Reaktor jądrowy jako obiekt sterowania

1. Reaktor jądrowy jako obiekt sterowania Przykładowy reaktor: WWER-440 Reaktor jądrowy energetyczny przewidziany do instalacji w EJ Żarnowiec (I lokalizacja) Elementy budowy reaktora jądrowego WWER-440 związane z dynamiką jego podstawowych procesów technologicznych i z sterowaniem Schematyczny przekrój podłużny reaktora WWER-440

2. Wszystkie dotychczas budowane reaktory jądrowe energetyczne są reaktorami niejednorodnymi – paliwo jądrowe jest w nich mechanicznie oddzielone od chłodziwa i moderatora

3. Reaktory WWER-440 (wszystkie reaktory PWR) należą do grupy:  reaktorówtermicznych – procesy rozszczepienia jąder atomów izotopów paliwowych są powodowane w przeważającej mierze przez neutrony termiczne

4.  wodno – wodnych – moderatorem i chłodziwem jest zwykła woda  zbiornikowych – ciśnienie chłodziwa jest przenoszone przez zbiornik reaktora

5.  słabo wzbogaconych – procent U-235 w świeżych prętach paliwowych zawiera się w granicach 1.6 – 3,6% (naturalny uran zawiera 0.720% U-235)

6.  o gęstej siatce elementów paliwowych – skok siatki elementów paliwowych jest mniejszy lub porównywalny z drogą swobodnego przebiegu neutronów w moderatorze

7. Na początku pracy reaktora typu WWER-440 (PWR) możemy przyjmować, że jego rdzeń składa się z:  jednego izotopu rozszczepialnego U-235  jednego izotopu rodnego U-238 oraz  moderatora - chłodziwa  materiałów konstrukcyjnych  materiałów pochłaniających wprowadzonych do rdzenia w celach regulacyjnych

8. W okresie kampanii reaktora skład rdzenia ulega zmianie Możemy w okresie kampanii mówić, że rdzeń reaktora składa się:  kilku izotopów rozszczepialnych U-235, Pu-239, Pu-241  kilku izotopów rodnych U-238, Pu-240 oraz  moderatora - chłodziwa  materiałów konstrukcyjnych  materiałów pochłaniających wprowadzonych do rdzenia w celach regulacyjnych ale także  substancji pochłaniających pojawiających się w rdzeniu jako skutek reakcji rozszczepienia – produkty rozszczepienia

9. Zmiana składu izotopowego paliwa jądrowego o początkowym wzbogaceniu e = 3% z - bezwymiarowy czas efetktywny pracy paliwa Przy , odpowiada kampanii paliwowej trwającej 3 lata

10. Schematyczny przekrój podłużny reaktora WWER-440

11. Z reaktorem WWER-440 związane były dwa podstawowe układy sterowania: 1. układ sterowania kasetami awaryjno – regulacyjnymi (KAR) Zadania: - sterowanie reakcją łańcuchową mnożenia neutronów - awaryjne wyłączenie reaktora  kasety AR podzielone na 6 grup  przemieszczanie grup kaset w górę i w dół odbywa się w określonej kolejności 1 4 3 - w górę: 1 – 2 – 3 – 4 – 5 - 6 5 1 3 4 6 6 5 - w dół: 6 – 5 – 4 – 3 – 2 - 1 2 2 6

12. n Kartogram pierwszego załadunku reaktora WWER-440 z zaznaczeniem rozmieszczenia grup kaset awaryjno-regulacyjnych (KAR)

13.  przemieszczanie grup kaset może odbywać się w trzech trybach: - regulacyjny poszczególnych grup; prędkość v1 = 2cm/s - awaryjny poszczególnych grup – zrzut awaryjny grawitacyjny; prędkość v2 = 20 – 30 cm/s - awaryjny jednoczesny wszystkich grup – zrzut awaryjny grawitacyjny; prędkość v2 = 20 – 30 cm/s 1 4 3 5 1 3 4 6 6 5 2 2 6

14.  chwile rozpoczęcia ruchu kolejnej grupy są wyznaczone osiągnięciem określonego położenia grupy uprzedniej - ruch w dół: następna grupa rozpoczyna przemieszczanie w dół, gdy grupa aktualnie opuszczana osiągnie poziom podniesienia 50 cm - ruch w górę: następna grupa rozpoczyna przemieszczanie w górę, gdy grupa aktualnie podnoszona osiągnie poziom podniesienia 200 cm

15.  podczas ruchu regulacyjnego ruch grupy kaset, można w każdej chwili wstrzymać  podczas zrzutu awaryjnego poszczególnych grup, ruchu opadającej grupy nie można wstrzymać  podczas zrzutu awaryjnego poszczególnych grup, można podać sygnał wstrzymujący opadnięcie następnej grupy  podczas zrzutu awaryjnego jednoczesnego wszystkich grup, ruchu grupy kaset nie można wstrzymać

16. 2. układ sterowania koncentracją kwasu borowego w chłodziwie Zadania: - kompensacja nadmiaru reaktywności - kompensacja ubytku reaktywności np. wskutek wypalenia, zatrucia i zapopielenia

