referentiesheet cursusboek 'systeemkennis bs30' - n.v. epz
TRANSCRIPT
Uniting E xpertise,Accelerating Ambitions
Referentieproject: N.V. EPZ - Cursusboek 'Systeemkennis BS30'.
Referentie projectVersie 0.2 (2014)USG Engineering Professionals
1
Referentie projectVersie 0.2 (2014)USG Engineering Professionals
Splijtstofelement (YM)
2
Splijtstofelement (YM)
Gegevens splijtstofelement:
Materiaal splijtstofstaaf : Zircaloy-
legering
Uitwendige diameter : 10,75 mm
Wanddikte : 0,725 mm
Totale lengte : 2975 mm
Werkzame lengte : 2650 mm
Inwendige diameter geleidingspijpjes : 13,72 mm
Wanddikte geleidingspijpjes : 0,4 mm
Afstand tussen twee staafjes : 14,3 mm
Totaal splijtstofgewicht : ca. 43.000 kg
Zircaloy-4 gewicht : 9800 kg
Afmeting splijtstoftablet
diameter : 9,11 mm
hoogte : 12 mm
Bedrijfstemp. in kern van splijtstof tablet : ca. 1300 ˚C
Max. temp. in kern splijtstof tablet : 2450 ˚C
Smelttemp. splijtstof : ca. 2600 ˚C
Max. opp. temp. Zircaloy legering : 347 ˚C
De splijtstofelementen (YM) hebben de taak om de warmte te leveren en over te dragen
aan het hoofdkoelmiddel (HKM). Bovendien hebben de splijtstofelementen de taak om
regelstaven (voor de vermogensregeling) en instrumentatie (voor het meten van de ver-
mogensverdeling) in de reactor te brengen. Tenslotte zijn de splijtstofelementen ook een
veilige insluiting voor de splijtstof, zodat radioactieve splijtingsproducten zich niet kunnen
verspreiden.
De reactorkern bevat 121 splijtstofelementen. Elk splijtstofelement bevat splijtstofstaven.
De splijtstofstaaf bestaat uit een gasdicht pijpje, gemaakt van zirkonium legering met
daarin opgestapeld gesinterde cilindervormige splijtstoftabletten (diameter 9,11 mm;
dikte 12 mm) van uraniumdioxide. De splijtstoftablet bestaat uit uraniumdioxide (UO2), een
kop vansplijtstofelement
spinnekop
afstandhouder
regelstaaf
splijtstofstaaf
regelstaafvinger
voet van splijtstofelement
Afbeelding 1: Splijtstofelement + regelstaaf.
3
Referentie projectVersie 0.2 (2014)USG Engineering Professionals
porseleinachtig materiaal. Het uranium is verrijkt en bestaat voor 4,4% uit U-235 en voor
95,6% uit U-238. Sinds 2014 wordt een deel van het verrijkte uranium vervangen door MOX
(Mixed OXide). Dit bestaat voor 5,4% uit splijtbaar plutonium, voor ca. 3% uit niet splijtbaar
plutonium en voor de rest uit U-238.
Afbeelding 2: Schematische weergave van de werking van de splijtstofstaven.
4
De splijtstoftabletten hebben in het midden (de centrale as) een aanzienlijk hogere tem-
peratuur (ca. 1300 ˚C) dan aan de buitenkant (HKM-temperatuur). Want uraniumoxide is
(net als porselein) een
slechte warmtegeleider.
Bijgaande figuur illustreert
het temperatuurprofiel
binnenin de splijtstofstaaf.
De centrale as mag nooit,
ook niet bij storingen, de
smelttemperatuur berei-
ken (ca. 2600 ˚C). Om het
uranium in de centrale
as kans te geven uit te
zetten als gevolg van de
hoge temperatuur, zijn
de vlakke einden van de
splijtstoftablet in koude
toestand licht uitgehold
(zie afbeelding 3).
