Meningkatkan bahan bakar nuklir

Elemen kunci dalam sistem produksi energi nuklir adalah bahan bakar nuklir. Produk teknologi tinggi yang sama dan mahal, yang diciptakan oleh ratusan insinyur selama lebih dari 50 tahun terakhir. Namun, kecelakaan parah, misalnya, di pembangkit listrik tenaga nuklir Three Mile Island dan Fukushima-Daiichi, menunjukkan bahwa dalam kondisi ekstrem, bahan bakar nuklir kemungkinan akan gagal dan kecelakaan itu akan menimbulkan konsekuensi yang signifikan.

Menyadari bahwa desain bahan bakar saat ini rentan terhadap kecelakaan parah, minat baru pada proyek bahan bakar alternatif akan lebih tahan terhadap kegagalan dan produksi hidrogen, sebagai faktor utama yang menyebabkan kegagalan ini. Desain bahan bakar baru seperti itu harus kompatibel dengan bahan bakar dan sistem reaktor yang ada dan mematuhi semua persyaratan peraturan energi nuklir modern.

Sedikit ke akar dan keadaan saat ini

Sekitar 400 pembangkit listrik tenaga nuklir yang beroperasi di seluruh dunia, menyediakan lebih dari 1/10 pembangkit listrik di planet ini, mengkonsumsi lebih sedikit bahan bakar (berdasarkan berat) sepanjang tahun daripada satu yang bukan pembangkit listrik tenaga batu bara terbesar dalam satu hari.

Statistik umum tersebut untuk memahami intensitas energi bahan bakar nuklir.

Bahan bakar nuklir atau perakitan bahan bakar (FA) saat ini untuk sebagian besar pembangkit listrik tenaga nuklir adalah produk pembuatan mesin, yang merupakan sekelompok cangkang silinder zirkonium (batang bahan bakar) yang diisi dengan pelet uranium yang diperkaya dan gas dalam tekanan. Bundel ini digabungkan menjadi satu desain dengan kisi spacer tipe "honeycomb" yang dipasang pada pipa pusat.


Kontrol masuk rakitan bahan bakar desain Barat di pembangkit listrik tenaga nuklir

Diyakini bahwa zirkonium sebagai cangkang elemen bahan bakar pertama kali diusulkan oleh Admiral Hyman Rickover pada Juni 1946, untuk program reaktor transportasi Angkatan Laut AS. Bahan ini memiliki sifat yang diinginkan dan telah membuktikan sendiri sejak lama.

Sebagai bahan tablet, oksida logam berat biasa digunakan. Biasanya uranium dioksida, lebih jarang - campuran uranium dan plutonium oksida. Uranium dengan kandungan isotop 235U tidak melebihi 5% digunakan dalam reaktor daya modern, termasuk komposisi isotop uranium alami (~ 0,71%) atau sedikit diperkaya.

Sambil mempertahankan fitur-fitur umum ini selama beberapa dekade terakhir, telah terjadi perubahan bertahap dalam fitur struktural "sekunder" dari rakitan bahan bakar. Ini meningkatkan sifat konsumen bahan bakar, keandalan dan keselamatannya, memberikan keunggulan kompetitif yang nyata dengan versi bahan bakar rakitan sebelumnya.

Inilah beberapa di antaranya:

