Splijtstof Kruip:
een introductie
Splijtstof Kruip, ofwel fuel creep is de blijvende vervorming van splijtstof onder belasting. Het is een belangrijke parameter om de veiligheid van een splijtstof te bepalen. Het verlaagt namelijk de spanningen in de cladding van de splijtstof in kernreactoren. NRG heeft een nieuwe methode ontwikkeld om het kruipgedrag met zeer hoge nauwkeurigheid te meten tijdens bestraling.
Fuel Rod assembly
Splijtstof voor kernreactoren bestaat uit kleine pellets die gemaakt zijn van uranium oxide, soms gemengd met plutonium oxide. Dit is de brandstof van de reactor. Om deze pellets bij elkaar te houden worden ze in lange buizen, die cladding worden genoemd, gestapeld om een splijtstofstaaf te vormen. Een aantal van deze staven wordt bij elkaar geplaatst om een ‘assembly’ te vormen. De uiteindelijke kern van een kernreactor bestaat uit een groot aantal van deze assemblies die bij elkaar zijn geplaatst.
De cladding is de eerste barrier tussen de splijtstof en het koelwater. Het is daarom belangrijk om de interactie tussen de pellets en de cladding goed te begrijpen.
Waarom Splijtstof Kruip meten?
Kruip speelt een belangrijke rol in het veilheidsgedrag van de splijtstof. De kracht die de pellets op de cladding uitoefenen wordt gelijkmatiger verdeeld als er kruip optreedt. Als de kruipsnelheid onbekend is of een grote onzekerheid heeft moeten uit risico overwegingen grotere veiligheidsmarges aangehouden worden. Dit leidt tot lagere efficiëntie of over-dimensionering en werkt kosten verhogend.
Als nieuwe claddings ontwikkeld worden is het ook voor deze materialen belangrijk om alle materiaaleigenschappen te kennen. De (kruip)techniek die bij NRG ontwikkeld is, is geschikt voor zowel splijtstof als voor claddingmaterialen.
Ontwerp
uitdagingen
De hoeveelheid kruip hangt af van de temperatuur en de druk die het materiaal krijgt te verduren. Om goede data te krijgen, moeten alle parameters zeer goed bekend zijn.
Door de grote vermogens in splijtstof kunnen binnen een enkele splijtstof pellet wel temperatuurverschillen van meer dan 1000 ºC ontstaan. Als vervolgens de kruip gemeten wordt over de gehele pellet geeft dat een zeer grote onnauwkeurigheid in de uitkomsten van de meting. Door de pellets klein te houden worden de temperatuurverschillen over de pellets kleiner en de metingen dus nauwkeuriger. Echter kleine pellets betekent wel dat de hoeveelheid kruip ook kleiner wordt en lastiger meetbaar.
De bij NRG ontwikkelde techniek werkt op basis van capaciteit tussen twee platen. Omdat deze techniek zeer gevoelig is voor de afstand, is het een zeer goede techniek om de dimensieverandering van de pellets te meten.
Een innovatieve techniek
De techniek om kruipgedrag van materialen met capaciteitsmetingen te meten is innovatief, en volledig bij NRG ontwikkeld. In de eerste fase is het meetsysteem getest onder laboratoriumomstandigheden en verder ontwikkeld. In de tweede fase zijn er tests uitgevoerd tijdens bestraling in de reactor.
Na deze succesvolle testen is de opstelling verder aangepast om de kruip van echte splijtstof te meten tijdens bestraling. In 2020 is de eerste bestraling gestart, in samenwerking met Europese partners in het programma INSPYRE.
Hoge Temperatuur
Reactor
Hoge temperatuur reactoren worden op dit moment op meerdere plaatsen in de wereld ontwikkeld en gebouwd. Deze reactoren gebruiken compleet nieuwe vormen van splijtstof vergeleken met de standaard watergekoelde reactoren. De splijtstof bestaat uit kleine bolletjes kleiner dan een millimeter die gecoat zijn met verschillende laagjes. Deze bolletjes worden TRISO (tristructural isotropic) deeltjes genoemd. Een paar duizend van deze deeltjes worden in een grafieten bol of staafje geperst wat het uiteindelijke splijtstofelement maakt. De kern van een HTR bestaat uit een paar honderdduizend van deze ballen. Deze reactor wordt daarom ook wel de ‘ballenbak’ reactor genoemd (Engels: Pebble Bed Reactor)
NRG heeft lange ervaring in het testen en kwalificeren van deze splijtstof. De splijtstof van INET, de meest recente HTR die momenteel in China wordt gebouwd is gekwalificeerd in de HFR.
Zircaloy
Zircaloy is het meest gebruikte materiaal voor de omhulling van de splijtstof in lichtwater reactoren, het zogenaamde ‘cladding’ materiaal. De cladding is de eerste barrière tussen de splijtstof en het koelwater. Het is daarom essentieel om het gedrag hiervan de begrijpen.
NRG beschikt over verschillende technieken om de eigenschappen van dit materiaal te testen zowel in het lab als tijdens de bestraling.
Meer weten over
Bestralingsdiensten?
We helpen je graag.
