reaktoranalízis laboratórium (ral) keresztúri andrás aeki – iki bemutatkozó 2011 november

2011 november Bemutatkozó 1

Reaktoranalízis Laboratórium(RAL)

Keresztúri András

AEKI – IKI bemutatkozó2011 november


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: reaktorfizikatermohidraulika,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


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• multiphysicsPéldák:•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)


Rezonancia

önárnyé

kolás

S

pektrum Zóna para

méterek

Magfizika

i

folyamatok

Zóna

Cella, rács, köteg, környezet Atommag

A reaktorfizikai modellezés szintekre való bontása

A kisebb kiterjedésű régiók (cella, kazetta) egy nem túl tág energia tartományának részletes számításieredményeit a távolabbi környezet kevésbé befolyásolja, így az itt kapott, egyes energiatartományokraátlagolt („kondenzált”) kevés-csoportállandók a nagyobb régiók (pl. az egész reaktor) számítása során használhatók.

Számítási szintek a reaktorfizikában, KARATE


Intézeti fejlesztésű kódok

KARATE; három egymásra épülő „szintből” álló, csatolt reaktorfizikai termo-hidraulikai 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)


A csatolt kódrendszer programjai, kapcsolatai


„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


Különböző dúsítású, hőmérsékletű, rácsosztású, bórsav koncentrációjú kritikus ZR-6 rácsok számított sokszorozási tényezői

0,97

0,98

0,99

1

1,01

1,02

1,03

11,0/

3,6/

0,0/

20

11,0/

3,6/

0,0/

80

11,0/

3,6/

0,0/

130

11,0/

3,6/

0,0/

20

11,0/

3,6/

0,0/

80

11,0/

3,6/

0,0/

130

11,0/

3,6/

1,0/

20

11,0/

3,6/

1,4/

20

12,7/

1,6/

0,0/

20

12,7/

1,6/

1,8/

20

12,7/

3,6/

0,0/

20

12,7/

3,6/

0,0/

80

12,7/

3,6/

0,0/

130

12,7/

3,6/

4,0/

20

12,7/

3,6/

4,0/

80

12,7/

3,6/

4,0/

130

12,7/

3,6/

5,8/

20

12,7/

3,6/

5,8/

80

12,7/

3,6/

5,8/

130

12,7/

3,6/

7,2/

20

12,7/

4,4/

0,0/

20

12,7/

4,4/

0,6/

20

12,7/

4,4/

7,2/

20

15,0/

1,6/

0,0/

20

15,0/

3,6/

0,0/

20

15,0/

3,6/

4,0/

20

15,0/

4,4/

0,0/

20

APP.PIJ4

APP.PIJ7

APP.MOC

HELIOS

KARATE


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


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.


A keretparaméterek szerepe az üzemzavarok következményeinek korlátozásában, bizonytalanságok, “margin”

Zónatervezés, a keretparaméterek betartása

Biztonsági sáv

Üzemzavar elemzés, az elfogadási kritérium teljesülésének igazolása

Elfogadási kritérium

Biztonsági sáv

SZÁMÍTOTT érték

Megengedett SZÁMÍTOTT érték

A biztonsági elemzések keretparaméterének valódi értéke


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 energia-termelési 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


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 VVER-440 szimulátor, Mochovce, Bochunice)


Perspektivikus témák, jövőbeli reaktortípusok víziói


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 izotóp-átalakítási képességének vizsgálata• “Multi-physics” csatolás a reaktorfizikai, termo-hidraulikai és termo-mechanikai 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


hajtás tok

fedél

Példa: abszorbens kilökődése,

KIKO3D elemzés

közbenső rúd


kq(t)/kq(t=0)


SZBV kazetta kilökődésének bizonytalansági elemzése

1.0E-03

1.0E-02

1.0E-01

1.0E+00

1.0E+01

1.0E+02

1.0E+03

1.0E+04

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

Time (s)

Lin

ear

Hea

t R

ate

(W/c

m)

(lo

g)

1. ábra. Zóna teljesítmény, átlagos lineáris hőteljesítményben megadva: azN = 100 futásra vonatkozóan.



0.0E+00

2.0E+02

4.0E+02

6.0E+02

8.0E+02

1.0E+03

1.2E+03

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

Time (s)

Max

imal

Hea

t F

lux

(W/c

m)

Upper limit

Lower limit

Conservative

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

Time (s)C

orr

elat

ion

co

effi

cien

t (-

)

Doppler coe. Rod worthMod. coe. Mass flowInlet temp. Beta eff.Lambda eff. Acceleration

2a. ábra. Maximális hőfluxus a legterheltebb forrócsatornában: a felső és alsó korlátra, valamint a konzervatív számításra vonatkozóan (=0.96, =0.95 és N=100).

2b. ábra. Maximális hőfluxus a legterheltebb forrócsatornában - input paraméterek közti korrelációs együtthatók az idő függvényében.



0.0E+00

1.0E+00

2.0E+00

3.0E+00

4.0E+00

5.0E+00

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

Time (s)

DN

BM

(-)

Upper limit

Lower limit

Conservative

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

Time (s)

Co

rrel

atio

n c

oef

fici

ent

(-)


3a. ábra. DNBR min. a legterheltebb forrócsatornában: a felső és alsó korlátra, valamint a konzervatív számításra vonatkozóan (=0.96, =0.95 és N=100).

3b. ábra. DNBR min. a legterheltebb forrócsatornában- input paraméterek közti korrelációs együtthatók az idő függvényében.



