Examensarbete 30 hp Juni 2015 Evaluation of the dimensional stability in the PWR assemblies in Ringhals Joakim Nordlander
Abstract Evaluation of the dimensional stability in the PWR assemblies in Ringhals Joakim Nordlander Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box 536 751 21 Uppsala Telefon: 018 471 30 03 Telefax: 018 471 30 00 Hemsida: http://www.teknat.uu.se/student Dimensional stability is an important aspect of fuel mechanical design and licensing of new fuel designs for nuclear power plants. Dimensional changes within the reactor can affect the safety margins against overheating of the cladding and the pellets, therefore it is crucial that the dimensional changes are kept to a minimum. The profits per produced kilowatt hour continue to decrease for the Swedish nuclear power plants. Some reactors are even operated with a calculated loss. To reduce fuel costs and thereby improve the profit some reactors are operated with higher uranium enrichment, so that the assemblies can reach a higher average burnup. This increases the neutron fluence to the pellets, cladding an spacers. Fluence is the parameter that most strongly affects dimensional changes within the reactor. This master thesis was carried out at Vattenfall Nuclear Fuel in Solna during 2015. The purpose of this study is to evaluate the different dimensional changes in the fuel designs operating in Ringhals 2,3 and 4. The gained results may improve possibilities to verify if fuel assemblies with observed rod bow are safe for continued operation. Inspection videos called visual inspections and 4-camera videos are captured each year in each of the three reactors. From these videos the distance to the top- and bottom plate was measured as well as the magnitude of the rod bow. The results show that Ringhals 2 fuel designs R2L2b and R2L1 make it possible for rod growth through the uppermost grid. This has been achieved by lesser grid spring force and at the present burnup no severe rod bow is observed for either of the fuel designs. In Ringhals 3 and 4 the fuel designs R34L1 and R34L2 show similar trends in rod growth and have the same magnitude of rod bow though it appears in different spans in the assembly. A comparison of the major rod-to-rod gaps and the adjacent rods axial growth has led to the conclusion that rod bow is driven by manufacturing differences within the rods and spacers. Handledare: Bertil Josefsson Ämnesgranskare: Peter Jansson Examinator: Petra Jönsson ISSN: 1650-8300, UPTEC ES15 022
Populärvetenskaplig sammanfattning Dimensionsförändringar i reaktorhärden påverkar driftbegränsningar som krav på termiska marginaler och maximal längdvärmebelastning. I värsta fall kan även säkerhetsmarginaler påverkas så som inskjutning av styrstavar i reaktorhärden. Om inte alla driftkrav är uppfyllda vid revision kan det innebära att ett bränsleknippe måste skickas till slutförvar trots att det finns brännbart material kvar som annars hade använts under driften. De fortsatt fallande elpriset leder till att de ekonomiska marginalerna per producerad kilowattimme minskar för kärnkraften. För att förbättra ekonomin höjs successivt anrikningen av U-235 i bränslet. Högre anrikning gör att varje bränsleknippe kan producera mer energi innan det måste skickas till slutförvar. Ett större energiuttag ur bränslet leder till att fluensen ökar. Fluensen, neutronstrålningen per ytenhet, är den parameter som kraftigast påverkar dimensionella förändringar i reaktorhärden. Stavböjning är ett resultat av dimensionsförändringar i reaktorhärden och är medräknat i bränslets beteende under drift. Bränslet är dock inte konstruerat för att klara den kraftiga stavböjning som upptäcktes i Ringhals 2 bränsleknippe AH02. På randen i detta bränsleknippe hade två angränsande stavar kontakt med varandra och ett spegelvis oxidutseende hade uppträtt i kontaktpunkten. Resultaten från en undersökning utförd av Studsvik visade att kapslingen hade oxiderats minst 40 gånger snabbare i kontaktpunkten. Syftet med detta arbete är att ge förbättrade möjligheter till verifiering av fortsatt säker drift trots stavböjning i bränslet samt undersöka den dimensionella stabiliteten och baserat på detta verifiera/prediktera bränslets beteende under drift till full utbränning. Utgångspunkten har varit visuella inspektionsvideor som framställs vid varje revision. Från inspektionsunderlaget har stavböjning och axiell tillväxt analyserats. Resultaten från Ringhals 2 visar att bränslesortena R2L1 och R2L2b har möjliggjort stavlängdtillväxt genom toppspridaren då spridar- samt spridarfjädermaterialet modifierats. Stavböjningen är relativt liten för dessa bränsletyper dock har de fortfarande en låg utbränning. AREVAS tidigare bränsletyp R2L2a visar att bränslestavarna sitter helt fast i toppspridaren och längdtillväxt är bara möjlig nedåt i knippet vilket även leder till en genomsnittligt högre stavböjning hos randstavarna på knippen av denna typ. I Ringhals 3 och 4 har bränsletyperna R34L1 och R34L2 liknande trender i axiell stavlängdtillväxt. ii
Fjädrarna i spridarna hos R34L2 klarar inte av att hålla kvar bränslestavarna vilket gör att samtliga bränslestavar glider ned i knippet under den tredje cykeln. Unikt för samtliga bränslen i Ringhals 3 och 4 är att bränslestavarna krymper något under den sista cykeln. Ett bränsleknippes utbränning anges som ett medelvärde för alla stavar vilket innebär att utbränningen varierar för de olika sidorna av knippet. Samma sida på ett knippe har dock liknande driftförhållande samt lik utbränning. Genom att jämföra den kraftigaste stavböjningen mot de angränsande stavarnas axiella längdförändring på samma sida konstateras att stavböjning är drivet av två huvudprocesser. Tillverkningsolikheter kopplade till kuts, kapsling och bränslestav avgör den axiella längdtillväxten hos bränslestavarna. Tillverkningsolikheter i spridare och spridarfjädrar skapar risken för att bränslestavarna ska fastna i spridarna och därför böja som ett resultat av den kontinuerliga axiella tillväxten. iii
