CANDU YAKIT DEMETİ FABRİKASYONU. Şevket CAN. Çekmece Nükleer Araştırma ve Eğitim Merkezi, ISTANBUL

Transkript

1 ;\ Ulusal Nükleer Yakıt Teknolojisi Sempozyumu, 3-5 Eyli""""' " TR CANDU YAKIT DEMETİ FABRİKASYONU Şevket CAN Çekmece Nükleer Araştırma ve Eğitim Merkezi, ISTANBUL ÖZET 'ı. Bu bildiride Kanada AECL Chalk River Laboratuarları Yakıt Fabrikasyonu ve Test (FFDT) seksiyonunda yapılan yakıt demeti fabrikasyon prosesi ve uygulanan kalite kontrol çaiışmalan anlatılacaktır. Burada iki tip çalışma yapılmaktadır: geliştirme ve prototip yakıt fabrikasyonu. Bu çalışma yakıt tasarımı, pelet üretimi ve zirkaloy malzeme üretimini kapsamaz; zarf borusuna eklentilerin bağlanması, gre.jit kaplama, uç tapa hazırlama ve kaynaklama, UO 2 pelet yükleme ve uç plakası hazırlama ve kaynaklama prosesleri ile bu adımlardaki kalite kontrol testlerini kapsar. CANDU yakıt demeti fabrikasyonunda kullanılan malzemeler şunlardır: 1) seramik UO 2 peleti, 2) yakıt demeti yapı malzemesi zirkaloy-4 ve diğerleri (kolloidal grafit, berilyum ve helyum). Yakıt elemanlarının zarflarını hazırlamak için zirkaloy borular iki ana işleme tabi tutulur: 1) aralık parçalan ve taşana yastıklarından oluşan eklentilerin lehimleme veya kaynaklama prosesleri ile boralara bağlanması, 2) kolloidal grafit süspansiyonundan boruların iç yüzeyine grafit kaplama. Yakıt elemanları üretimi üç prosesten ibarettir: 1) pelet yığını oluşturma ve boruya tieldurma, 2) uç tapalarının kaynaklanması, î) eleman profilinin alınması. Uç tapa kaynaklama, yp'.ıi yakıt elemanının kapatılması, bütün yakıt üretim operasyonlarının en duyarlı ve önemli işismidir.uç kapatma kaynağının kalite kontrolü metalografik değerlendirme ve He kaçak testi 3e yapılmıştır. ABSTRACT This paper describes works on CANDU fuel bundle fabrication in the Fuel Fabrication Development & Testing Section (FFDT) of AECL's Chalk River Laboratories. This work does not cover fuel design, pellet manufacturing, Zircaloy material manufacturing, but cover the joining of appehdages to sheath tube, endcap preparation and welding, UO 2 loading, end. plate preparation and welding, and all inspections required in these steps. Materials used in the fabrication of CANDU fuel bundle are: 1) Ceramic UO 2 Pellet 2) Ziicaloy-4. Fuel Bundle Structural Material : 1 Others(Zinc stearate, Colloidal graphite, Serylliam, and Helium). Th fabrication of fuel element consists of three processes: 1) pellet loadin into the sheath, 2) endcap welding, and 3) the element profiling. Endcap welds is tested by metalography and He leak test. The endcaps of the elements are welded to the end plates to form the 37-element bundle assembly. 179