17.  Minimalne stężenie kwasu borowego w obiegu 0g/kg  Maksymalne stężenie kwasu borowego w obiegu 12g/kg • Zwiększanie stężenia kwasu borowego w obiegu • podawanie do obiegu wody ze stężeniem kwasu borowego 40g/kg z wydajnością 40t/h • Czas uzyskiwania maksymalnego stężenia (od 0gh/kg do 12g/kg – 1.5 godz.) • Zmniejszanie stężenia kwasu borowego w obiegu • podawanie do obiegu wody ze stężeniem kwasu borowego 0g/kg z wydajnością 40t/h • Czas uzyskiwania maksymalnego stężenia (od 12gh/kg do 0g/kg – 7.5 godz.)

18. Elementy konstrukcji reaktora jądrowego istotne w punktu widzenia jego dynamiki i jako obiektu sterowania Schematyczny przekrój poprzeczny kasety paliwowej reaktora WWER-440

19. Schematyczny przekrój podłużny kasety paliwowej reaktora WWER-440

20. Schematyczny przekrój podłużny pręta paliwowego reaktora WWER-440

21. Przekrój podłużny i poprzeczny tabletki paliwowej reaktora WWER-440

22. Schematyczny przekrój podłużny kasety podwójnej reaktora WWER-440

23. Schematyczny przekrój podłużny konstrukcji kasety podwójnej (a) i jej napędu (b) reaktora WWER-440 1 – drążek zębaty 2 – stojan silnika elektrycznego 3 – wirnik silnika elektrycznego 4 – przekładnia 5 – napędzające koło zębate 6 – magnes do wzębienia koła zębatego w drążek zębaty 7 – sprzęgło między drążkiem zębatym a drążkiem pośrednim 8 – drążek pośredni 9 – urządzenie uchwytowe kasety 10 – łożysko 11 – rdzeń liniowego wskaźnika położenia pręta 12 – liniowy wskaźnik położenia pręta 13 – część pochłaniająca kasety podwójnej 14 – wkładka pochłaniająca ze stali borowej 15 – część paliwowa kasety podwójnej 16 – wiązka elementów paliwowych 17 – tłumik hydrauliczny (amortyzator) 18 – górna rura ochronna 19 – dolna rura ochronna 20 – dolna płyta bloku rur ochronnych służąca do utrzymania kaset paliwowych w dolnym położeniu 21 – płyta denna kosza na kasety paliwowe 22 – dolna płyta sitowa w dnie szybu reaktora 23 - obszar rdzenia reaktora

24. Schemat kinematyczny napędu kasety podwójnej AR reaktora WWER-440

25. Bilans reaktywności podstawą umiejętności sterowania reaktorem jądrowym REAKTOR JĄDROWY ENERGETYCZNY podstawowa wielkość sterowana to CAŁKOWITA MOC CIEPLNA

26. Zależność:  CAŁKOWITA MOC CIEPLNA REAKTORA  GĘSTOŚĆ STRUMIENIA NEUTRONÓW TERMICZNYCH  GĘSTOŚĆ NEUTRONÓW TERMICZNYCH W określonej chwili kampanii reaktora - całkowita moc cieplna reaktora - uśredniona po objętości rdzenia gęstość neutronów termicznych - energia przypadająca na jedno rozszczepienie i. izotopu rozszczepialnego - średnia prędkość neutronów termicznych w rdzeniu - mikroskopowy przekrój czynny na rozszczepienie i. izotopu rozszczepialnego - średnia koncentracja jąder i. izotopu rozszczepialnego w rdzeniu reaktora - uśredniona po objętości rdzenia gęstość strumienia neutronów termicznych - objętość paliwa w rdzeniu reaktora

27. Możliwości sterowania mocą cieplną reaktora - całkowita moc cieplna reaktora - współczynnik proporcjonalności między całkowitą mocą cieplną reaktora a uśrednioną po objętości rdzenia gęstością neutronów termicznych - uśredniona po objętości rdzenia gęstość neutronów termicznych j. pokolenia - czas życia neutronów natychmiastowych w rdzeniu - uśredniona po objętości rdzenia gęstość neutronów termicznych - efektywny współczynnik mnożenia rdzenia reaktora - reaktywność rdzenia

28. Istota procesu sterowania mocą cieplną reaktora jądrowego ZMIANY GĘSTOŚCI NEUTRONÓW ZMIANY REAKTYWNOŚCI ZMIANY GĘSTOŚCI STRUMIENIA NEUTRONÓW ZMIANY MOCY CIEPLNEJ REAKTORA STEROWANIE MOCĄ CIEPLNĄ REAKTORA JĄDROWEGO jest związane z umiejętnością PROWADZENIA BILANSU REAKTYWNOŚCI