Executive summary Dimensional stability is a central area within the mechanical design and licensing of new fuel types. Rod bow is a result of dimensional changes within the reactor and a minor rod bow are accounted for within the safety limits. Severe rod bow in Ringhals 2 assembly AH02 led to a gap closure of 100 %. The results from the HCL-246 studies in Studsvik showed a rapid increase in oxidation by 40 times in the contact area. In this project the rod bow and rod growth of Ringhals 2, 3 and 4 has been quantified using the visual inspection videos captured during the annually revisions as a source material. The results shows that R2L2b and R2L1 assemblies has made it possible for rod growth through the upper grid. This has been achieved by lesser grid spring force and at the present burnup no severe rod bow is visible for either fuel type. In Ringhals 3 and 4 the fuel types R34L1 and R34L2 shows a similar trend in rod growth and has the same magnitude of rod bow though it shows in different spans in the assembly. A comparison of the major gaps and the adjacent rods axial growth has led to the conclusion that rod bow is driven by two main groups of processes. The manufacturing differences in the pellet, cladding and the fuel rod gives rise to the rods axial growth. And the manufacturing differences within the grid and the grid springs generate the risk for the rods to get stuck within the grids and therefore bow. iv
Förord Detta examensarbete har utförts hos Vattenfall Nuclear Fuel AB i Solna för dess kund Ringhals AB. Examensarbetet omfattar 30 högskolepoäng och sträcker sig över 20 veckor. Arbetet är sista steget i min utbildning till Civilingenjör i energisystem vid Uppsala Universitet och Sveriges Lantbruksuniversitet. Jag skulle vilja rikta ett stort tack till alla på Vattenfall Nuclear Fuel för den hjälp jag fått samt möjlighet att följa med på besök och möten utanför kontoret. Jag vill rikta ett extra tack till min handledare Bertil Josefsson som väglett mig genom arbetets gång och David Schrire som varit mitt bollplank för detaljfrågor. Jag vill även tacka Peter Jansson som varit min ämnesgranskare på Uppsala Universitet och min examinator Petra Jönsson. Uppsala, Juni 2015 Joakim Nordlander v
Innehåll 0.1 Ordförklaringar och förkortningar....................... 1 1 Inledning 2 1.1 Bakgrund.................................... 2 1.2 Stavböjning: säkerhet och ekonomi...................... 3 1.3 Syfte och målsättning.............................. 6 1.4 Ringhals 2, 3 och 4............................... 6 1.5 Material i bränsleknippet............................ 8 1.6 Driftkriterier som påverkas av stavböjning.................. 10 1.7 Avgränsningar.................................. 11 2 Metod och Teori 12 2.1 Inspektionsunderlag............................... 12 2.2 Gapstängningsgrad............................... 15 2.3 Gapstängning i randen jämfört mot i knippet................ 15 2.4 Faktorer som påverkar bränslestaven innan drift............... 15 2.5 Faktorer som påverkar bränslestaven under drift............... 16 2.6 Korrigeringsfaktor kallt till varmt tillstånd.................. 20 3 Analys, resultat och slutsats 21 3.1 Fördelning av gapstängningen......................... 22 3.2 Ringhals 2.................................... 22 3.3 Ringhals 3, 4.................................. 28 3.4 Sammanfattande slutsatser........................... 37 4 Diskussion och vidare arbete 38 5 Litteraturförteckning 40 vi
Figurer 1.1 Fördelning över ökningen av producerad energi från kärnkraft år 1990[9].. 4 1.2 Genomsnittlig utbränning hos PWR, BWR åren 1970-2005[7]........ 5 1.3 Bränsleknippen av typ 17x17 och 15x15 från Westinghouse där 1, 2 och 3 representerar första, andra respektive tredje spannet där böjning är aktuell.[16]. 8 1.4 Designkriterier för att begränsa utsläpp av radioaktiva ämnen till närmiljön. DNB och LHGR är de kriterier som först påverkas av stavböjning[12].... 10 2.1 Stillbild tagen från visuell inspektions film, kvalité 2............. 13 2.2 Stillbild tagen från 4-kamerasystemets inspektionsfilmer, kvalité 3...... 13 2.3 Stillbild tagen från 4-kamerasystemets inspektionsfilmer, kvalité 4...... 13 2.4 Överblicks bild över hur mätningarna utförts med mjukvaran FastStone Captures mätverktyg Screen Ruler......................... 14 2.5 Fissionsprocessen som genom klyvning av U-235 lämnar två fissionsprodukter efter sig [18].................................. 17 2.6 Spridarceller där bränslestaven fasthålles av fjädrar(1) som sammanbinds av spridaren(2) [17]................................. 19 2.7 Relaxation av spridarfjädrar, Toppspridaren är tillverkad av Inconel och övriga spridare är tillverkade av en zirkoniumlegering. Materialskillnaden samt skillnader i fluens ger upphov till olika relaxationshastigheter[1].... 19 3.1 Fördelningen över gapstängningen. De blå staplarna visar hur många observationer som gjorts av varje gapstängningsgrad. Den orangea kurvan illustrerar en normalfördelning för vilka mätningarna faller in under...... 22 3.2 Den axiella längdförändringen per utbränning för bränsleknippen av typ R2L2a i Ringhals 2. Namnen (AL, AM, AN, AP och AR) representerar bränsle från olika cykler............................. 23 vii
3.3 Den axiella längdförändringen per utbränning för bränsleknippen av typ R2L2b i Ringhals 2. En oförändrad tillväxtkvot betyder att längdtillväxten är kontinuerlig som den bör vara om inte bränslestavarna sitter fast..... 24 3.4 Den axiella längdförändringen per utbränning för bränsleknippen av typ R2L1 i Ringhals 2. En oförändrad tillväxtkvot betyder att längdtillväxten är kontinuerlig som den bör vara om inte bränslestavarna sitter fast. Namnen (AR, AS och AT) representerar bränsle från olika cykler........... 24 3.5 Medelavstånd från bränslestavarnas topp till topplattan för R2L2a, R2L2b och R2L1 i Ringhals 2. R2L2b och R2L1 har möjlighet att växa uppåt genom toppspridaren................................... 25 3.6 Medelavstånd från bränslestavarnas botten till bottenplattan för R2L2a, R2L2b och R2L1 i Ringhals 2. Samtliga bränsletyper har en stavtillväxt genom bottenspridaren.............................. 26 3.7 Bränslestavsförlängning för R2L2a, R2L2b och R2L1 i Ringhals 2. R2L2b växer lite kraftigare än R2L2a eftersom bränslestavarna kan växa genom toppspridaren.................................. 26 3.8 Den axiella längdförändringen per utbränning för bränsleknippen av typ R34L2 knippen i Ringhals 3. Namnen (AF och AG) representerar bränsle från olika cykler................................. 28 3.9 Den axiella längdförändringen per utbränning för bränsleknippen av typ R34L1 knippen i Ringhals 3. Namnen (AG, AH, AK och AL) representerar bränsle från olika cykler........................... 29 3.10 Den axiella längdförändringen per utbränning för bränsleknippen av typ R34L2 knippen i Ringhals 4. Namnen (AE, AF, AG och AH) representerar bränsle från olika cykler........................... 29 3.11 Den axiella längdförändringen per utbränning för bränsleknippen av typ R34L1 knippen i Ringhals 4.Namnen (AK och AL) representerar bränsle från olika cykler................................. 30 3.12 Medelavstånd från bränslestavarnas topp till topplattan för R34L2 och R34L1 i Ringhals 3 och 4.Samtliga bränslestavar glider ned i knippet under den tredje cykeln vilket gör att avståndet till topplattan ökar mellan 20-35 MWd/KgU i utbränning................................... 30 3.13 Medelavstånd från bränslestavarnas botten till bottenplattan för R34L2 och R34L1 i Ringhals 3 och 4. Vid ca 35 MWd/KgU i utbränning har nästan samtliga stavar träffat bottenplattan...................... 31 viii