2 GİRİŞ Bu bildiride Kanada AECL Chalk River Laboratuarları Yakıt Fabrikasyonu ve Test (FFDT) seksiyonunda yapılan yakıt demeti fabrikasyon prosesi ve uygulanan kalite kontrol çalışmaları anlatılacaktır. Önce ilgilenilen nesne, yani CANDU yakıt demeti tanıtılacak, sonra da kalite şartlarına uygun olarak fabrikasyonunun nasıl gerçekleştirildiği ve kalite kontrol testleri izahh edilecektir. Burada iki tip çalışma yapılmaktadır: geliştirme ve prototip yakıt fabrikasyonu. Bu çalışma yakıt tasarımı, pelet üretimi ve zirkaloy malzeme üretimini kapsamaz; zarf borusuna eklentilerin bağlanması, grafit kaplama, uç tapa hazırlama ve kaynaklama, UO 2 pelet yükleme ve uç plakası hazırlama ve kaynaklama prosesleri ile bu adımlardaki kalite kontrol testlerini kapsar. Buradaki küçük yakıt fabrikasyon kampanyaları, yakıt geliştirme programının bir parçası olup üretilen demetler NRU reaktöründe prototip veya demonstrasyon ışınlamalarında, ZED-2 reaktöründeki deneylerde veya Termohidrolik Laboratuanndaki testlerde kullanılır. Tipik CANDU yakıt demeti Şekil-1'de görülmektedir. Her bir CANDU 6 demeti 37 yakıt elemanından oluşur ve 7 temel komponentten imal edilir. Yakıt elemanı, zirkaloy-4 zarf içinde seramik UO 2 peleti içerir. Zarfın iç yüzeyindeki grafit tabakası (CANLUB), pelet-zarf etkileşimini azaltır. Yakıt elemanının sızdırmazlığını sağlamak için uçtapaları zarf borulaının ucuna kaynaklanır. Elemanları demet şeklinde tutmak için yine zirkaloy-4 olan uç plakası elemanların uçtapalarma kaynakla tutturulur. Elemanlar arasında gerekli boşluğu sağlamak üzere ayırıcılar elemanlara lehimle tutturulur. Yakıt demetini reaktör basınç borusundan ayırmak için ise taşıma yastıkları demetin dış elemanlarına lehimlenir. Lehimleme işlemleri berilyumu metali ile yapılır. Yakıt yükleme sistemi yakıtın sadece uç plakasından kavrayarak taşır. CANDU yakıt demeti basit bir mekanik kurgu gibi görünse de çok sıkı boyutsal, fiziksel, kimyasal ve uyumluluk şartlarına uyması gerekir. En önemli özellikleri şunlardır[l]: Nötron ekonomisi ve iyi bir ısı transferi için ince cidarlı çökebilen zarf borusu, > Lehimli taşıma yastıkları, demeti desteklemek ve kanal içindekaymasını sağlamak için kullanılır, aynı zamanda yakıt ile basınç borusu arasında bir boşluk oluşturarak lokai ısınmaları önler, Zarfın iç yüzeyindeki grafit tabakası yakıtın güç atlamalarına toleransını iyileştirir, Kaynaklı uç tapalan hermetik sızdırmazlık sağlar, Kaynaklı uç plakalar demet geometrisi omurgasını oluşturur. CANDU-6 dizayn değerlerinin yakıtla ilgili olanları Tablo-1'de verilmiştir[2]. Yakıt fabrikasyonunda kullanılan Kalite Güvencesi standardlarına gelince. CANDU yakıt demetleri CSA Z299.2 seviyesine uygun (1SO9002 eşdeğeri) üretilir. Yeni bir yakıt fabrikatörü tarafından üretilmesi veya reaktörün ilk kalbi için kullanılacak olması durumunda yakıt demetlerinin ncsa Z299.1 (1SO9001 eşdeğeri) seviyesine uyması istenir. Bu seviyedeki ilave şartlar tasarım ve yönetimsel kontroldür. Kalite Güvencesi standardlarına göre yakıt fabrikatörü aşağıdaki kategorilerde standardlara uygun eleman çalıştırmak zorundadır[3]: a) Muayene ve test elemanı, b) Teknik eleman, satınalmaya, üretime, muayene ve testlere, enstrüman ve ölçü aletlerinin kalibrasyonuna teknik destek sağlar, c) Kalite mühendisi, kalite sistemini ve bu sistemi destekleyen donanım ve yazılımı dizayn eder, d) Denetleme elemanı, sistemin etkin uygulanmasını sağlamak için kalite sisteminin her kademesinde düzenli denetleme yapar. 180

