Transcript RAL
Reaktoranalízis Laboratórium (RAL) Keresztúri András AEKI – IKI bemutatkozó 2011 november 2011 november Bemutatkozó 1 REAKTORANALÍZIS LABORATÓRIUM 1990 óta, eleinte csak főleg rektorfizikai kutatással, fejlesztéssel, a fejlesztett kódok tesztelésével, alkalmazással foglalkozó 10 fő - A reaktorban, az aktív zónában lezajló folyamatok modellezése, analízise - Csatolt kódrendszer: reaktorfizika termohidraulika, fűtőelem-viselkedés (“termo mechanika”) - A szükséges reaktorfizikai és csatolt algoritmusok fejlesztése, validálása és alkalmazása - Alkalmazás: - normál üzem → “zónatervezés”, biztonság, gazdaságosság - üzemzavarok → főleg reaktivitás üzemzavarok elemzése - Alkalmazás → igény a bizonytalanságok számszerűsítésére - Validálás: a metodikai jellegű és a bemenő adatok hibájából származó bizonytalanságok mértékének meghatározása - On-line csatolás → multiphysics modellezés, első lépések 2011 november Bemutatkozó 2 Saját (AEKI) fejlesztésű kódok A saját fejlesztésű kódok használatának előnyei: •viszonylag könnyű átalakíthatóság alkalmazhatóság különböző reaktortípusokra vagy újabb fűtőelemekből álló zónákra, •mélyebb tudás a modellezési feltételezésekről, az alkalmazhatóság határairól, •a modellezési opciók helyes megválasztása, a felhasználói hibák minimalizálása • multiphysics Példák: •A Budapesti Kutatóreaktor dúsítás csökkentésének engedélyezését megalapozó zónatervezés és biztonsági elemzések •Kiégő mérget tartalmazó, növelt dúsítású paksi fűtőelem engedélyezéséhez végzett elemzések • A 4. generációs, szuperkritikus vízzel moderált és hűtött “High Performance Light Water Reactor” zónatervezési és biztonsági elemzései (EU projektek) •Gyors spektrumú 4. generációs reaktorok, ólomhűtésű, nátriumhűtésű •Új blokk : a szállítótól független zónatervezési és elemzési rendszer (elképzelés, terv, első lépések) 2011 november Bemutatkozó 3 A reaktorfizikai modellezés szintekre való bontása Számítási szintek a reaktorfizikában, KARATE A kisebb kiterjedésű régiók (cella, kazetta) egy nem túl tág energia tartományának részletes számítási eredményeit a távolabbi környezet kevésbé befolyásolja, így az itt kapott, egyes energiatartományokra átlagolt („kondenzált”) kevéscsoportállandók a nagyobb régiók (pl. az egész reaktor) számítása során használhatók. Zóna Atommag 2011 november Cella, rács, köteg, környezet Bemutatkozó 4 Intézeti fejlesztésű kódok KARATE; három egymásra épülő „szintből” álló, csatolt reaktorfizikai termohidraulikai programrendszer; stacionárius és lassú (xenon) tranziensek számítása a zónatervezés (és bizonyos üzemzavara elemzések) céljára; Reaktorfizika + egyszerűsített tremohidraulika, fűtőelem felmelegedési modell KIKO3D; 3D reaktordinamikai kód (saját termohidraulikával, fűtőelem hővezetési modellel, valamint az ATHLET rendszer-termohidraulikai programhoz is csatolva) a reaktivitás üzemzavarok számítására FUROM: Kvázi-stacionárius fűtőelem-viselkedési kód TIBSO: Aktivitás transzport, magfizikai átalakulások követése a hermetikus térben, az erőmű helyiségeiben, a forgalmak inputja a CONTAIN TH kódból SITONG: Üzemanyag ciklus tervezése, elemzése Módosított kódok: COBRA szubcsatorna TH kód (folyékony fém, VVER), FRAPTRAN tranziens fűtőelem-viselkedési kód (VVER) 2011 november Bemutatkozó 5 A csatolt kódrendszer programjai, kapcsolatai 2011 november Bemutatkozó 6 „Reaktoranalízis” → További feltételek, amelyek az elemzési feladatok elvégezhetőségéhez