De splijtstofstaaf (zircaloy pijp) is aan de onder- en bovenzijde gasdicht afgesloten door
middel van ingelaste stoppen. De splijtstof wordt op enige afstand van de pijpbodem
gehouden door een afstandstuk en een isolatiestuk. Bovendien is tussen de bovenste stop
en de bovenste splijtstoftablet een veer aangebracht (zie afbeelding 2). Deze veer zorgt er
voor, dat tijdens fabricage en transport de tabletten goed tegen elkaar aangedrukt worden
zodat er geen holle ruimtes tussen de tabletten ontstaan. De brandstof kan tegen de veer-
druk in uitzetten. De veerruimte en de onderste afstandsruimte dienen als opvangruimte
voor de splijtingsgassen. Dit voorkomt dat de interne gasdruk van de splijtstofstaaf te hoog
kan worden. Indien door een of andere oorzaak de kolom tabletten vast komt te zitten, kan
het onderste afstandstuk in elkaar gedrukt worden. Op deze manier is toch een uitzetting
ca. 1300 ˚C
340 ˚C
UO2
Zircaloy pijpTemperatuur
Afbeelding 3: Splijtstoftabletten.
Afbeelding 4: Temperatuurprofiel binnenin de splijtstofstaaf.
5
Referentie projectVersie 0.2 (2014)USG Engineering Professionals
van de tabletten mogelijk (zie afbeelding 2).
Het materiaal waarvan de wand van de splijtstofstaaf is gemaakt is een zirkonium legering.
Dit metaal heeft de eigenschap dat
het weinig langzame (thermische)
neutronen absorbeert. Deze neutro-
nen zijn essentieel voor het behoud
van een gecontroleerde kettingre-
actie en mogen niet verloren gaan
door absorptie binnen de reactor.
Zirkonium is bestand tegen de druk
en temperatuur in de reactor, zon-
der sterk aangetast te worden door
water. Een dun corrosielaagje aan de
buitenkant geeft bescherming aan
het zirconium metaal daaronder.
Een splijtstofelement heeft een vierkante doorsnede met een 15x15 patroon (225 posities).
In die posities kunnen óf splijtstofstaven staan óf geleide buizen voor regelstaven, smoor-
staven of voor instrumentatie lansen.
Elk splijtstofelement is opgebouwd uit:
• 205 splijtstofstaven.
• 20 geleide buizen.
• 7 afstandhouders.
• Een boven- en ondereind-
stuk.
De 205 splijtstofstaven en 20
geleide buizen worden door
7 afstandhouders, een boven-
eindstuk en een ondereind-
stuk bij elkaar gehouden.
Een splijtstofelement blijft ca. 4 of 5 jaar (cycli) in de kern
Ieder jaar wordt ca. een kwart van de splijtstofele-menten vernieuwd. Dat gaat altijd in een kwart-symmetrisch patroon, dus met 24 of 28 of 32 nieu-we splijtstof elementen.
Het percentage U-235 is dan (door versplijting) ge-daald naar ruim 0,8%. Dit wordt opbrand genoemd.
Afbeelding 5: Splijtstofstaven.
6
Een geleide buis kan gevuld worden met de vingers van een regelstaaf (YS), een instru-
mentatie lans of een smoorelement (YJ). Van de 121 splijtstofelementen zijn 28 elementen
voorzien van regelstaven, 24 elementen voorzien van instrumentatie lansen en 69 elemen-
ten met lege geleide buizen. De lege geleide buizen worden gevuld met smoorelementen.
In 28 van de 121 splijtstofelementen zit een regelstaaf. Deze regelstaaf heeft 20 vingers
die in de geleidingspijpen van een splijtstofelement passen. De vingers van een regelstaaf
hebben de gelijke lengte als een splijtstofstaaf.
Wanneer een splijtstofelement geen regelstaaf bevat, wordt een smoorelement geplaatst.
Het smoorelement heeft 20 korte vingers en wordt op de dezelfde manier geplaatst als
een regelstaaf. De geleidingspijpen die nu niet worden
gevuld met de vingers van de regelstaaf worden aan
de bovenkant, door het smoorelement, gedicht. Een
smoorelement dient om de geleidingspijpen zodanig te
‘smoren’ zodat de gelijke stromingsvoorwaarden gelden
zoals bij een splijtstofelement waar wel een regelstaaf
in zit. Deze smoorelementen voorkomen ongewenste
voorkeursstromingen in het reactorvat en zorgen ervoor
dat het drukverlies van het HKM over de verschillende
splijtstofelementen ongeveer gelijk zijn. Hierdoor wordt
een evenwichtige warmte verdeling verkregen over de
reactorkern.