3 Yakıt fabrikatörü şu kalite güvencesi dokümanlarını hazır tutmak zorundadır: Kalite Güvencesi Elkitabı, Prosedürler Elkitabı, Muayene ve Test Planı, Denetleme Alt-sistemleri... YAKIT FABRİKASYONUNDA KULLANILAN MALZEMELER Seramik UO 2 Peleti CANDU yakıtının temel özelliği yüksek yoğunluklu, yüksek saflıkta ve yüksek sağlamlıkta doğal uranyum dioksit peletidir. Bunlar homojen ve tekrarlanabilir özelliklerde büyük miktarlarda üretilirler. İstenen başlıca özellikler: termal iletkenlik, fisyon gazı yayımı, öngörülebilir faydalı ömür (yanma). Bu özellikler peletin mikroyapısına sıkı sıkıya bağlıdır. Mikroyapı fisyon gazı yayımına karşı ilk bariyerdir. Seramik UOVnin kimyasal ve fiziksel şartnameleri tam olarak karşılaması gerekir. Pelet için başlıca muayeneler: yoğunluk, mikroyapı, yüzey bozuklukları (çapak, çatlak, karıncalanma, laminasyon), yüzey pürüzlülüğü, geometri, safsızlık ve hidrojen miktarı. ZirkaIoy-4, Yapı Malzemesi Yakıt demeti yapı malzemesi olarak bir zirkonyum alaşımı olan zirkaloy-4 kullanılır. Kimyasal bileşimi ve bileşenlerin nötron absorpsiyon katsayıları (barn) şöyledir: Kalay % (0.60), demir % (2.62), krom % (2.90), nikel 70 ppm (4.60), zirkonyum kalanı (0.18). Normal sıcaklıktaki mekanik özellikleri[4]: Gerilme mukavemeti 480 MPa %0.2 Kopma mukavemeti 410 Mpa Uzaması %20 Diğer Malzemeler Çinko stearat, kolloidal grafit, berilyum ve helyum YAKIT FABRİKASYON PROSESLERİ VE KALİTE KONTROL Zarf Hazırlama Eklentiler berilyum ile zarf borusuna lehimlenir. Zirkonyum ve berilyum düşük erime noktalı ötektik alaşım oluşturur (1050 C). Zirkaloy-4 levhalardan kesilen eklenti parçalan yüzey temizlemeden sonra vakumlu odada berilyum yüzey filmi oluşturulur. Daha sonra berilyum filmler zarf yüzeyine getirilerek indüksiyon ısıtma ile Zr-Be ötektik alaşımı oluşturulur. Burada ısıdan etkilenmiş bölgenin (HAZ) mikroyapısı metalografik olarak incelenir.... Zarf iç yüzeyine grafit kaplamak için, kolloidal grafitin hidrokarbon içindeki süspansiyonu zarf içine doldurulur ve beklemeden sonra boşaltılıp kurutulur. Kalite kontrol için kaplama kalınlığı muayene edilir. Yakıt Elemanının Tamamlanması Bu kısım üç prosesten ibarettir: Pelet yığını oluşturma ve zarf borusuna doldurma, uçtapa kaynaklaması ve kaynak çapaklarının giderilmesi. 181