szükségesek Csatolt számítások: a reaktorfizika kapcsolódása a termo-hidraulikához és a fűtelemen belüli termo-mechanikai modellekhez A csatolás megfelelőségének ellenőrzése, konzervativizmus csökkentése: „multiphysics” Validálás: - zéró teljesítményű kritikus rendszerek - erőművek: indítási mérések, zónamonitorozás eredmények, kémiai összetétel mérések, dozimetriai mérések: próbatestek közelében, üreg dozimetria - matematikai tesztfeladatok (pl. Monte Carlo módszerrel előállítva) Nagymennyiségű validációs eredmény → bizonytalanságok, a zónatervezés biztonsági sávjai („margins”), a keretparaméterek „mérnöki tényezői KARATE-Monte Carlo (MCNP) kapcsolat, KIKO3D-Monte Carlo kapcsolat: a tartály sugárterhelése, reaktor belső elemek felaktiválódása, ionizációs kamrák jele, albedó mátrixok származtatása 3D modellezéssel 2011 november Bemutatkozó 7 11 ,0 /3 11 ,6/ ,0 0,0 /3 / 11 ,6/0 20 ,0 , /3 0/ 80 11 ,6/ ,0 0,0 /3 / 11 ,6/0 130 ,0 , /3 0/ , 11 6/0 20 ,0 , /3 0/ , 80 11 6/ ,0 0,0 /3 / 11 ,6/ 130 1 ,0 /3 ,0/ 20 12 ,6/ ,7 1,4 /1 / 12 ,6/0 20 ,7 , /1 0/ 20 12 ,6/ ,7 1,8 /3 / 20 12 ,6/ 0 ,7 , 0 /3 / 12 ,6/0 20 ,7 , /3 0/ , 80 12 6/ ,7 0,0 /3 / 12 ,6/ 130 4 ,7 /3 ,0/ 12 ,6/4 20 ,7 , /3 0/ 80 12 ,6/ ,7 4,0 /3 / 12 ,6/ 130 5 ,7 /3 ,8/ 12 ,6/5 20 , ,7 /3 8/ , 80 12 6/ ,7 5,8 /3 /1 , 12 6/7 30 ,7 ,2/ /4 20 12 ,4/ ,7 0,0 /4 /2 12 ,4/0 0 ,7 , /4 6/2 0 15 ,4/ ,0 7,2 /1 / 15 ,6/ 20 0 ,0 /3 ,0/2 0 15 ,6/ ,0 0,0 /3 / 15 ,6/ 20 4 ,0 /4 ,0/2 ,4 /0 0 ,0 /2 0 Különböző dúsítású, hőmérsékletű, rácsosztású, bórsav koncentrációjú kritikus ZR-6 rácsok számított sokszorozási tényezői 1,03 1,02 1,01 APP.PIJ4 APP.PIJ7 APP.MOC HELIOS KARATE 1 0,99 0,98 0,97 2011 november Bemutatkozó 8 KARATE – Monte Carlo csatolás, ennek alkalmazásai Tartály fluencia számítása Reaktor belső elemek (kosár, akna) felaktiválódása Ionizációs kamrák válaszfüggvényei Reflektor és abszorbens albedók (3D probléma !) számítása a KARATE programrendszer támogatása céljából 2011 november Bemutatkozó 9 A zónatervezés viszonya az üzemzavar-elemzéshez A zónatervezés keretparaméterei: a biztonsági elemzések eredményeit alapvetően befolyásoló, többnyire reaktorfizikai jellegű kiindulási paraméterek burkoló értékei, melyek betartásával a zóna tervezése (és monitorozása) során még a normál üzemben korlátozhatók a később esetleg bekövetkező üzemzavarok következményei. Ezek lehetnek reaktivitás tényezők, reaktivitás értékek, teljesítmény egyenlőtlenségi tényezők. Használatuk lehetővé teszi, hogy az üzemzavarok elemzéseit ne kelljen minden átrakás után megismételni. Üzemzavarok elfogadási kritériumainak ellenőrzése: Különböző fizikai vagy egyéb folyamatokhoz kapcsolódó, rendszerint számszerűsített feltételek, amelyek az alapvető biztonsági célok (aktivitás növekedés elkerülése, hűthetőség, lezárhatóság) elérésének elégséges feltételei. Nem feltétlenül állnak közvetlen kapcsolatban a biztonsági cél meghiúsuláshoz vezető folyamattal. 