3.14 Bränslestavarnas totala längd för R34L2 och R34L1 i Ringhals 3 och 4. Bränslestavarna har en tillväxt under de första fyra cyklerna och under den sista sker istället en förminskning av bränslestavarna............. 31 3.15 Radiell förändring av bränslestavens yttre diameter vid höjden av spridare 1 där det är en något lägre fluens jämfört med spridare 4 [1]......... 32 3.16 Studie över längdtillväxten hos bränslestavar med M5 kapsling[20]...... 33 3.17 Namngivningsschema för randstavar i Ringhals 3 och 4. För Ringhals 2 som har 15x15 bränsle förkortas schemat med två rader (A-O och 1-15)..... 34 3.18 Gapstängningsutveckling för R34L2 och R34L1 i Ringhals 3 och 4...... 35 3.19 Längdtillväxt hos stavar angränsande till största stavböjningen för R34L2 och R34L1 i Ringhals 3 och 4.......................... 36 ix
1 0.1 Ordförklaringar och förkortningar Fortsättningsvis i denna rapport kommer följande termer och förkortningar att användas. ALARA - As Low As Reasonably Achievable. Det betyder att utsläpp ska minimeras till vad som anses acceptabelt ur en praktisk och ekonomisk synvinkel. BOL - Beginning of life, syftar till att bränslet är färskt DNBR - Departure from nucleate boiling ratio, ett driftkriterie för att förhindra kokning vid bränslet i en tryckvattenreaktor (PWR). ECCS - Emergency core cooling systems. Säkerhetssystem som är designade för att säkert kunna stänga av reaktorn under allvarligare olyckor. EFPD - Effective Full Power Days. Ett mått på hur många dygn ett bränsle producerar full effekt innan det är dags för revision. EOL - End of life, syftar till att bränslet är slututbränt. Gap - Distansen mellan två bränslestavars intilliggande sidor. Gapet mäts på randen av bränsleknippet, se figur 2.4 LHGR - Linear heat generation rate, ett mått på värmeutvecklingen per stavlängd som har en associerad begränsning under drift. PWR - Pressurized water reactor, tryckvattenreaktor RIA - Reactivity induced accident. Kriteriet tar hänsyn till kraftiga reaktivitetsökningar som exempelvis bortfall av styrstavar. Sida - En sida av bränsleknippet anges med 1-4 A-D eller med 0,90,270,360 grader beroende på bränsletillverkare. I denna rapport används A,B,C,D oberoende vilken tillverkaren av bränslet är. Spann - Området som en bränslestav spänner upp mellan två spridare. Numreringen av spann börjar i botten av knippet, span nummer ett är avståndet mellan spridare ett och två. Utbränning - En måttenhet för energiuttaget ur ett bränsle. Enheten är (MWd/kgU) och står för hur många MW dygn som producerats per kilo Uran-235. Om inget annat anges är utbränningen angiven som knippets genomsnittliga utbränning.
Kapitel 1 Inledning 1.1 Bakgrund Dimensionell stabilitet, att ett material vidhåller sin ursprungliga design trots förändringar i temperatur och neutronstrålning, är centralt inom mekanisk design och licensering för nya bränslen inom kärnkraften. Om ett material påvisar dimensionella förändringar under drift påverkar det bland annat termiska marginaler och begränsningar av maximal längdvärmebelastning. I extremfall kan det även påverka säkerheten om styrstavarna skulle få en förlängd införingstid[1]. Om inte alla driftkrav är uppfyllda vid revision kan det medföra att ett bränsleknippe inte får återladdas. En sådan situation skulle medföra stora ekonomiska förluster, därför är dimensionell stabilitet viktig även ur ett ekonomiskt perspektiv. I Ringhals reaktor 2 observerades knippesböjning för första gången år 2000. Från detta tillfälle har knippesböjnigen studerats och delvis åtgärdas med hjälp av bränsleleverantörerna AREVA och Westinghouse[1]. En annan aspekt av den dimensionella stabiliteten är hur de individuella bränslestavarna böjer och växer. Resultaten från HCL-246-undersöknigar i Studsvik av en bränslestav från patron AH02 i Ringhals 2 visade att den oxiderats 40 gånger snabbare än förväntat i ett lokalt område[24]. Knippe AH02 var av bränsletyp AFA 3G som vid inspektion uppvisade kraftig stavböjning. Den höga oxidationstakten uppstod i ett område där gapstängningen var 100 %, två angränsande stavar hade kontakt med varandra. 2
KAPITEL 1. INLEDNING 3 1.2 Stavböjning: säkerhet och ekonomi 1.2.1 Säkerhet Kapslingsmaterial till bränslestavar är en viktig barriär som ska skydda mot utsläpp av radioaktivt material, därför är det av största vikt att denna barriär vidhålls intakt. Bränsleskador leder till en försämring av barriären och om kapslingen havererar kan radioaktivt material läcka till platser som inte är avsedda för strålning. Detta påverkar material men kan även ge arbetare vid kärnkraftverken en högre stråldos. Vidare kan det leda till att radioaktivt material läcker ut till omgivningen då bränslets ska transporteras till slutförvar. Det är av stor vikt att bränslets egenskaper motverkar utsläpp av radioaktivt material och följer ALARA. Bränsleskador påverkar reaktorn men kan även påverka allmänhetens inställning till kärnkraft. Kärnbränslet ska klara normala driftförhållanden utan att skador eller säkerhetsrisker uppstår. Det ska även klara transienter och eventuella olyckor som kan uppstå under driften utan att frigöra radioaktiva ämnen till miljön. För att detta ska kunna uppnås genomgår alla bränslen en noggrann licenceringsprocess. Processen fastställer om bränslet klarar av normal drift och transiter i den normala driften. Processen ser även till att bränslets design och tillverkning är utförda med hög standard och att alla egenskaper bränslet utger sig för att ha, har fastställts i en experimentell miljö innan det laddas in i reaktorn. På slutet av 1960 och början på 1970 talet utfördes många experiment för att ta reda på och undersöka hur en reaktor och dess bränsle påverkades under olika transienter och olyckor. Det var under denna tid som många säkerhetskriterier fastställdes samt hur reaktorn fick köras för att de radioaktiva utsläppen till miljön skulle vara ALARA [6]. Målsättningen under experimenten var att kapslingen till bränslet skulle vara intakt under normal drift, och vid allvarliga olyckor skulle kapslingen vara tillräckligt intakt för att systemets övriga säkerhetsbarriärer kunde skydda mot radioaktivt utsläpp. 1.2.2 Ekonomi Det som styr om en energikälla går att använda kommersiellt är dess pris per producerad kilowattimme jämfört med andra energikällor. Kärnkraftens största kostnader kommer från byggnationen, istället har kärnkraft en lägre driftkostnad. Av denna anledning finns det starka ekonomiska initiativ att maximera antal drifttimmar. Den genomsnittliga tillgängligheten, antalet drifttimmar för ett år jämfört med årets sammanlagda timmar,
