Reaktoranalízis Laboratórium (RAL) Keresztúri András AEKI – IKI bemutatkozó 2011 november

1. Reaktoranalízis Laboratórium (RAL) Keresztúri András AEKI – IKI bemutatkozó 2011 november Bemutatkozó

2. 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 hibájábólszármazó bizonytalanságok mértékének meghatározása - On-line csatolás → multiphysics modellezés, első lépések Bemutatkozó

3. 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) Bemutatkozó

4. Zóna paraméterek Spektrum Rezonancia önárnyékolás Magfizikai folyamatok Zóna Cella, rács, köteg, környezet Atommag Számítási szintek a reaktorfizikában, KARATE A reaktorfizikai modellezés szintekre való bontása 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”) kevés-csoportállandók a nagyobb régiók (pl. az egész reaktor) számítása során használhatók. Bemutatkozó

5. 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) Bemutatkozó

6. A csatolt kódrendszer programjai, kapcsolatai Bemutatkozó

7. „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 Bemutatkozó

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

9. 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 Bemutatkozó

10. Azónatervezésviszonya 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. Bemutatkozó

11. 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 Üzemzavar elemzés, az elfogadási kritérium teljesülésének igazolása Bemutatkozó

12. 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 Bemutatkozó

13. 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) Bemutatkozó

14. Perspektivikus témák, jövőbeli reaktortípusok víziói Bemutatkozó

15. 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 Bemutatkozó

16. Példa: abszorbens kilökődése, KIKO3D elemzés hajtás tok fedél közbenső rúd Bemutatkozó

17. kq(t)/kq(t=0) Bemutatkozó

18. kq(t)/kq(t=0) Bemutatkozó

19. SZBV kazetta kilökődésének bizonytalansági elemzése 1. ábra. Zóna teljesítmény, átlagos lineáris hőteljesítményben megadva: az N = 100 futásra vonatkozóan. Bemutatkozó

20. SZBV kazetta kilökődésének bizonytalansági elemzése 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). 2b. ábra. Maximális hőfluxus a legterheltebb forrócsatornában - input paraméterek közti korrelációs együtthatók az idő függvényében. Bemutatkozó

21. SZBV kazetta kilökődésének bizonytalansági elemzése 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). 3b. ábra. DNBR min. a legterheltebb forrócsatornában- input paraméterek közti korrelációs együtthatók az idő függvényében. Bemutatkozó

22. SZBV kazetta kilökődésének bizonytalansági elemzése 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). 4b. ábra. A legterheltebb forrócsatorna max. fűtőelem hőmérséklete - input paraméterek közti korrelációs együtthatók az idő függvényében. Bemutatkozó

23. SZBV kazetta kilökődésének bizonytalansági elemzése 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). Fűtőelem burkolat max. hőmérséklete a legterheltebb csatornában - input paraméterek közti korrelációs együtthatók az idő függvényében. Bemutatkozó

24. FRAPTRAN fűtőelem-viselkedési számítási eredmények • Rés hőátadási tényező • Rés méret • Kerületi megnyúlás: az inhermetikussá válás lehetőségének vizsgálata céljából Bemutatkozó

25. Reaktorfizika Teljesítmény eloszlás, neutron fluxus, izotópok helyfüggő keletkezése Fűtőelemen belüli hőmérséklet eloszlás Hőhordozó hőmérséklet eloszlás Hőátadási tényező, hűtőközeg hőmérséklet Fűtőelem-viselkedés Termohidraulika Falhőmérséklet, hőfluxus Multiphysics: kapcsolatok a reaktorfizika, a termo-hidraulika és a fűtőelemen belüli folyamatok modelljei között Bemutatkozó

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

27. Távolság a krízistől háromféle módszerrel Bemutatkozó

28. KÖSZÖNÖM A FIGYELMET. Bemutatkozó

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

30. Surface heat flux for the three cases, no DNB Bemutatkozó