2011 november Bemutatkozó 10 A keretparaméterek szerepe az üzemzavarok következményeinek korlátozásában, bizonytalanságok, “margin” Elfogadási kritérium Biztonsági sáv SZÁMÍTOTT érték A biztonsági elemzések keretparaméterének valódi értéke Biztonsági sáv Megengedett SZÁMÍTOTT érték Zónatervezés, a keretparaméterek betartása 2011 november Üzemzavar elemzés, az elfogadási kritérium teljesülésének igazolása Bemutatkozó 11 A bizonytalanságok kezelése “Margin”: A számított paramétereknek az operatív és a valóságos korlátjai között képzett biztonsági sávok, melyek a meghatározás (számítás és/vagy mérés) bizonytalanságát, előre nem tervezhető ingadozásokat, üzemviteli változásokat, a korlátozó paraméter megfelelőségét figyelembe veszik. Egyes összetevői a validálási eljárás során, mások más módszerekkel, pl. érzékenységszámítással számszerűsíthetők. A sávokhoz valószínűségi alapon származtatható konfidencia szintek tartoznak. A jelenlegi és a közeljövőben létrehozandó reaktorok más energiatermelési módokkal versenyképes és biztonságos üzemeltetésének feltétele a fenti limitiek és biztonsági sávok megalapozott, de nem túlzottan konzervatív kijelölése. Ehhez hozzátartozik azok megfelelő valószínűségi értelmezése.→ Bizonytalansági elemzések 2011 november Bemutatkozó 12 Hagyományos feladatok: • Különböző reaktorok, fűtőelem ciklusok biztonságának és gazdaságosságának elemzése a visszacsatolások figyelembevételével: - Zónatervezés a normál üzem esetén: gazdaságossági vizsgálatok, biztonsági jellegű „keretparaméterek” számítása - Reaktivitás és teljesítmény eloszlás anomália üzemzavarok, teljesítmény változással járó normál üzemi tranziensek biztonsági elemzései, egyes esetekben a THL-lel és FRL-lel közösen; elfogadási kritériumok •Fűtőelem tároló és szállító eszközök szubkritikusságának, biológiai védelmének elemzése – üzemzavari helyzetekben is -, a hő-fejlődés és az izotóp összetétel számítása különböző fűtőelemek és üzemanyag ciklusok esetén. A szubkritikussági számításokban a bizonytalanságok figyelembevétele kiégett fűtőelemek esetén is: ”burnup credit”. • Reaktortartályokat és egyéb szerkezeti elemeket érő fluencia terhelés, felaktiválódások számítása • Szimulátor reaktorfizikai modellek fejlesztése (KIKO3D: Paks, CORYS VVER440 szimulátor, Mochovce, Bochunice) 2011 november Bemutatkozó 13 Perspektivikus témák, jövőbeli reaktortípusok víziói 2011 november Bemutatkozó 14 JELENLEGI ÚJABB, PERSPEKTIVIKUS TÉMÁK • A szuperkritikus hűtésű HPLWR GEN4 reaktor zónatervezése és biztonsága • Több energiacsoportos nodális kód („KIKO3DMG”)fejlesztése az alábbi vizsgálatokhoz • Gyors spektrumú, folyékony fém hűtésű (nátrium, ólom, ólom-bizmut) reaktorok zónatervezése és biztonsági elemzései, a reaktor izotópátalakítási képességének vizsgálata • “Multi-physics” csatolás a reaktorfizikai, termo-hidraulikai és termomechanikai kódok között, a forrócsatorna számítások érzékenységi és bizonytalansági elemzései • Reaktivitás üzemzavarok bizonytalansági elemzései (csatolt kóddal) • Hatáskeresztmetszet adatokból származó bizonytalanságok vizsgálata: Csatolt biztonsági elemzések során: OECD NEA Working Party of Reactor Systems, Kritikussági számítások során: Working Party of Nuclear Criticality Safety • A számítási rendszer felkészítése az új blokkok elemzéseire 2011 november Bemutatkozó 15 Példa: abszorbens kilökődése, KIKO3D elemzés hajtás tok fedél közbenső rúd 2011 november Bemutatkozó 16 kq(t)/kq(t=0) 2011 november Bemutatkozó 17 kq(t)/kq(t=0) 2011 november Bemutatkozó 18 SZBV kazetta kilökődésének bizonytalansági elemzése 1 .0 E + 0 4 L in e a r H e a t R a te (W /c m ) (lo g ) 1 .0 E + 0 3 1 .0 E + 0 2 1 .0 E + 0 1 1 .0 E + 0 0 0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 2 .5 3 .0 3 .5 1 .0 E -0 1 1 .0 E -0 2 1 .0 E -0 3 T im e (s ) 1. ábra. Zóna teljesítmény, átlagos lineáris hőteljesítményben megadva: az N = 100 futásra vonatkozóan. 