1. Peningkatan tingkat pengayaan: pada tahun 1970 hampir tidak melebihi 3%, sedangkan hari ini pengayaan maksimum untuk reaktor air ringan mendekati 5%. Seiring dengan peningkatan tingkat pengayaan, ia diprofilkan di teras reaktor - hingga perbedaan antara bagian-bagian tablet dalam bahan bakar yang menjanjikan.
2. Peningkatan pemuatan uranium secara massal. Perubahan ini terjadi terutama karena perubahan geometri elemen bahan bakar dan bagian struktural perakitan bahan bakar. Misalnya, untuk reaktor VVER, panjang bagian "bahan bakar" rakitan meningkat - sekitar 15 cm. Untuk reaktor desain Barat, jumlah batang bahan bakar dalam rakitan berbentuk persegi berubah seiring waktu: 15x15, menjadi 17x17.
3. Perubahan signifikan pada paduan zirkonium. Contoh mencolok dari modernisasi bahan shell adalah pengenalan luas niobium sebagai salah satu elemen paduan utama. Berbeda dengan paduan yang umum di masa lalu, di mana niobium tidak ada atau terkandung dalam jumlah kecil (Zircaloy 4, Zircaloy 2), bahan yang mengandung sekitar 1% niobium menjadi dominan. Ini berlaku, misalnya, untuk paduan bermerek Westinghouse (Zirlo, peningkatan Zirlo, AXIOM), Framatome / Areva (paduan M5, Q) dan Rosatom (paduan E110, E635). Selain itu, dalam sejumlah paduan zirkonium, komponen seperti timah, nikel, dan kromium berkurang atau dihilangkan. Teknologi ditingkatkan untuk meminimalkan kandungan hafnium dalam paduan zirkonium.
4. Peningkatan komprehensif desain rakitan bahan bakar. Selama pengembangan, beberapa elemen desain rakitan (rumah dan penutup rakitan bahan bakar) dikeluarkan. Ada solusi yang meningkatkan kekuatan rakitan bahan bakar, ketahanannya terhadap deformasi, solusi yang memberikan integritas batang bahan bakar tambahan (pengenalan filter anti-serpihan) dan memenuhi persyaratan peraturan baru, misalnya, terhadap ketahanan terhadap gempa. Desain rakitan bahan bakar dibuat dapat dilipat, sehingga memungkinkan penggantian elemen bahan bakar individu dan operasi yang berkelanjutan.

Tidak semua tercantum di atas, melainkan perubahan paling mendasar dalam desain bahan bakar yang telah terjadi sejak pembuatan rakitan bahan bakar pertama.

Batu sandungan

Dari paragraf pertama orang dapat menebak bahwa majelis bahan bakar saat ini telah berhasil mencapai indikator batas efisiensi dan keselamatan untuk waktu pengembangan yang lama, tetapi setidaknya dua faktor sekarang mengharuskan perancang untuk terus meningkatkan bahan bakar nuklir lebih lanjut.

Mempertimbangkan pelepasan daya spesifik yang sangat besar dari zona aktif reaktor air ringan ~ 150 W / cm3, dikombinasikan dengan kemungkinan memperkenalkan reaktivitas positif atau kehilangan pendinginan dalam sistem yang kompleks ini, para insinyur yang merancang reaktor sejak awal memahami pentingnya merancang sistem keselamatan.

Untuk mengembangkan strategi mitigasi kecelakaan, dua jenis peristiwa diambil sebagai dasar untuk merancang sistem keamanan: peristiwa yang didasarkan pada kecelakaan penyisipan reaktivitas positif (RIA ) dan kejadian berdasarkan kehilangan kecelakaan cairan pendingin ( kehilangan cairan pendingin) (LOCA) ). Sistem keamanan dasar telah dirancang khusus untuk merespons peristiwa desain ini.

Tetapi pengalaman kecelakaan seperti Three Mile Island dan PLTN Fukushima-Daiichi membuktikan bahwa dengan beberapa kegagalan dan tumpang tindih peristiwa awal, sistem keselamatan aktif tidak mampu mengatasi fungsi yang ditugaskan kepadanya, khususnya penghilangan panas sisa dari rakitan bahan bakar yang terletak di inti .

Persamaan perpindahan panas dalam bentuknya yang sederhana menjelaskan dengan baik apa yang terjadi di reaktor nuklir selama pengembangan kecelakaan dengan kehilangan heat sink:



Sisi kiri persamaan menggambarkan perubahan suhu ( T ) dari waktu ke waktu ( t ); perubahan ini juga ditentukan oleh kapasitas panas dari material dalam inti ( pSr ). Istilah pertama di sisi kanan dalam kasus umum mewakili, dalam bentuk yang disederhanakan, proses perpindahan panas (konduksi, konveksi, dan radiasi) untuk menghilangkan panas dari inti. Istilah kedua adalah jumlah panas yang dihasilkan dalam inti ( Q ).

Selama peristiwa yang disebutkan di atas, mode pendinginan zona aktif dilanggar, istilah pertama dari sisi kanan menjadi lebih kecil secara numerik dan panas Q secara bertahap menyebabkan peningkatan suhu. Dari saat teras reaktor menjadi sebagian atau seluruhnya terpapar (permukaan air turun, air digantikan oleh uap), efisiensi penghilangan panas dari teras menurun tajam, suhu batang bahan bakar terus meningkat, yang berfungsi sebagai awal degradasi kimia dan fisik batang bahan bakar. Degradasi fisik kelongsong batang bahan bakar dimulai pada suhu (700-1000 ° C) dan menyebabkan kembung dan pecahnya cangkang.

