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