Afbeelding 6: Onderkant van een willekeurig splijtstofelement.
Afbeelding 7: Smoorelement.
7
Referentie projectVersie 0.2 (2014)USG Engineering Professionals
Kort samengevat
De splijtstofelementen hebben de taak om de warmte te leveren en over te dragen aan het
HKM. Verder hebben de splijtstofelementen de taak om regelstaven (voor de vermogens-
regeling) en instrumentatie (voor het meten van de vermogensverdeling) in de reactor te
brengen. Tenslotte zijn de splijtstofelementen ook een veilige insluiting voor de splijtstof,
zodat radioactieve splijtingsproducten zich niet kunnen verspreiden.
Het frame van een splijtstofelement is opgebouwd uit: 205 splijtstofstaven en 20 geleide
buizen welke door 7 afstandhouders, een boveneindstuk en een ondereindstuk bij elkaar
gehouden worden. De splijtstofstaaf bestaat uit een mantel van een zirconium legering
waarin gesinterde tabletten zitten van verrijkt uranium of van MOX.
De tabletten produceren de warmte. Deze wordt via de mantel van zirconiummetaal
overgedragen aan het hoofdkoelmiddel. Deze mantel dient tevens als veilige gasdichte
insluiting van de radioactieve producten van kernsplijtingen.
De geleide buizen dienen om regelstaven in en uit de
reactor te kunnen bewegen voor het regelen van het
kernsplijtingsproces. Deze geleide buizen kunnen ook
de instrumentatie lansen bevatten voor het controleren
van de vermogensproductie. Geleide buizen zonder
regelstaaf of instrumentatielans worden met smoorele-
menten afgedicht om by- pass stromen van HKM door
de reactor te vermijden.
De reactor bestaat uit 121 splijtstofelementen waarvan
jaarlijks ongeveer een kwart wordt vernieuwd.
Afbeelding 9: Schematische tekening van het smoorelement.
8
Vragen
Basis vragen1. Beschrijf de taak van de splijtstofelementen?
2. Geef kort aan hoe een splijtstofelement is opgebouwd?
3. De geleide buizen van een splijtstofelement dienen voor het plaatsen van een:
- Regelstaaf.
- Smoorelement.
Geef van alle twee de taken aan?
4. Van welk materiaal is een splijtstoftablet en de omhullingspijp gemaakt?
5. Wat is de verrijkingsgraad van een splijtstoftablet, bij start en na opbrand?
6. Uit hoeveel splijtstofelementen is de kern opgebouwd?
Verdiepende vragen1. Het kunnen verklaren van de begrippen verrijkingsgraad, horizontale en verticale flux-
verdeling.
2. Geef aan welke relatie de bovenstaande begrippen hebben met het plaatsen van de
splijtstofelement tijdens een splijtstofwissel.
3. Geef aan het verschil tussen verrijkt uranium en MOX.
9
Referentie projectVersie 0.2 (2014)USG Engineering Professionals
Aantekeningen
© N.V. EPZ
© USG Engineering B.V.
Versie 0.2, 2014
Dit document is met de grootste zorg samengesteld en is alleen geschikt voor opleidingsdoeleinden. De makers echter, kun-
nen geen enkele aansprakelijkheid aanvaarden voor het gebruik van dit document.
Aan geen enkel punt uit dit document kunnen rechten ontleend worden. Tevens is het gebruik van de informatie om kennis
tot u te nemen volledig op eigen risico.
Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm,
scannen of op welke andere wijze ook, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever.
Geen enkele foto uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze hetzij
elektronisch, mechanisch, of enige andere manier, zonder voorafgaande, schriftelijke toestemming van N.V. EPZ.
Wilt u een of meerdere foto's gebruiken voor publicatie in bijvoorbeeld krant, website of een andere media vorm, neemt u
dan contact op met N.V. EPZ.