KAPITEL 1. INLEDNING 4 för världens reaktorer har ökat från 71 % till 83 % mellan åren 1990 till 2004. Under samma period har kraftproduktionen från världens reaktorer ökat från 1901 TWh/år till 2619 TWh/år. Ökningarna är fördelade enligt figur 1.1. Effektökningar 7% Ökad tillgänglighet 67% Nybyggda reaktorer 35% Figur 1.1: Fördelning över ökningen av producerad energi från kärnkraft år 1990[9]. Ökningarnas fördelning kommer från att det är betydligt billigare att öka tillgängligheten och effekthöja reaktorer jämfört med att projektera och konstruera nya [9]. Det har gjort att den nya standarden för PWR är 700 EFPD och BWR är 500 EFPD [8]. I Sverige har vi 12 månaderscykler vilket gör att driftlängden är ungefär den halva jämfört med den optimala sett ur ett ekonomiskt perspektiv. Det finns även ett stort incitament till att minimera mängden avfall som produceras dels för att hantering och slutförvar har höga kostnader och dels för att det finns en begränsad avställningsplats på kärnkraftverken. Bränslekostnaden står för en relativt liten del av den totala kostnaden för att producera en kwh i ett kärnkraftverk. Trots detta är bränslet en dyr produkt och det finns en direkt ekonomisk vinning av att minska bränslekostnaden. Genom att öka energiuttaget från ett bränsleknippe följer både kostnader och besparingar. Besparingarna kommer från minskade produktions- och avfallskostnader då färre knippen måste produceras. Kostnaderna kommer från ökad anrikning och hantering av högutbränt avfall. Trenden har varit att kontinuerligt öka anrikningen hos bränslet och därigenom erhålla en högre utbränning innan slutförvaring, se figur 1.2. I Sverige har kärnkraftverken framfört önskemål till Svensk Kärnbränslehantering (SKB) om att kunna höja anrikningshalten till 5 % U 235. I dagsläget finns det en begränsning på 4,6 % och bränsle som har en anrikning över 4,2 % måste följa särskilda anvisningar på CLAB (centralt mellanlager för använt kärnbränsle). Förfrågan utreds av SKB och önskemålet om anrikning på upp till 5 % väntas införas inom den
Utbränning MWd/KgU KAPITEL 1. INLEDNING 5 närmsta tiden[10]. Den övre gränsen för utbränning förväntas vara ca 60 MWd/kgU då en högre utbränning kräver en anrikning över 5 %, vilket är den internationellt godkända gränsen idag. Vidare leder tekniska svårigheter till att det i dagsläget inte är ekonomiskt fördelaktigt att höja anrikningen över 5% [11]. Genomsnittlig Utbränning 50 45 BWR 40 35 PWR 30 25 20 15 10 5 0 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 ÅR Figur 1.2: Genomsnittlig utbränning hos PWR, BWR åren 1970-2005[7]. Förlorad kraftproduktion Om bränsleskadorna är tillräckligt omfattande kan det krävas ett avbrott mitt i den ordinarie cykeln för inspektion av skadan. I PWR tar det ca 3 dagar från avstängning till kallt tillstånd vilket innebär att locket på reaktorn kan lyftas av och visuell inspektion blir möjlig. Bränsleskador kan även försvåra urladdningsprocessen vid den planerade revisionen vilket leder till förseningar och längre revisionstider. Kostader under drift Misstänkt felande bränsle som måste inspekteras kräver att reaktorn stängts av och berört knippe lastats ur till en inspektionsbassäng. Om bränslet visar sig vara felande är reparation en kostsam process som ofta leder till att berört bränsle istället byts ut. I detta hänseende är Ringhals unikt då de kan utföra reparationer på plats istället för att behöva skicka knippet till berörd leverantör för reparation. Om knippet har för omfattande eller komplicerade skador att det inte är ekonomiskt gångbart eller tekniskt möjligt att reparera
KAPITEL 1. INLEDNING 6 kasseras knippet. Ersättning av ett eller flera knippen leder till att en ny härddesign måste genomföras och kan trots det leda till optimeringsförluster. Delutbränt bränsle kan även kräva speciella transport- och slutförvaringsförhållanden. Ökade driftkostnader p.g.a. sanering av kontaminering Den huvudsakliga dosen som arbetare erhåller kommer från den dagliga driften. Bränsleskador som är tillräckligt omfattande kan dock bidra till en ökad sammanlagd dos. Den ökade dosen kommer främst från de gaser som frigörs om det uppstår sprickor i kapslingsmaterialet. Det finns också en risk för alfa kontaminering om bränsleskadan är så omfattande att bränsle läcker ut i kylvattnet. Kontamineringen är något begränsad i PWR då reaktorn har två separata kretsar, en för kylning och en för kraftgenerering. Om den ökade strålnivån är oacceptabelt hög kan det leda till ett avbrott i cykeln för kall avställning och sanering. Högaktivt bränsle som saneras ut ur kylvattnet kräver en omfattande kylning under avfallshanteringen. Filter och behållare som hanterar avfallet kräver en extra kylning vilket ytterligare ökar kostnaderna. 1.3 Syfte och målsättning Målsättning med arbetet är att genomföra en undersökning av den dimensionella stabiliteten och baserat på detta verifiera bränslets beteende under drift till full utbränning. Arbetet skall även prediktera ej slutbränt bränsles framtida beteende. Analysen ska ta hänseende till driftförhållanden, bränslekonstruktion/typ och termohydrauliska/termomekaniska egenskaper och förhållanden. Syftet med arbetet är att driften hos reaktorerna Ringhals 2,3 och 4 skall säkerställas trots stavböjning i bränslet. Genom att säkerställa driften undviks överdrivna tilläggsmarginaler och att produktionsdugligt (icke slututbränt) bränsle inte får användas p.g.a. osäkerheterna kring utvecklingen av stavböjning i bränslet. 1.4 Ringhals 2, 3 och 4 Ringhals 2 är en av Ringhals AB:s tre tryckvattenreaktorer. Den togs i kommersiell drift 1975 och hade då en termisk effekt på 2440 MW. 14 år senare moderniserades reaktorn med bland annat nya ånggeneratorer och samtidigt effekthöjdes reaktorn till 2660 MW.