2011 november Bemutatkozó 19 SZBV kazetta kilökődésének bizonytalansági elemzése 0 .8 1 .2 E + 0 3 U p p e r lim it 0 .6 L o w e r lim it C o rre la tio n c o e ffic ie n t (-) M a x im a l H e a t F lu x (W /c m ) 1 .0 E + 0 3 C o n s e rv a tiv e 8 .0 E + 0 2 6 .0 E + 0 2 4 .0 E + 0 2 0 .4 0 .2 0 .0 0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 3 .0 -0 .2 2 .0 E + 0 2 -0 .4 0 .0 E + 0 0 2 .5 D o p p le r c o e . R o d w o rth M od. coe. M a s s flo w In le t te m p . B e ta e ff. L a m b d a e ff. A c c e le ra tio n -0 .6 0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 2 .5 3 .0 3 .5 T im e (s ) T im e (s ) 2a. ábra. Maximális hőfluxus a legterheltebb forrócsatornában: a felső és alsó korlátra, valamint a konzervatív számításra vonatkozóan (b=0.96, g=0.95 és N=100). 2011 november 2b. ábra. Maximális hőfluxus a legterheltebb forrócsatornában - input paraméterek közti korrelációs együtthatók az idő függvényében. Bemutatkozó 20 3 .5 SZBV kazetta kilökődésének bizonytalansági elemzése 0 .2 5 .0 E + 0 0 U p p e r lim it 0 .1 4 .0 E + 0 0 C o rre la tio n c o e ffic ie n t (-) L o w e r lim it D N B M (-) C o n s e rv a tiv e 3 .0 E + 0 0 2 .0 E + 0 0 1 .0 E + 0 0 0 .0 0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 3 .0 -0 .1 -0 .2 -0 .3 -0 .4 0 .0 E + 0 0 2 .5 D o p p le r c o e . R o d w o rth M od. coe. M a s s flo w In le t te m p . B e ta e ff. L a m b d a e ff. A c c e le ra tio n -0 .5 0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 2 .5 3 .0 3 .5 T im e (s ) T im e (s ) 3a. ábra. DNBR min. a legterheltebb forrócsatornában: a felső és alsó korlátra, valamint a konzervatív számításra vonatkozóan (b=0.96, g=0.95 és N=100). 2011 november 3b. ábra. DNBR min. a legterheltebb forrócsatornában- input paraméterek közti korrelációs együtthatók az idő függvényében. Bemutatkozó 21 3 .5 SZBV kazetta kilökődésének bizonytalansági elemzése 0 .8 1 .2 E + 0 3 0 .6 C o rre la tio n c o e ffic ie n t (-) o M ax. Tem p. of Fuel ( C ) 1 .0 E + 0 3 8 .0 E + 0 2 6 .0 E + 0 2 U p p e r lim it 4 .0 E + 0 2 L o w e r lim it 0 .4 0 .2 0 .0 0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 3 .0 -0 .2 -0 .4 C o n s e rv a tiv e 2 .0 E + 0 2 2 .5 D o p p le r c o e . R o d w o rth M od. coe. M a s s flo w In le t te m p . B e ta e ff. L a m b d a e ff. A c c e le ra tio n -0 .6 0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 2 .5 3 .0 3 .5 T im e (s ) T im e (s ) 4a. ábra. A legterheltebb forrócsatorna max. fűtőelem hőmérséklete: a felső és alsó korlátra, valamint a konzervatív számításra vonatkozóan (b=0.96, g=0.95 és N=100). 2011 november 4b. ábra. A legterheltebb forrócsatorna max. fűtőelem hőmérséklete - input paraméterek közti korrelációs együtthatók az idő függvényében. Bemutatkozó 22 3 .5 SZBV kazetta kilökődésének bizonytalansági elemzése 0 .8 8 .0 E + 0 2 C o rre la tio n c o e ffic ie n t (-) o M a x . T e m p . o f C la d S u rfa c e ( C ) 0 .6 7 .0 E + 0 2 U p p e r lim it 6 .0 E + 0 2 L o w e r lim it C o n s e rv a tiv e 5 .0 E + 0 2 4 .0 E + 0 2 0 .4 0 .2 0 .0 0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 3 .0 -0 .2 3 .0 E + 0 2 -0 .4 2 .0 E + 0 2 2 .5 D o p p le r c o e . R o d w o rth M od. coe. M a s s flo w In le t te m p . B e ta e ff. L a m b d a e ff. A c c e le ra tio n -0 .6 0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 2 .5 3 .0 3 .5 T im e (s ) T im e (s ) Fűtőelem burkolat max. hőmérséklete a legterheltebb csatornában: a felső és alsó korlátra, valamint a konzervatív számításra vonatkozóan (b=0.96, g=0.95 és N=100). 