Degradasi kimia diungkapkan terutama melalui oksidasi uap zirkonium. Faktor kuncinya adalah eksoterm dari reaksi ini. Dan tentu saja, produk dari reaksi ini adalah hidrogen peledak. Misalnya, ~ 125 kg zirkonium di setiap rakitan bahan bakar reaktor di bawah tekanan menghasilkan sekitar 820 MJ panas dan lebih dari 2700 mol gas hidrogen bereaksi dengan uap.

Bergantung pada desain reaktor air ringan, sekitar 25-40 ton zirkonium ada di dalam inti, dengan oksidasi lengkap yang menghasilkan sejumlah besar panas, selain dari pelepasan energi residu (paling baik) dari bahan bakar itu sendiri.


Nilai daya termal sistem tergantung pada waktu penutupan reaktor, dengan mempertimbangkan reaksi eksotermik oksidasi zirkonium

Hidrogen yang dihasilkan, pada gilirannya, tidak akan terakumulasi secara damai, dan tanpa operasi yang tepat dari sistem untuk pembuangannya, itu akan menyebabkan ledakan skala besar atau kebakaran, sementara inti dapat melelehkan kapal dan mengambil beton dari kompartemen reaktor.

Konsep bahan bakar tahan kecelakaan

Skenario apokaliptik yang dijelaskan di atas pada dasarnya mengulangi kejadian di pembangkit listrik tenaga nuklir Fukushima pada tahun 2011. Peristiwa ini menyebabkan revisi sejumlah standar keselamatan nuklir, terutama yang terkait dengan desain serius dan di luar kecelakaan dasar desain (dengan pemadaman total instalasi reaktor dan hilangnya pendingin). Secara khusus, berkat kecelakaan ini, persaingan pembangkit listrik tenaga nuklir dengan sumber energi lainnya telah meningkat di banyak wilayah di dunia, yang secara signifikan meningkatkan persyaratan untuk ekonomi pembangkit listrik tenaga nuklir dan keselamatannya (dengan kinerja proyek ekonomi yang sama atau kadang-kadang kehilangan, investor mungkin lebih suka sumber energi non-nuklir).

Faktor ini secara signifikan meningkatkan persyaratan untuk semua elemen produksi listrik di pembangkit listrik tenaga nuklir, terutama bahan bakar nuklir. Dalam dekade saat ini, pekerjaan telah ditingkatkan untuk menciptakan bahan bakar baru secara fundamental yang dapat menahan kecelakaan parah sambil mempertahankan atau meningkatkan kinerja ekonomi dan keselamatan selama operasi normal. Banyak perkembangan semacam ini secara kolektif disebut Accident Tolerant Fuel (ATF) - bahan bakar dengan peningkatan resistensi terhadap kecelakaan.

Filosofi perubahan dalam desain rakitan bahan bakar didasarkan pada penggantian bahan dari komponen utama bahan bakar nuklir, terutama cangkang elemen bahan bakar dan pelet bahan bakar, dengan bahan yang akan lebih tahan terhadap proses yang terjadi pada saat kecelakaan.

Kulit TVEL

Pendekatan utama dalam memilih elemen bahan bakar untuk elemen bahan bakar batang bahan bakar untuk bahan bakar ATF adalah kebutuhan untuk menghilangkan atau mengurangi tingkat reaksi steam-zirconium dan, sebagai konsekuensinya, pelepasan panas tambahan dan hidrogen. Solusi cepat dan jelas adalah dengan menerapkan lapisan pelindung ke permukaan cangkang zirkonium. Lapisan tipis pada cangkang zirkonium harus memiliki efek minimal pada karakteristik fisik termal dan neutron bahan bakar. Para ilmuwan telah menemukan bahwa kromium, aluminium, silikon memiliki ketahanan yang baik terhadap oksidasi uap pada suhu tinggi. Pengotor ini menunjukkan stabilitas dalam media uap suhu tinggi, meskipun faktanya mereka agak dapat bereaksi dengan uap.


Tingkat oksidasi parabola untuk berbagai bahan berpasangan tergantung pada suhu

Seperti dapat dilihat dari grafik, laju oksidasi bahan-bahan ini, yang membentuk dan karenanya dilindungi oleh film oksida mereka, adalah dua urutan besarnya lebih rendah daripada laju oksidasi zirkonium. Penurunan laju oksidasi uap secara langsung mempengaruhi laju panas dan evolusi hidrogen selama LOCA parah di teras reaktor.