KAPITEL 1. INLEDNING 7 Ringhals AB:s resterande tryckvattenreaktorer är Ringhals 3 och 4. Reaktorerna är tvillingreaktorer vilket innebär att de vid byggnationen är mycket lika såväl kärntekniskt som till utseende. Ringhals 3 togs i kommersiell drift 1981 och hade då en termisk effekt på 2783 MW. Ånggeneratorerna drogs med problem från starten vilket ledde till att de byttes ut till modernare konstruktion år 1995. Samtidigt genomfördes effekthöjningar och den nya termiska effekten är på 3144 MW. Ringhals 4 togs i kommersiell drift år 1983. Efter erfarenheterna från Ringhals 3 ånggeneratorer valde man att bygga om dessa innan start hos Ringhals 4. Ringhals 4 ånggeneratorer gav problem trots ombyggnader men utifrån erfarenheter från Ringhals 2 och 3 kunde vattenkemin styras bättre. År 2011 byttes till slut ånggeneratorerna på grund av korrosion och sprickbildning. Ringhals 4 har fortfarande samma termiska effekt som vid driftstarten av reaktorn. Den 2 februari 2015 lämnade Strålsäkerhetsmyndigheten godkännande av att effekthöja Ringhals 4 termiska effekt till 3300 MW från nuvarande 2783 MW. 1.4.1 Bränsledesign Ringhals 2 Bränsledata har samlats in från tre olika bränsledesigner. Upgrade levereras av Westinghouse och Agora 5A och Improved Agora levereras av AREVA. Båda typerna har en kvadratisk sida som är 213 mm. Bränslestavarna är sammanbundna med 7 spridare och 3 blandningsspridare. Spridarnas syfte är att hålla fast bränslestavarna via spridarfjädrarna. Blandningsspridarna är till för att skapa ett turbulent flöde för kylmedlet i reaktorn. Turbulent flöde skapar en effektivare och jämnare effektöverföring från kapsling till kylmedel. Spridarna är svetsade i bränsleskelettet som består av topplatta och bottenplatta som förbinds med 20 skelettrör och ett instrumentrör. Bränslena från AREVA har en distans mellan bränslestavar och bottenplatta. För Westinghouse upgrade står bränslestavarna direkt på bottenplattan. Bränslena som sitter i Ringhals 2 är av typ 15x15, se figur 1.3. 1.4.2 Bränsledesign Ringhals 3 och 4 För Ringhals 3 och 4 är det två typer av bränslen som undersökts. RFA-2 levereras av Westinghouse och HTP-monobloc levereras av AREVA. Båda bränsletyperna har en kvadratisk
KAPITEL 1. INLEDNING 8 Figur 1.3: Bränsleknippen av typ 17x17 och 15x15 från Westinghouse där 1, 2 och 3 representerar första, andra respektive tredje spannet där böjning är aktuell.[16]. sida som är 214 mm. Bränslestavarna sitter fast via spridarfjädrar i 8 spridare och 3 blandningsspridare, RFA-2 har även en extra spridare i botten av knippet som kallas p-spridare. Spridarna är i sin tur svetsade i bränsleskelettet som består av en topplatta och en bottenplatta som förbinds med 24 skelettrör och ett instrumentrör. I RFA-2 bränslet står bränslestavarna direkt på bottenplattan. I HTP-monobloc finns det istället en distans mellan bränslestav och bottenplatta. Bränslena som sitter i Ringhals 3 och 4 är av typ 17x17, se figur 1.3. 1.5 Material i bränsleknippet Materialen som används i bränsleknippena skiljer sig lite mellan de två leverantörerna Westinghouse och AREVA. Gemensamt för bränslesorterna är att rostfritt stål används till delar som är utanför den aktiva delen av bränslet exempelvis topplattan och bottenplattan. Till delar som behöver vidhålla en hög robusthet används metallegeringen Inconel. Den nedersta spridaren och ibland den översta är tillverkad av denna legering. För att kunna upprätthålla en god neutronekonomi i reaktorn är majoriteten av materialet hos bränsleknippena tillverkade av en zirkoniumlegering. AREVA har tagit fram sin egen legering som heter M5. Wesinghouse legering kallas ZIRLO. Legeringarna används för resterande spridare samt till kapslingsmaterialet hos bränslestavarna.
KAPITEL 1. INLEDNING 9 M5 M5 är en zirkoniumlegering som innehåller Niob, Syre, Järn och Svavel. Legeringen har inga tillsatser av tenn vilket gör den motståndskraftig mot oxidation. Oxiden som bildas är tunn vilket förhindrar att den flagnar av och lämnar en ny yta öppen för oxidering. Sammansättningen i legeringen har gjort att den har ett mycket lågt väteupptag vilket bidrar till en låg oxidation och stärker den homogena kristallstrukturen som materialet tillverkas i. Saknaden av tenn i legeringen leder till att materialet blir lite mjukare och påverkas lättare av drag och tryckspänningar. [22] ZIRLO Zirkoniumlegeringen består av Niob, Syre, Järn och Tenn. Tillsatsen av tenn gör att materialet har förbättrade motståndskrafter mot drag och tryckspänningar. Teoretiskt ska materialet påvisa mindre förändringar av de ökande spänningar som uppstår då kuts och kapsling har kontakt. Legeringen är motståndskraftig mot oxidation dock inte lika goda egenskaper som M5. Legeringen har även ett visst väteupptag. [23]
KAPITEL 1. INLEDNING 10 1.6 Driftkriterier som påverkas av stavböjning För att begränsa utsläpp av radioaktiva produkter till närmiljön finns det en mängd kriterier som måste vara uppfyllda. Bränslets dimensionella förändringar påverkar främst två av dessa kriterier i grenen driftbegränsningar, se figur 1.4. Strålningsskydd Gräns: 0,3 msv Gräns: 1 msv Gräns: 100 msv Inga bränsleskador Begränsade bränsleskador Härdkylning Driftbegränsningar DNB, LHGR Drift/ designbegränsningar Ex. ECCS Designbegränsningar ECCS, RIA Designkriterier för bränsle och härd Figur 1.4: Designkriterier för att begränsa utsläpp av radioaktiva ämnen till närmiljön. DNB och LHGR är de kriterier som först påverkas av stavböjning[12]. 1.6.1 DNBR Dimensionella förändringar i härden har störst påverkan på DNBR-begränsningar. Begränsningen förhindrar att kylmedlet börjar koka vid kapslingsytan. Om kokning uppstår blir kapslingen snabbt överhettad vilket leder till en avsevärt förhöjd oxidationshastighet och i extremfall att kapslingen smälter[12]. Gränsen är framtagen från analytiska modeller och sedan validerade mot experimentell data. Då det föreligger vissa osäkerheter i modellerna används alltid det mest konservativa resultaten vilket leder till att en gapstängning på (50% eller mer) ger bestraffningar[2].
