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.