2011 november Fűtőelem burkolat max. hőmérséklete a legterheltebb csatornában - input paraméterek közti korrelációs együtthatók az idő függvényében. Bemutatkozó 23 3 .5 FRAPTRAN fűtőelem-viselkedési számítási eredmények Structural Radial Gap (mm ) vver.stripf Gap Heat Transfer Coefficient (W/(m^2-K) ) vver.stripf 6.00E-02 1.20E+04 5.00E-02 1.00E+04 1 1 8.00E+03 3 4 5 6.00E+03 6 7 8 4.00E+03 9 10 2 Structural Radial Gap (mm ) Gap Heat Transfer Coefficient (W/(m^2-K) ) 2 4.00E-02 3 4 5 3.00E-02 6 7 8 2.00E-02 9 10 1.00E-02 2.00E+03 0.00E+00 0.00E+00 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 Time (sec) 0.5 1 1.5 2 Time (sec) 2.5 3 3.5 Cladding Hoop Strain vver.stripf 1.20E-02 1. Rés hőátadási tényező 1.00E-02 1 Cladding Hoop Strain 2 8.00E-03 3 2. Rés méret 4 5 6.00E-03 6 7 8 4.00E-03 9 10 2.00E-03 3. Kerületi megnyúlás: az inhermetikussá válás lehetőségének vizsgálata céljából 0.00E+00 0 0.5 1 2011 november 1.5 2 Time (sec) 2.5 3 3.5 Bemutatkozó 24 Multiphysics: kapcsolatok a reaktorfizika, a termohidraulika és a fűtőelemen belüli folyamatok modelljei között Reaktorfizika Teljesítmény eloszlás, neutron fluxus, izotópok helyfüggő keletkezése Fűtőelem-viselkedés Fűtőelemen belüli hőmérséklet eloszlás Hőhordozó Hőátadási tényező, hűtőközeg hőmérséklet Termohidraulika hőmérséklet eloszlás Falhőmérséklet, hőfluxus 2011 november Bemutatkozó 25 Rés hőátadási tényező: az előzetes stacionárius számítások alapján paraméterezve, a vizsgált tranziens folyamán 40000 Axial level 1 30000 Axial level 2 2 Gap conductance [W/m /K] 35000 Axial level 3 25000 Axial level 4 Axial level 5 20000 Axial level 6 Axial level 7 15000 Axial level 8 Axial level 9 10000 Axial level 10 Axial level 11 5000 0 400 Enveloping curve From stationer calculation 900 1400 1900 2400 2900 Avaraged fuel temperature [K] 2011 november Bemutatkozó 26 Távolság a krízistől háromféle módszerrel DNBR 1,50E+00 1,45E+00 COUPLED FRAPTRAN-TRABCO 1,40E+00 STANDALONE TRABCO, GAP HEAT CONDCTUNCE FROM THE FRAPTRAN CALC. 1,30E+00 STANDALONE TRABCO, CONSERVATIVE GAP HEAT CONDCTUNCE FROM THE STAT: CALC. 1,25E+00 1,20E+00 1,15E+00 40000 35000 1,10E+00 Axial level 1 30000 Axial level 2 2 Gap conductance [W/m /K] DNBR [-] 1,35E+00 1,05E+00 1,00E+00 0,36 0,37 0,38 0,39 0,4 0,41 Time [s] 2011 november Bemutatkozó 0,42 0,43 Axial level 3 25000 Axial level 4 Axial level 5 20000 Axial level 6 Axial level 7 15000 Axial level 8 Axial level 9 10000 Axial level 10 Axial level 11 5000 0 400 Enveloping curve From stationer calculation 900 1400 1900 2400 Avaraged fuel temperature [K] 27 2900 KÖSZÖNÖM A FIGYELMET. 2011 november Bemutatkozó 28 Tároló és szállító eszközök szubkritikusságának igazolása a kiégés függvényében, alsó polc alsó polc, 20 fok Kinf 0.92 1.30 Kinf 1.20 0.91 1.10 1.00 0.90 0.80 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 Kiégés [MWnap/tU] 0.9 Keff 0.89 n 0.88 p USL 0.87 0.86 0.85 0.84 0 5 10 15 20 25 kiégés (MWd/kgU) 2011 november Bemutatkozó 29 Surface heat flux for the three cases, no DNB 400,00 350,00 2 Heat flux [W/cm ] 300,00 250,00 Coupled FRAPTRAN/TRABCO 200,00 150,00 TRABCO stand alone (FRAPTRAN gap conductance) 100,00 TRABCO stand alone (gap conductance from stationer calc.) 50,00 0,00 3,0E-01 3,2E-01 3,4E-01 3,6E-01 3,8E-01 4,0E-01 4,2E-01 4,4E-01 4,6E-01 4,8E-01 5,0E-01 Time [s] 2011 november Bemutatkozó 30