Reaktiivisuustransienttien hallinnan kehittäminen Loviisan ydinvoimalaitokselle
Leppänen, Riku (2021)
Diplomityö
Leppänen, Riku
2021
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021052832080
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021052832080
Tiivistelmä
Reaktiivisuus kuvaa poikkeamaa kriittisestä reaktorista. Tehoreaktorissa reaktiivisuuteen vaikuttaa takaisinkytkennät, sillä sydämen materiaalien neutronifysikaaliset ominaisuudet muuttuvat termisen tehon muuttuessa. Esimerkiksi voimakkaan neutronimyrkyn ksenon-135:n käyttäytyminen vahvistaa reaktiivisuusvaikutusta neutronivuon muutossuuntaan. Näin ollen reaktiivisuutta täytyy hallita aktiivisesti. Loviisan VVER-440-reaktoriyksiköissä hallitseminen toteutetaan säätösauvoja liikuttelemalla, sekä jäähdytteen tulolämpötilaa ja booripitoisuutta muuttamalla. Tietyistä reaktorin käyttöhäiriöistä voi seurata voimakas reaktiivisuustransientti. Esimerkiksi säätösauvan tipahtaminen voi myrkyttää sydämen epähomogeenisesti, jolloin reaktiivisuus muuttuu paikallisesti muuta sydäntä voimakkaammin. Se voi puolestaan johtaa termisten marginaalien ylittymiseen energiantuotannon painottuessa pienempään tilavuuteen sydämessä.
Tässä diplomityössä kehitetään Loviisan VVER-440-reaktoriyksiköille uusi reaktiivisuustransienttien hallintaa avustava työkalu ReactranHelp. Työssä pyritään vastaamaan ydinvoimalaitoksen käyttöorganisaation ja reaktorifysiikkaryhmän vaatimuksiin, jotka ovat peräisin nykyisen työkalun puutteista ja huonoista käyttökokemuksista. Uuden työkalun täytyy kyetä ennustamaan optimaalinen reaktorin tehon nostaminen, reaktiivisuuden säätö sekä termisten marginaalien käyttäytyminen reaktiivisuustransientin aikana.
ReactranHelp käyttää hyödyksi Loviisan VVER-440-reaktoriyksiköiden termisten marginaalien nykytilavalvontaan käytettyä RESU-98:a. Se simuloi reaktorisydämiä kolmiulotteisesti sekä hyödyntää tuloksien tarkentamiseen mittausinstrumentointia. Optimaalinen tehon nostaminen ja reaktiivisuuden säätö arvioidaan menetelmällä, jossa säätömekanismien säätövarat käytetään loppuun prioriteettijärjestyksessä. Lisäksi menetelmässä varmistetaan samalla riittävän suuret termiset marginaalit.
ReactranHelp todettiin validoiduksi tapauksella, joka tapahtui Loviisa-1:llä heinäkuussa 2020. Säätösauva tippui ala-asentoon yhdeksäksi tunniksi, jonka seurauksena sydämen kuumimman alikanavan lähtölämpötila nousi 0,1 ℃:n päähän turvallisuusrajasta tehonnoston jälkeen. ReactranHelp ennusti reaktiivisuuden säädön optimaalisemmaksi, sillä se ehdotti käytettäväksi matalampaa jäähdytteen tulolämpötilaa. Lisäksi termiset marginaalit ennustettiin riittävän hyvällä tarkkuudella. Reactivity describes the deviation from the critical reactor. In power reactors, the reactivity is affected by feedback effects because the neutron physicals properties of the core's materials change when thermal power changes. For example, strong neutron poison xenon-135 amplifies the reactivity effect in the same direction as neutron flux changes. Thus, reactivity must be managed actively. In the VVER-440 reactors, reactivity can be managed by moving control rods, changing the core's inlet temperature, and boron concentration of the coolant. Some malfunctions or incidents can lead to strong reactivity transients. For example, falling of control rod can poison the reactor core inhomogeneously which in turn causes reactivity to change locally more strongly compared to the rest of the core. It can lead thermal marginals to exceed since the thermal energy production balances into a smaller volume.