KAPITEL 1. INLEDNING 11 1.6.2 LHGR Driftkriteriet anges i W/cm och finns för att undvika LOCA (loss of coolant accident). Kriteriet begränsar bränslets risk att smälta på en lokal punkt. Det begränsar även bränslestavens interna tryck och hur kapslingens mekaniska egenskaper påverkas[12]. Gränsen är framtagen från analytiska modeller och sedan validerade mot experimentell data. 1.7 Avgränsningar Detta examensarbete är begränsat till 30 högskolepoäng, motsvarande 20 veckors arbete. Avgränsningar i arbetet: Ett begränsat antal bränsleknippen har analyserats då digitaliseringen av data är en tidskrävande process. För att kunna normera mätvärdena har approximationen gjorts att knippets bredd är oförändrad oavsett bestrålningsnivå. Kontrollmätningar av knippesbredden har visat att approximationen medför en osäkerhet på < 2%. Studien har inte tagit hänsyn till böjning av bränsleknippen. Studien omfattar för längdtillväxten av bränsleknippena, data från revisionerna åren 2003-2014 och för övriga mätningar revisionerna åren 2011-2014. Stavböjning har bara studerats i de två nedersta spannen för Ringhals 2 och de tre nedersta spannen för Ringhals 3 och 4. Studien har inte tagit hänsyn till hur knippena monteras eller hur de transporteras till kärnkraftverken.
Kapitel 2 Metod och Teori 2.1 Inspektionsunderlag Data till stavböjning, stavförlängning och knippes längdförändring har samlats in på olika sätt. Vid varje revision filmas alla knippen genom ett 4-kamera system. Systemet består av fyra kameror som filmar varsin sida av knippet då det transporteras från härden till avställningsbassängen. De tidigaste 4-kamerafilmerna hade en låg upplösning vilket åtgärdats i två steg. Först uppgraderades kamerasystemet till att dela en Full-HD kanal och senare till att varje kamera själv har HD upplösning. Vid varje revision har även visuella inspektioner genomförts. Syftet med dessa har varit att inspektera bränslets utseende och eventuella mekaniska- och oxideringsskador. De visuella inspektionerna filmar en halv sida åt gången samtidigt som ljussättningen är förbättrad vilket gör att dessa filmer håller en högre kvalité. Knippes längdförändring erhålls genom att fysiskt mäta längden på knippena. När detta görs mäts även temperaturen på vattnet i avställningsbassängen. Genom att mäta längden på ett dummyknippe (knippet saknar aktivt material) korrigeras längden på alla bestrålade knippen så den termiska expansionen exkluderas. Eftersom det är olika noggrannhet i inspektionsunderlaget har all insamlad data märkts med ett kvalitetsindex. Alla fysiska mätningar har fått kvalitetsindex 1, visuella inspektionsvideorna har fått kvalitetsindex 2 (figur 2.1) och för 4-kamerasystemet finns två kvalitetsmärkningar 3 (figur 2.2) och 4 (figur 2.3) beroende på ljussättning, inspektionsvinkel, upplösning och vattenkvalité. 12
KAPITEL 2. METOD OCH TEORI Figur 2.1: Stillbild tagen fra n visuell inspektions film, kvalite 2. Figur 2.2: Stillbild tagen fra n 4-kamerasystemets inspektionsfilmer, kvalite 3. Figur 2.3: Stillbild tagen fra n 4-kamerasystemets inspektionsfilmer, kvalite 4. 13
KAPITEL 2. METOD OCH TEORI 14 Visuella inspektionsvideor har anva nts i sto rsta utstra ckning o ver de knippen som varit intressanta att studera och da r visuella inspektionsvideor saknats har videor fra n 4kamerasystemet anva nts. Data fra n filmerna har inha mtats pa tva olika sa tt. De visuella inspektionsvideorna ha ller en tillra ckligt ho g kvalite fo r att ma ta direkt pa stillbilderna tagna fra n filmerna. Videor fra n 4-kamerasystemet har beroende pa bildkvalite antingen ma tts pa samma sa tt som de visuella inspektionsfilmerna eller om ma tningarna har varit otydliga har bilden behandlats i Googles bildbehandlingsprogram Picasa och da refter har ma tningar gjorts. Ma tningarna har utfo rts med hja lp av mjukvaran FastStone Captures digitala ma tverktyg Screen Ruler, se figur 2.4. Ma tningarna har skett genom att ma ta va nstersida pa en bra nslestav till na stkommande bra nslestavs va nstersida. Fo r att fa ra tt skala pa ma tningarna har a ven bredden fo r tre separata bra nslestavar ma tts vid varje bild. Medelva rdet av ma tningarna fra n de tre bra nslestavarna har fungerat som en skalstock fo r resterande ma tningar. Varje sidas gapma tningar har a ven normerats mot knippes totala bredd fo r att sa kersta lla att ingen fo rvra ngning skett av ma tningarna vid omvandling fra n pixlar till millimeter. Figur 2.4: O verblicks bild o ver hur ma tningarna utfo rts med mjukvaran FastStone Captures ma tverktyg Screen Ruler.
KAPITEL 2. METOD OCH TEORI 15 2.2 Gapstängningsgrad Bränsletillverkare har olika mått på kapslingen till bränslestavarna vilket gör att det är mindre skillnader i gapstorleken mellan bränslestavar för olika bränslen och ibland för samma bränsletyp men konstruerad olika år. Det har föranlett att ange gapstängningen med en procentsats istället för ett faktiskt mått. Beräkningen av den procentuella gapstängningen är den samma för alla bränslesorter och anges av: % Gap = 100 (1 A B ) (2.1) Där: A = Det uppmätta gapavståndet i mitten av spannet. B = Det avståndet stavarna har vid tillverkning av knippet. 2.3 Gapstängning i randen jämfört mot i knippet Gapstängningen har bara mätts på randen till bränsleknippena i denna studie. I en tidigare studie från Westinghouse då fysiska mätningar gjorts på 23 knippen konstaterades att om gapstängningen är normalfördelad kan det konservativa antagandet göras att randen är representativ för den kraftigaste stavböjningen genom hela knippet[2]. 2.4 Faktorer som påverkar bränslestaven innan drift Utbränningen är den parameter som kraftigast påverkar bränslestaven under drift. Ett knippes utbränning anges i medelutbränning vilket innebär att utbränningen varierar både radiellt och axiellt i knippet. För samma sidas randstavar kommer utbränningen vara nära identisk. Det innebär att teoretiskt borde den axiella stavförlängningen vara uniform sett till raden på en sida. Från inspektioner av längdtillväxten för stavar inses att detta inte är fallet. Istället beror längdtillväxten på tillverkningsolikheter kopplade till bränslestaven. Genom att anta fördelningarna enligt tabell 2.1 och utföra beräkningar med TRANSURA- NUS beräkningskod har detta visas i J. Klouzal studie om VVER 1000 bränsleknippen[14]. VVER 1000 är en speciell reaktortyp med sexkantiga bränsleknippen. Dock är de faktorerna som påverkar bränslestaven överförbara till Ringhals reaktorer som har fyrkantiga bränsleknippen.