4 ,Uç tapa kaynaklama, yani yakıt elemanının kapatılması, bütün yakıt üretim operasyonlarının en duyarlı ve önemli işlemidir. Buradaki bir hata reaktörde soğutucuya radyoaktivite sızmasına sebep olabilir. Yakıt elemanı uç tapa kaynaklamada otomatik rezistans kaynak teknolojisi kullanılmıştır. Kaynak işlemi Teledyne Precision makina ileyapılmıştır. Tapa ve zarf uçları hazırlanarak He gazı ile dolu odacıkğa yerleştirilir. Magnetik sıkma, ön ısıtma, esas ısıtma ve tutma adımlarından oluşan kaynaklama işlemi uygulanır. Uç kapatma kaynağının kalite kontrolü metalografik değerlendirme ve He kaçak testi ile yapılmıştır. Parametre belirlemek için kaynatılmış uçlar kesilip metalografik numune hazırlama işleminden sonra Mitutoyo profil projektöründe kaynak çıkıntıları ölçülmüş ve süreksizlik olup olmadığına bakılmıştır. He kaçak testi Varian Porta-test dedektörü ile yapılmıştır. Proseste uygulanan ardışık işlemler aşağıda detayı ile verilmiştir. 1. Tapalar asitle muamele edilir (HNO,+HF karışımı çözelti) 2. Zarf ucu parlatılır (Scotch-Brite). 3. Metanollü kağıt mendi! ile silinir. 4. Zarf+tapa boyu ölçülür (Mitutoyo mihengir) 5. Tapa kaynak odacığı içinde strok silindiri ucundaki yerine konur. 6. Zarf ucu O-ringli delikten geçirilerek kaynak odacığı içine getirilir. 7. Geometrik uyumluluk (diklik) ölçülür, datalar kaydedilir. 8. Uç tekrar silinir (kirlilik olmamasından emin olunmalıdır). 9. Odacık kapatılır, vakumla boşaltılır. 10. Odacık He gazı ile doldurulur. 1 I. Silindir zarfın ucuna dayanıncaya kadar hareket ettirilir, data "0" olarak set edilir, i 2. Önceden belirlenen parametrelere göre kaynaklama işlemi uygulanır. 13. Datalar kaydedilir: sislindir hareketi, kaynak çevrimi (zaman, akım), sıkma akımı 14. Odacık açılır. 15. Kaynaklı parça alımr, mihengirde ölçülülür ve 4. adımdaki ile mukayese edilir.!6. Gözle muayene edilir ve gerekli testler gönderilir. Başlıca kalite kontrol testleri: Metalografik değerlendirme (proses kalifıkasyonu), He kaçak testi (%100). Metalografik muayene ardışık işlemler aşağıda detayı ile verilmiştir: 1. Kaynaklanmış uç küçük tornada kesilir. 2. Bir tanıtıcı kod yazdır. 3. Numune eksenel yönde eşit olarak döner testere (Buehler ) ile kesilir. Soğutme ve yağlama çözeltisi (Buehler Isocut ) kullanılır. 4. Asetonla ultrasonik cihazda temizlenir. 5. Bir parçası fenolik reçine ile kalıplanır, 5 dakika beklenir, soğutulur. 6. Reçineye tanıtıcı kod yazılır. 7. Yüzey parlatılır (makina, 240, 320, 400, 600 grit) 8. Son parlatma 6 um elmas pastalı bez üzerinde Varsol ile. 9. Yukarıdaki dağlama çözeltisi ile 45 saniye dağlanır. 10. Optik mikroskopta gözlenir ve fotoğrafı alınır. 11. Profil projektörde çıkıntılar ve süreksizlikler ölçülür (Mitutoyo model PJ >50X) Eksenel metalurjik kesitler Şekil-2'de verilmiştir. 182

