rezervy paliva a podložit tak např. navýšení výkonu či vyhoření paliva. Inspekce ozářeného paliva v Čechách probíhají na JE Temelín již přes 10 let a vystřídaly západní design paliva společnosti Westinghouse (VVantage-6) i východní design společnosti TVEL (TVSA-T). V roce 2014 to bude kolem 70 souborů typu TVSA-T, které prošly kontrolami a měřením geometrie. Inspekce ozářeného paliva provádí primárně dodavatel paliva, pracovníci Centra výzkumu Řež zde provádí nezávislé hodnocení stavu paliva po jednotlivých kampaních. V rámci inspekcí paliva se pracovníci CVŘ zabývají také dalšími možnostmi, jak inspekce zefektivnit. Jednou z možností je použití ultrazvuku pro měření geometrie souboru. Tato možnost přináší urychlení měření i vyhodnocování dat. Pro tyto účely bylo v CVŘ vybudováno experimentální ultrazvukové zařízení. Palivový soubor je zde simulován jednou šestihrannou mřížkou. Na této mřížce se stanovuje odezva ultrazvukových sond na posuv v různých směrech. Cílem zařízení je ověřit vhodnost navržené metody pro měření celého ozářeného palivového souboru. PODĚKOVÁNÍ Tato činnost byla podpořena z projektu "Efektivní infrastruktura pro komercializaci VaV, financovaného z Operačního programu Výzkum a vývoj pro inovace". - 4 -
POUŽITÁ LITERATURA [1] Američané vyvíjejí novou metodu laserové spektroskopie pro sledování povrchu palivových článků, web AtomInfo, http://atominfo.cz/2012/09/americane-vyvijeji-novou-metodu-laserovespektroskopie-pro-sledovani-povrchu-palivovych-clanku/ [2] International Atomic Energy Agency. Review of Fuel Failures in Water Cooled Reactors. Vienna: IAEA, 2010. IAEA Nuclear Energy Series No. NF-T-2.1. [3] Andrlík M., Pávková Z., Martykán M. - Hodnocení těsnosti pokrytí paliva na jaderné elektrárně Temelín, http://www.iaea.org/inis/collection/nclcollectionstore/_public/42/039/42039992.pdf [4] Malá M. Inspekce a opravy paliva na JE Temelín. Jaderná energetika, transmutační a vodíkové technologie v pracích mladé generace. Mikulášské setkání mladé generace ČNS. Brno. 2010. Sborník ze setkání. ISBN 978-80-02-02288-6. [5] Malá M. - Post-irradiation inspections on TVSA-T fuel assemblies at Temelín NPP, konference VVER 2013, Praha. 2013. [6] Nerud P., Malá M. - Aplikace UT pro měření deformace ozářeného PS, interní dokument CVŘ - 5 -