2.0E+02

4.0E+02

6.0E+02

8.0E+02

1.0E+03

1.2E+03

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

Time (s)

Max

. T

emp

. o

f F

uel

(oC

)

Upper limit

Lower limit

Conservative

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

Time (s)

Co

rrel

atio

n c

oef

fici

ent

(-)


4a. ábra. A legterheltebb forrócsatorna max. fűtőelem hőmérséklete: a felső és alsó korlátra, valamint a konzervatív számításra vonatkozóan (=0.96, =0.95 és N=100).

4b. ábra. A legterheltebb forrócsatorna max. fűtőelem hőmérséklete - input paraméterek közti korrelációs együtthatók az idő függvényében.



2.0E+02

3.0E+02

4.0E+02

5.0E+02

6.0E+02

7.0E+02

8.0E+02

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

Time (s)

Max

. T

emp

. o

f C

lad

Su

rfac

e (o

C)

Upper limit

Lower limit

Conservative

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

Time (s)

Co

rrel

atio

n c

oef

fici

ent

(-)


Fűtőelem burkolat max. hőmérséklete a legterheltebb csatornában: a felső és alsó korlátra, valamint a konzervatív számításra vonatkozóan (=0.96, =0.95 és N=100).

Fűtőelem burkolat max. hőmérséklete a legterheltebb csatornában - input paraméterek közti korrelációs együtthatók az idő függvényében.


FRAPTRAN fűtőelem-viselkedési számítási eredmények

1. Rés hőátadási tényező

2. Rés méret

3. Kerületi megnyúlás: az inhermetikussá válás lehetőségének vizsgálata céljából

0.00E+00

2.00E+03

4.00E+03

6.00E+03

8.00E+03

1.00E+04

1.20E+04

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Gap

Hea

t T

ran

sfer

Co

effi

cien

t (W

/(m

^2-

K)

)

Time (sec)

Gap Heat Transfer Coefficient (W/(m^2-K) )vver.stripf

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0.00E+00

2.00E-03

4.00E-03

6.00E-03

8.00E-03

1.00E-02

1.20E-02

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Cla

dd

ing

Ho

op

Str

ain

Time (sec)

Cladding Hoop Strainvver.stripf

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0.00E+00

1.00E-02

2.00E-02

3.00E-02

4.00E-02

5.00E-02

6.00E-02

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Str

uct

ura

l R

adia

l G

ap (

mm

)

Time (sec)

Structural Radial Gap (mm )vver.stripf

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10


Multiphysics: kapcsolatok a reaktorfizika, a termo-hidraulika és a fűtőelemen belüli folyamatok modelljei között

Teljesítmény eloszlás,

neutron fluxus,

izotópok helyfüggő

keletkezése

Reaktorfizika

Fűtőelemen belüli hőmérséklet eloszlás

Fűtőelem-viselkedés TermohidraulikaHőátadási tényező, hűtőközeg hőmérséklet

Falhőmérséklet,

hőfluxus

Hőhordozó

hőmérséklet eloszlás


Rés hőátadási tényező: az előzetes stacionárius számítások alapján paraméterezve, a vizsgált tranziens folyamán

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

400 900 1400 1900 2400 2900

Avaraged fuel temperature [K]

Gap

co

nd

uct

ance

[W

/m2 /K

] Axial level 1

Axial level 2

Axial level 3

Axial level 4

Axial level 5

Axial level 6

Axial level 7

Axial level 8

Axial level 9

Axial level 10

Axial level 11

Enveloping curve

From stationercalculation


Távolság a krízistől háromféle módszerrel

DNBR

1,00E+00

1,05E+00

1,10E+00

1,15E+00

1,20E+00

1,25E+00

1,30E+00

1,35E+00

1,40E+00

1,45E+00

1,50E+00

0,36 0,37 0,38 0,39 0,4 0,41 0,42 0,43

Time [s]

DN

BR

[-]

COUPLED FRAPTRAN-TRABCO

STANDALONE TRABCO, GAP HEATCONDCTUNCE FROM THE FRAPTRAN CALC.

STANDALONE TRABCO, CONSERVATIVE GAPHEAT CONDCTUNCE FROM THE STAT: CALC.

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

400 900 1400 1900 2400 2900

Avaraged fuel temperature [K]

Gap

co

nd

uct

ance

[W

/m2/K

] Axial level 1

Axial level 2

Axial level 3

Axial level 4

Axial level 5

Axial level 6

Axial level 7

Axial level 8

Axial level 9

Axial level 10

Axial level 11

Enveloping curve

From stationercalculation


KÖSZÖNÖM A FIGYELMET.


Tároló és szállító eszközök szubkritikusságának igazolása a kiégés függvényében, alsó polc

alsó polc, 20 fok

0.84

0.85

0.86

0.87

0.88

0.89

0.9

0.91

0.92

0 5 10 15 20 25

kiégés (MWd/kgU)

Kef

f

n

p

USL

0.80

0.90

1.00

1.10

1.20

1.30

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000

Kiégés [MWnap/tU]

Kin

f

Kinf


Surface heat flux for the three cases, no DNB

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00

300,00

350,00

400,00

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]

Hea

t fl

ux

[W/c

m2 ]

Coupled FRAPTRAN/TRABCO

TRABCO stand alone (FRAPTRANgap conductance)

TRABCO stand alone (gapconductance from stationer calc.)

reaktoranalízis laboratórium (ral) keresztúri andrás aeki – iki bemutatkozó 2011 november

Documents