In this master's thesis, a new auxiliary tool ReactranHelp is developed for the management of reactivity transients for Loviisa VVER-440 reactors. The tool is developed to meet the requirements of the operating organization and reactor physics group. The requirements have arisen from shortcomings and poor user experience of the current reactivity management tool. The new tool must be able to evaluate the optical way to raise the power, manage the reactivity and predict the behaviour of the thermal marginals.
ReactranHelp takes advantage of RESU-98 program which is used to supervise the thermal marginals of the Loviisa VVER-440 reactors. It simulates the reactor cores in 3D and utilizes measurement instrumentation to refine the results. An optimal way to raise the power and manage the reactivity is estimated with a method that exhausts reactivity control mechanisms in priority order. In the process, sufficient thermal marginals are ensured.
ReactranHelp was validated successfully with a case that occurred at Loviisa-1 in July 2020. One control rod dropped to the down position for nine hours which in turn got the hottest subchannel temperature to raise 0,1 ℃ away from the safety limit after thermal power was raised. ReactranHelp suggested a more optimal way to manage reactivity since it proposed a lower inlet temperature of the coolant to be used. Also, the thermal marginals were predicted with sufficient accuracy.
Tässä diplomityössä kehitetään Loviisan VVER-440-reaktoriyksiköille uusi reaktiivisuustransienttien hallintaa avustava työkalu ReactranHelp. Työssä pyritään vastaamaan ydinvoimalaitoksen käyttöorganisaation ja reaktorifysiikkaryhmän vaatimuksiin, jotka ovat peräisin nykyisen työkalun puutteista ja huonoista käyttökokemuksista. Uuden työkalun täytyy kyetä ennustamaan optimaalinen reaktorin tehon nostaminen, reaktiivisuuden säätö sekä termisten marginaalien käyttäytyminen reaktiivisuustransientin aikana.
ReactranHelp käyttää hyödyksi Loviisan VVER-440-reaktoriyksiköiden termisten marginaalien nykytilavalvontaan käytettyä RESU-98:a. Se simuloi reaktorisydämiä kolmiulotteisesti sekä hyödyntää tuloksien tarkentamiseen mittausinstrumentointia. Optimaalinen tehon nostaminen ja reaktiivisuuden säätö arvioidaan menetelmällä, jossa säätömekanismien säätövarat käytetään loppuun prioriteettijärjestyksessä. Lisäksi menetelmässä varmistetaan samalla riittävän suuret termiset marginaalit.
ReactranHelp todettiin validoiduksi tapauksella, joka tapahtui Loviisa-1:llä heinäkuussa 2020. Säätösauva tippui ala-asentoon yhdeksäksi tunniksi, jonka seurauksena sydämen kuumimman alikanavan lähtölämpötila nousi 0,1 ℃:n päähän turvallisuusrajasta tehonnoston jälkeen. ReactranHelp ennusti reaktiivisuuden säädön optimaalisemmaksi, sillä se ehdotti käytettäväksi matalampaa jäähdytteen tulolämpötilaa. Lisäksi termiset marginaalit ennustettiin riittävän hyvällä tarkkuudella.
In this master's thesis, a new auxiliary tool ReactranHelp is developed for the management of reactivity transients for Loviisa VVER-440 reactors. The tool is developed to meet the requirements of the operating organization and reactor physics group. The requirements have arisen from shortcomings and poor user experience of the current reactivity management tool. The new tool must be able to evaluate the optical way to raise the power, manage the reactivity and predict the behaviour of the thermal marginals.
ReactranHelp takes advantage of RESU-98 program which is used to supervise the thermal marginals of the Loviisa VVER-440 reactors. It simulates the reactor cores in 3D and utilizes measurement instrumentation to refine the results. An optimal way to raise the power and manage the reactivity is estimated with a method that exhausts reactivity control mechanisms in priority order. In the process, sufficient thermal marginals are ensured.
ReactranHelp was validated successfully with a case that occurred at Loviisa-1 in July 2020. One control rod dropped to the down position for nine hours which in turn got the hottest subchannel temperature to raise 0,1 ℃ away from the safety limit after thermal power was raised. ReactranHelp suggested a more optimal way to manage reactivity since it proposed a lower inlet temperature of the coolant to be used. Also, the thermal marginals were predicted with sufficient accuracy.