Pelapisan cangkang TVEL dengan krom metalik sekarang dianggap sebagai teknologi yang paling menjanjikan untuk pengembangan lebih lanjut. Kelongsong TVEL tanpa menggunakan zirkonium juga dianggap menjanjikan, misalnya bahan FeCrAl dan SiC / SiC.


Pengujian cangkang silikon bahan bakar EnCore (Westinghouse) pada suhu di atas 1300ºC

Sel bahan bakar

Arah terpenting kedua dalam pengembangan bahan bakar ATF adalah pemilihan dan pembenaran bahan matriks bahan bakar, yang akan memiliki konduktivitas termal yang lebih baik dibandingkan dengan keramik klasik. Hal ini, pada gilirannya, membutuhkan penyelesaian sejumlah masalah yang muncul: mencegah reaksi kimia dari shell dan bahan bakar, pembengkakan dan kerusakan pada shell oleh bahan bakar, lokalisasi produk fisi, dll.

Institut Energi Atom Korea Selatan (KAERI) sedang mengerjakan pembuatan tablet elemen mikro (microcell) untuk meningkatkan kapasitas retensi produk fisi dan konduktivitas termal yang lebih baik dibandingkan dengan tablet uranium dioksida konvensional.


Konsep Pil Bahan Bakar Mikro

Gambar tersebut menunjukkan ilustrasi konseptual di mana dapat dilihat bahwa butiran atau butiran UO2 dikelilingi oleh dinding tipis. Tugas utama membuat tablet semacam itu adalah mengurangi output produk fisi dari tablet. Peningkatan kemampuan untuk mempertahankan produk fisi mengurangi retak korosi stres di bagian dalam batang bahan bakar yang disebabkan oleh yodium dan cesium.

Diharapkan hal ini secara positif dapat mempengaruhi kekuatan batang bahan bakar. Juga, struktur elemen mikro akan mencegah fragmentasi besar tablet selama kecelakaan, sehingga memberikan retensi tambahan produk fisi radioaktif.

Konduktivitas termal tablet tersebut dapat ditingkatkan dengan menambahkan bahan dengan koefisien konduktivitas termal yang tinggi, misalnya, menggunakan logam dalam bentuk dinding dari satu elemen.


Struktur elemen jejak khas dengan logam

Perubahan ini akan mengurangi suhu di tengah tablet dalam kondisi operasi normal dan darurat dari elemen bahan bakar.

Untuk memahami bagaimana inovasi di atas diterapkan dalam praktik, saya akan memberikan contoh berikut. Westinghouse menciptakan bahan bakar yang toleran di bawah nama merek EnCore, yang merupakan tablet uranium silisida U3Si2, awalnya tertutup (pada tahap pertama program ini) dalam cangkang yang terbuat dari paduan zirkonium krom Zirlo.

Diharapkan bahwa bahan bakar uranium silisida akan melampaui dioksida tradisional lebih dari 5 kali dalam konduktivitas termal dan ~ 1/5 dalam kepadatan, dan penyerapan neutron oleh shell silikon karbida harus ~ 1/4 kurang dari pada paduan zirkonium.

Karena dua parameter terakhir, perusahaan bermaksud untuk menjaga pengayaan EnCore dalam 5%, yang akan memfasilitasi promosi di pasar. Pada tahun 2018, Westinghouse berencana untuk meluncurkan pilot produksi batang bahan bakar dalam cangkang zirkonium berlapis krom, pada tahun 2019 - untuk mulai menguji mereka sebagai bagian dari rakitan bahan bakar standar di Byron NPP di AS.

Ringkasan

Perubahan yang dijelaskan di atas adalah bagian dari proyek aktual yang sedang dilaksanakan sekarang. Mungkin di masa depan kita akan menyaksikan pengenalan solusi yang lebih eksotis .

Sejauh ini, hanya perlu dicatat bahwa penampilan di pasar yang layak secara ekonomi dan baru, dari sudut pandang keselamatan, proyek bahan bakar nuklir akan membantu memperkuat posisi energi nuklir di dunia.

Penulis: Yatsenko Mikhail.

Sumber:

1. Kurt A. Terrani "Pengembangan kelongsong bahan bakar yang tahan kecelakaan: Janji, status, dan
   tantangan ";
2. IAEA-TECDOC-1797 "Konsep Bahan Bakar Toleransi Kecelakaan
   untuk Reaktor Air Ringan ";
3. Bahan jurnal "Ahli Atom" No. 3, Mei 2018.