KAPITEL 2. METOD OCH TEORI 16 Tabell 2.1: Fördelningsfunktion för tillverkningsolikheter som använts vid beräkningar av stavlängdtillväxt i beräkningskoden TRANSURANUS. Parameter Fördelning Parameter Fördelning Kuts Kapsling Ytterdiameter Uniform Innerdiameter Normal Densitet Normal Ytterdiameter Normal Täthet Normal Ytstruktur Uniform Kornstorlek Uniform Bränslestav Porositet Uniform Fyllnadstryck Uniform Ytstruktur Uniform Bränslestapel Uniform 2.5 Faktorer som påverkar bränslestaven under drift 2.5.1 Kutsdensifiering Bränslekutsar tillverkas genom att sammanpressa UO 2 pulver under högt tryck och hög temperatur till en fast kuts. Processen kallas för sintring och leder till att kutsen bara uppnår 90-95 % täthet. Under reaktordrift fortsätter förtätningsprocessen och kutsarna kan slutligen uppnå en täthet på 97-98 % [3]. Förtätningen uppstår genom att små bubblor i kutsarna elimineras. Detta leder till att kutsen krymper både radiellt och axiellt. Den axiella krympningen på en bränslestav som har en aktiv längd på 3660 mm kan vara 75 mm. Det motsvarar en krympning på 2.05 % [3]. Det finns tre olika mekanismer som påverkar förtätningen. Den termiska sintringen fortsätter då kutsen utsätts för höga temperaturer under drift. Det sker en porförminskning och förstörelse av porer genom bestrålning av kutsen. Samt att det sker en hetpressning av kutsen följt av den höga temperaturen och tryck som är i bränslestaven. Det styrande parametrarna för förtätningen är storleken på porerna, stora porer försvinner snabbare än små. Kutsens kornstorlek påverkar, små korn sammanpressas lättare än stora. Temperaturen styr den termiska sintringen och hetpressningen. Slutligen påverkar fissionstätheten den termiska sintringen och porförminskningen. 2.5.2 Kutssvällning Utsvällningen av kutsarna beror till stor del på att klyvningen av fissilt material lämnar två fissionsprodukter efter sig som tar större plats tillsammans jämfört med den ursprungliga kärnan. Se figur 2.5 Det sker en matrissvällning med 0,9 % per 10 MWd/kgU [13]. Denna svällning beror enbart på utbränning. Vidare sker det en fissionsgassvällning då fissionsgas ansamlas som
KAPITEL 2. METOD OCH TEORI 17 Figur 2.5: Fissionsprocessen som genom klyvning av U-235 lämnar två fissionsprodukter efter sig [18]. bubblor i materialet. Sfäriska bubblor inom korn kan ge en svällning på över 40 % och korngränsbubblor på omkring 10 % innan fissionsgasen bildar tunnlar och släpps ut. Denna process är starkt temperaturberoende[13]. 2.5.3 Kutsens relokering Då utbränningen ökar i kutsen uppstår en sprickbildning på grund av de termiska spänningarna som kommer från de radiella temperaturgradienterna. Förändringen i avståndet mellan kuts och kapsling från sprickbildning kallas relokering. Dimensionella förändringar som bränslestaven genomgår är starkt kopplade till detta avstånd. Relokering av kutsen kan därför förtidiga alternativt fördröja inverkan av övriga fenomen som påverkar de dimensionella förändringarna[19]. 2.5.4 Kapslingskryp Den konstanta last som bränslestaven utsätts för ger upphov till ett kapslingskryp. Vid BOL kommer kapslingen att krypa ned då systemtrycket är högre än det inre trycket i staven. Då kutsen har kontakt med kapslingen och fortsätter att svälla börjar kapslingen istället att krypa utåt. Utkrypet av kapslingen kan även drivas av att det inre trycket i bränslestaven, på grund av fissionsgasfrigörelse, är högre än systemtrycket. Kryp påverkas av spänning, temperatur, snabbneutronflöde och tid samt sammansättningen och värmebehandlingen av kapslingen[13].
KAPITEL 2. METOD OCH TEORI 18 2.5.5 Bestrålningsväxning Kapslingsmaterialet, en zirkoniumlegering, kommer att växa av bestrålning från de snabba neutronerna som påverkar kristallerna i materialet. Kapslingsmaterial är förbehandlat så kristallerna ligger i en homogen struktur. Detta gör att längdtillväxten från bestrålning främst sker axiellt vilket ger upphov till en radiell längdminskning[5]. 2.5.6 Kapslingskorrosion Kapslingskorrosion består förenklat av processen: Zr + 2H 2 O ZrO 2 + 2H 2 Processen leder till att kapslingen blir tunnare, får minskad hållfasthet, samtidigt är ZrO 2 en hårdare men sprödare förening. Korrosionen har en stark inverkan på temperaturen i bränslestaven som ökar då oxiden fungerar som en isolering. Korrosionen är en av de största bidragen till H 2 utsläpp i reaktorn[13]. 2.5.7 Kapslingshydrering Kapslingsmaterial av zirkonium är tillverkat av en homogen kristallstruktur vilket möjliggör tillväxt i axiellt led framför radiellt. Hydrering skapar kristaller som bryter mot det i övriga homogena kristallmönstret. Hydreringen leder till att duktiliteten och brottsegheten minskar och samtidigt sker en försprödning av kapslingen. Vidare uppstår en process där hydridutfällning ofta sker vid spetsen i små sprickor som uppstår i kapslingen. Hydriden spricker och processen upprepas[13]. 2.5.8 Spridare och spridarfjädrar Spridare som sitter i den aktiva zonen är oftast tillverkade av en zirkoniumlegering för att upprätthålla en god neutronekonomi. Toppspridaren, och ibland bottenspridaren, är tillverkade i stållegeringen Inconel som har goda mekaniska egenskaper men en något sämre neutronekonomi. Spridarna utsätts för bestrålningsväxning likt bränslestavens kapsling. Detta gör att spridarcellerna, se figur 2.6, ökar i area med ökad bestrålning.
Återstående kraft [%] KAPITEL 2. METOD OCH TEORI 19 Figur 2.6: Spridarceller där bränslestaven fasthålles av fjädrar(1) som sammanbinds av spridaren(2) [17]. För bränslet som används i Ringhals 3 och 4 är det vanligare att bränslestaven hålls fast av fjädrar på alla fyra sidorna. Vid bestrålning kommer spridarfjädrarna att relaxera, återstående kraft beror på fluencen och tillverkningsmaterialet. se figur 2.7. Fjäderkraft relaxation 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0 10 20 30 40 50 60 Medelutbränning [MWd/kgU] Toppspridaren Mellanliggande spridare Spridare 1 Figur 2.7: Relaxation av spridarfjädrar, Toppspridaren är tillverkad av Inconel och övriga spridare är tillverkade av en zirkoniumlegering. Materialskillnaden samt skillnader i fluens ger upphov till olika relaxationshastigheter[1].