5 Uç.Plaka Kaynaklama Uç plaka kaynaklaması, elemanları demet halinde bir araya getirmek için yapılır ve şartnameleri karşılamak zorundadır. Elemanların konik uçları belli geometride düz plaka şeritlerine kaynaklanır. Kontrol edilen kaynak parametreleri akimi zaman, ve elektrod kuvvetidir. Elemanlar sabitleme kalıbına yerleştirilerek kaynatılır, Sabitfeme kalıbı her bir demet tipi için özel dizayn edilmiş olup eleman üzerindeki eklentilere, boyutlara ve yönelimlere duyarlıdır. Elektrod malzemesi, kaynak ve bacak elektrodların kesitleri elektrod tasarımında duyarlı özelliklerdir. Kaynaklamadan sonra-demet geometrisi Daytronic 300d model alet ile kontrol edilmiştir. Demet yapımında bütün proses parametre kayıtları ve kullanılan yakıt elemanı tanımlayıcı numaralan "Yakıt Demeti Birleştirme ve Son Testler" dokümanına işlenmiştir. Bu dokuman Kalite Güvencesi sisteminin 'izlenebilirlik' şartı bakımından son derece önemlidir. Böyle fabrikasyonu tamamlanan Yakıt Demeti paketlenerek kullanılacağı reaktöre sevk edilmektedir. TEŞEKKÜR Bu çalışma 1994 yılında IAEA bursu ile Kanada AECL CRL'de yapılmıştır. IAEA'ya ve AECL'e teşekkür ederim. KAYNAKLAR [î] GACESA, M., ORPEN, V.C., OLDAKER, I. E, "CAMDU Fuel Design: Current t Concepts,", AECL-MISC (1983). [2] Data Base for a CANDU-PHW Operating on a Once-through Natural Uranium Cycle, _ AECL-6593 (1979).. [3] SEJNOHA, R., "QA in CANÜUlFuel Design, Development and Manufacturing", IAEA Interregional Course, Paris, [4] TEED, D. E., TARASUK, W. R., "Structure of the CANDU Fuel Bundle", CNS Internal aial Sympo'sium on the Complete Nuclear Fuel Cycle, Saskatoon, (1988). 183

6 Tablo-1 CANDU-6 Yakıtla ilgili Dizayn Verileri 2 Reaktör Soğutucu ve yavaşlatıcı Yakıt Yakıt yükleme yöntemin Yakıt kanalı Sayı Kanal akışı Sıcaklık Basınç Basınç Borusu İç çap Aşınnicı müsaadesi Yakıtl Yakıt Dizavnı Eleman Demet Şekli Pel et Sayısı Şekli Çap Yığın boyu Miktar Oyuk boşluğu Yoğunluk Zarf sayısı Malzemel Dış çap Cidar Kalınlığı Yakıt-zarf boşluğu Uçtapa-zarf birleşimi Yastık-zarf birleşimi Ağırlık Demet boyu Dış çap Dış halka İşletme Şartlan Demet gücü UO 2 sıcaklığı Zarf yüzey sıcaklığı Yakıtta Terma.1 nötron akısı Boşaltım noktasındaki vanma Basınçlı DX> Doğal UO] Çift yönlü kanalda güçte iken 380 ' 24 kg/s (max) 267 C (yakıt girişi) 312 C (yakıt çıkışı) MPa (yakıt girişi) 10.30MPa (yakıt çıkışı) 103 mm (miıı) 0.20 mm, ömür boyu 37-elemanlı demet silindirik, uçlarda konkav oyuk mm 480 mm (nominal) yaklaşık 30, elemen başına % 1.9 hacim 10.6 Mg/nr' (nominal) Mg/nr (aralık) 37 Zirkaloy mm (ortalama) mm mm Resistans kaynaklı Lehimli (Reaktörde) 4560 (Her kanal) 12 (toplam) 24 kg (uranyum) 19 kg (yaklaşık) 495 mm mm eleman 18 P.C. çap mm Orta halka eleman P.C. çap mm İç halka eleman P.C. çap mm Merkez eleman 1 tek Eleman-eleman bosluğu 1.55 mm Elemant-basınç borusu 1.02 mm Nominal 800 kw (Max 900 kw) Maximum 1900 C Maximum 326 C Maximum n cm' 2 s" 1 ortalama 7000 MWd/tU 184

7 Basınç Borusu İçinin Görünüşü (Sı 1. ZiaıUaloy Taşıma Yastıkları 2. Ziarkaloy Yakıt Zarfı 3. Zirkaloy Uç Tapası 4. Zirkakol Uç Destek Plakası 5. Uranyum Dioksit Peletler 6. Grafit Ara Yüzey 7. Elemanlararası Ayırıcı 8. Basınç Borusu Şekil 1. CANDU 37-Elemaıı Yakıt Demeti

8 V I Şekil 2. Uç Tapa Kaynakları Metalografik Kesiti 186