29. Procesy określające stan reaktora jądrowego powiązania technologiczne powiązania informacyjne Oddziaływania powolne Efekt reaktywnościowy działania układu sterowania borowego Działanie układu sterowania borowego - efekt reaktywnościowy działania układu regulacji borowej Oddziaływania szybkie Efekt reaktywnościowy działania układu sterowania i zabezpieczeń (kasety AR) Działanie układu sterowania i zabezpieczeń - uśredniona po objętości rdzenia gęstość neutronów termicznych Σ - efekt reaktywnościowy działania układu sterowania i zabezpieczeń - zapas reaktywności wbudowany Kinetyka neutronów Procesy szybkie - reaktywność sumaryczna Generacja i wymiana ciepła Efekty reaktywnościowe generacji i wymiany ciepła - efekt reaktywnościowy zmian temperatury - efekt reaktywnościowy zmian mocy - efekt reaktywnościowy zmian zatrucia - efekt reaktywnościowy zmian zapopielenia Zatruwanie i zapopielanie Efekty reaktywnościowe zatrucia i zapopielenia Procesy powolne Wypalanie paliwa jądrowego Efekty reaktywnościowe wypalania paliwa jądrowego - efekt reaktywnościowy zmian wypalenia i konwersji paliwa

30. Cechy reaktora jądrowego (WWER-440) jako obiektu sterowania Obiekt o parametrach rozłożonych (niejednorodność) Przykłady:  Rozkład gęstości strumienia neutronów w rdzeniu  Rozkład temperatury w rdzeniu Obiekt o parametrach zmiennych w czasie (niestacjonarność) Przykłady:  Zmiany właściwości cieplno - fizycznych  Zmiana składu izotopowego rdzenia Nasza droga postępowania Poznanie dynamiki procesów reaktora (WWER-440) poprzez ich modele punktowe Konieczność:  Uśredniania po objętości rdzenia zmiennych i parametrów  Ustatycznienia w pewnych przedziałach czasu zmienności parametrów

31. Przykłady wskazanych cech OSIOWY ROZKŁAD GENERACJI CIEPŁA W REAKTORZE WWER-440 Przypadek:  rdzeń ujednorodniony  względna efektywna poprawka wysokości rdzenia 0.072 Oznaczenia: - funkcja osiowej generacji ciepła, przy czym gdzie: - współczynnik proporcjonalności - składowa osiowa przestrzennego rozkładu strumienia neutronów termicznych - maksymalna wartość strumienia neutronów termicznych w rdzeniu reaktora

32. Przykłady wskazanych cech OSIOWY ROZKŁAD TEMPERATURY W PRĘCIE PALIWOWYM REAKTORA WWER-440 Przypadek:  sinusoidalny rozkład generacji ciepła  kanał centralny  całkowita moc cieplna reaktora  wydatek objętościowy chłodziwa przez rdzeń  temperatura chłodziwa na wlocie do rdzenia Oznaczenia: 1 – współczynnik przekazywania ciepła w szczelinie paliwo – koszulka 2 – temperatura powierzchni zewnętrznej tabletek paliwowych 3 – temperatura powierzchni wewnętrznej tabletek paliwowych

33. Przykłady wskazanych cech OSIOWY ROZKŁAD TEMPERATURY CHŁODZIWA W KANALE PALIWOWYM REAKTORA WWER-440 Przypadek:  sinusoidalny rozkład generacji ciepła  kanał centralny  całkowita moc cieplna reaktora  wydatek objętościowy chłodziwa przez rdzeń  temperatura chłodziwa na wlocie do rdzenia Oznaczenia: 1 – współczynnik przekazywania ciepła na styku koszulka - chłodziwo 2 – temperatura chłodziwa 3 – temperatura powierzchni zewnętrznej koszulki paliwowej 4 – temperatura powierzchni wewnętrznej koszulki paliwowej

34. Przykłady wskazanych cech CIEPŁO WŁAŚCIWE UO2 - ZALEŻNOŚĆ OD TEMPERATURY Oznaczenia: 1 – aproksymacja zależności za pomocą wzoru: gdzie: - ciepło właściwe UO2, - temperatura UO2,

35. Przykłady wskazanych cech WSPÓŁCZYNNIK PRZEWODNOŚCI CIEPLNEJ UO2 - ZALEŻNOŚĆ OD TEMPERATURY Oznaczenia: 1 – aproksymacja zależności za pomocą wzoru: gdzie: - współczynnik przewodności cieplnej UO2, - temperatura UO2, Oznaczenia: 2 – aproksymacja zależności za pomocą wzoru: gdzie: - współczynnik gęstości teoretycznej UO2,

36. Przykłady wskazanych cech ZMIANA KONCENTRACJI U-235 - W KASECIE O WZBOGACENIU 1.6% I 2.4% REAKTORA wwer-440

37. Przykłady wskazanych cech ZMIANA KONCENTRACJI U-235 - W KASECIE O WZBOGACENIU 3.6% REAKTORA wwer-440

38. Przykłady wskazanych cech ZMIANA KONCENTRACJI U-235 - W KASETACH REAKTORA wwer-440

39. Dziękuję za uczestnictwo w wykładzie i uwagę Zapraszam na kolejny wykład