KAPITEL 2. METOD OCH TEORI 20 2.6 Korrigeringsfaktor kallt till varmt tillstånd Alla mätningar i denna rapport är gjorda på filmer som framställts under de årliga revisionerna av reaktorerna. Knippena står avställda i en kall bassäng vilket innebär att böjningseffekter som uppstår av termisk expansion och ökat tryck inte syns. När bränsleknippena placeras i reaktorhärden kommer det ske en tryckökning på 154 bar vilket leder till att kapslingen krymper radiellt. Den radiella krympningen leder till att bränslestaven får en axiell förlängning. Denna ökning innebär en böjningsökning på 0,5-3 % [2]. Ökningen kommer att avta allt efter bränslestaven får en högre utbränning samt att spridarfjädrarna relaxerar. Då bränslekutsens volymökning gjort att kapsling och kuts har kontakt kommer inverkan av tryckökningen vara marginell. Det är även vid detta tillfälle som bränslestavarna gapstängning ökar. Av denna anledning kommer inte vidare studier göras på den fysiska inverkan av tryckökning. Den termiska expansionen kommer göra att bränslestaven växer både radiellt och axiellt. I en studie från Westinghouse konstateras att den termiska expansionen ger en böjningsökning på 20 % vid låg utbränning och 1-3 % vid hög utbränning. Nuclear Regulatory Commission (NRC) bedömer dock att osäkerheterna är för stora i Westinghouse studie och ett 20 % böjningspålägg ska gälla för samtliga bränslestavar då de flyttas från kall bassäng in till reaktorhärden[2].
Kapitel 3 Analys, resultat och slutsats Av sekretesskäl har alla bränslesorter anonymiserats under detta kapitel. Den fullständiga rapporten finns att tillgå hos Vattenfall Nuclear Fuel i Solna. Den kraftigaste stavböjningen har observeras på den nedre delen av bränsleknippena. Det är i spann 1 och 2 som det förekommer böjning för bränsle i Ringhals 2. Det är även spann 1 och 2 som har en längre fri längd varav spann 2 har den längsta fria längden. Fri längd innebär hur lång del av bränslestaven som inte har stöd av spridare eller blandningsspridare. För Ringhals 3 och 4 observeras böjningar av bränsle i de tre nedersta spannen. För bränsletyp R34L1 är böjningen kraftigast i spann 1 vilket är det spann med längst fri längd, se tabell 3.1. För R34L2 observeras böjning i spann 2 och 3 där spann 2 har en övervägande majoritet. Det som gör denna bränsletyp unik är att spann 2 och 3 tillhör de som har näst längst fri längd. Den största fria längden är i spann 1 där bara en marginell böjning observerats. Orsaken till detta kan vara att spridare 1 för bränsletyperna är av olika material vilket resulterar i olika relaxationskurvor som ger olika kvarvarande fjäderkrafter. Utifrån det bör R34L2 ha en högre återstående fjäderkraft i spridare 1 jämfört med R34L1. Tabell 3.1: Spannens fria längd och avstånd i mm från bottenplattan till mitten på spannet. Röda siffror anger vart kraftigast böjning observerats. Det spann som har längst fri längd förväntas ha den kraftigaste böjningen. R2 Spann 1 Position Spann 2 Position Spann 3 Position R2L2a 575 393 632 1030 - - R2L1 572 448 616 1092 - - R3, R4 Spann 1 Position Spann 2 Position Spann 3 Position R34L2 566 449 484 1013 484 1535 R34L1 576 381 478 952 478 1474 21
Antal KAPITEL 3. ANALYS, RESULTAT OCH SLUTSATS 22 3.1 Fördelning av gapstängningen Gapstängningen är normalfördelad för samtliga bränslen och i alla tre reaktorer. Figur 3.1 visar fördelningen från Ringhals 3 och 4 från revisionerna 2011-2014. Tillverkningsavståndet mellan stavar, som representeras av den blå spiken vid 3,2, är tydligast representerat eftersom en ytterst marginell böjning inträffat efter en cykel. Utifrån avsnitt 2.3 görs antagandet att randen representerar den kraftigaste böjningen genom knippet för bränslen i Ringhals 2, 3 och 4. Fördelning 250 250 200 200 150 150 100 100 50 50 0 1,2 1,3 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,1 2,2 2,3 2,4 2,6 2,7 2,8 2,9 3,0 3,2 3,3 3,4 3,5 3,7 3,8 3,9 4,0 4,1 4,3 4,4 4,5 4,6 4,8 4,9 5,0 5,1 Avstånd [mm] 0 Figur 3.1: Fördelningen över gapstängningen. De blå staplarna visar hur många observationer som gjorts av varje gapstängningsgrad. Den orangea kurvan illustrerar en normalfördelning för vilka mätningarna faller in under. 3.2 Ringhals 2 För att få en uppfattning om hur en bränslesort beter sig i reaktorn kan den axiella längdtillväxten för ett knippe studeras. Om ett knippe har en jämn längdtillväxt kan det vara en indikation på mindre stavböjning. Alla knippens längd mäts vid varje revision vilket gör att data är relativt lättillgänglig i förhållande till den som måste avkodas från videomaterialet.
Längdförändring per utbränning [mm/(mwd/kgu)] KAPITEL 3. ANALYS, RESULTAT OCH SLUTSATS 23 Namnen (AL, AS, AR o.s.v.) på de olika mätningarna i figurerna 3.2 till 3.4 representerar bränsle från olika cykler. Bränslen av samma sort kan ha vissa mindre förändringar mellan cyklerna som byte av produktionslina, produktionsort eller underleverantör. En sannolik orsak till att bränsleknippen växer oregelbundet är att bränslestavarna sitter fast i spridarna vilket leder till att bränslestavarna driver hela knippets tillväxt. R2L2a har haft problem med stavböjning vilket figur 3.2 ger en fingervisning om då bränsleknippena har en oregelbunden tillväxt. Unikt för detta bränsle är att det har en kraftig längdtillväxt i början för att sedan krympa under spannet 20-30 MWd/kgU och sen åter växa kraftigt. Både R2L2b och R2L1 har tillverkats med en toppspridare som ska tillåta bränslestavarna att växa axiellt. Figur 3.3 och 3.4 visar en jämn längdtillväxt av knippena vilket tyder på att det är mindre spänningar i knippena från axiell längdtillväxt av bränslestavarna. Ringhals 2, Bränslesort: R2L2a 0,800 AM 0,600 AN 0,400 AP, AR 0,200 0,000-0,200-0,400-0,600-0,800 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 Medelutbränning för knippen per cykel [MWd/kgU/cykel] AL Figur 3.2: Den axiella längdförändringen per utbränning för bränsleknippen av typ R2L2a i Ringhals 2. Namnen (AL, AM, AN, AP och AR) representerar bränsle från olika cykler.