Az Oktatóreaktor reaktivitástartalékemelésének opciói és ezek biztonsági vonzata

Átírás

1 Az Oktatóreaktor reaktivitástartalékemelésének opciói és ezek biztonsági vonzata Czifrus Szabolcs Papp Ildikó Horváth András Kovács István Soma BME Nukleáris Technikai Intézet április 29.

2 Célkitűzés Az oktatóreaktor reaktivitástartalékát az elkövetkező években emelni kell Erre több lehetőség is van Az opciók több szempontból vizsgálhatók Megoldhatóság, nukleáris biztonság, keletkezik-e elhelyezendő radioaktív anyag vagy kiégett kazetta A reaktorfizikai vizsgálatokhoz state-of-the-art program áll rendelkezésre A biztonsági vonzatokat saját kóddal elemezzük

3 Az Oktatóreaktor Víz moderátor, víz hűtés Nyitott vízfelszín 1971 óta működik 1980 óta változatlan zónakonfiguráció és változatlan üzemanyag Kísérleti berendezések: csőposta, vízszintes és függőleges besugárzó csatornák, besugárzó alagút 4 szabályozó és biztonságvédelmi rúd Passzív védelem: elektromágnese felfüggesztés -7$ lezárási reaktivitás

4 Az aktív zóna felépítése EK-10 fűtőelem 10% dúsítás, fém magnézium mátrix 369 pálca Alumínium burkolat Teljes urántömeg: ~30 kg Induló 235 U tömeg: 2952 g Induló reaktivitás (1980): 1,56$

5 Felszabadított energia (MWh) Teljesítménytörténet Csak akkor üzemel, ha hallgatói méréshez vagy kutatási feladathoz szükséges december 31-ig kwh felszabadított energia Kb. 0,6 Mwnap/kg kiégésnek felel meg 2014 végén a reaktivitástartalék 75 cent Év

6 Számítási módszer és program Kis zóna és torzított rácsgeometria, kísérleti berendezések stb. miatt Monte Carlo modellezés MCNP6: reaktorfizikai szempontból referenciaprogram Szinte kompromisszum nélküli modellezés lehetősége Kiégésszámítás Magas szintű validáltság ENDF/B-VII.1 alkalmazása NTI: 20 év tapasztalat

7 Számítási modell A rendelkezésre álló információt teljes mértékig felhasználtuk Rácstorzításokat, irregularitásokat figyelembe vettük Szabályozórudak: átmérő, kadmiumvastagág nem pontosan ismert, ezért reverse engineering módszere Grafitra saját mérés Reaktivitás-különbségeket szeretnénk számítani, ezért friss zónát használunk

8 A modell validációja A számítási modellt validáltuk mérésekkel Reaktivitás-változás mérése inverz kinetikával Grafit reflektorok és üzemanyagkazetták kiemelésének reaktivitás-hatása

9 A modell validációja 8 esetben mértük a reaktivitást Ugyanezekre az esetekre az MCNPvel számítottuk a reaktivitáskülönbségeket Grafit reflektorok értékessége 36 és 65 cent között változik Szabályozórudak értékességét is meghatároztuk Friss zóna reaktivitástartaléka ismert 1980-as mérésekből Jelenlegi zónára van reaktivitásmérés Ezzel a kiégésszámítás is validálható Leírása k eff st.dev. (pcm) ($) Alapmodell - referencia 1, , B2 grafit vízre cserélve 1, , ,362 C2 grafit vízre cserélve 1, , ,543 D2 grafit vízre cserélve 1, , ,656 E2 grafit vízre cserélve 1, , ,543 B3 üa. kazetta vízre cserélve 1, , ,420 C3 üa. kazetta vízre cserélve 0, , ,597 B4 üa. kazetta vízre cserélve 0, , ,323 C4 üa. kazetta vízre cserélve 0, , ,005 Kézi szabályozórúd betolva 0, , ,873 Automata szabályozórúd betolva 1, , ,841 Teljesen friss (kiégés nélküli zónakonfig.) keff számítása 1, , Minden kazetta anyaga ki van égetve 1, , ,878

10 Kiégett zóna A modell validációja Jó egyezés a mért és számított reaktivitás-változások között A B2 grafit kivételével kétszeres szóráson belül van az eltérés Az eltérés okát kutatjuk A többi esetben az egyezés jó, ezért a modellt validáltnak tekintjük Leírása B2 grafit vízre cserélve C2 grafit vízre cserélve D2 grafit vízre cserélve E2 grafit vízre cserélve B3 üa. kazetta vízre cserélve C3 üa. kazetta vízre cserélve B4 üa. kazetta vízre cserélve C4 üa. kazetta vízre cserélve Kézi szabályozórúd betolva Automata szabályozórúd betolva Számított ($) Számított érték szórása ($) Mért ($) Mért érték szórása ($) C/E C/E σ calc 0,362 0,018 0,309 0,02 17,2% 2,31 0,543 0,018 0,524 0,02 3,1% 0,63 0,656 0,019 0,626 0,02 5,4% 1,28 0,543 0,019 0,495 0,02 9,1% 1,79 1,420 0,019 1,396 0,02 1,7% 0,88 2,597 0,019 2,607 0,02-0,3% 0,28 2,323 0,019 2,341 0,02-0,9% 0,76 4,005 0,018 4,045 0,04-0,9% 0,84 1,873 0,022 1,887 0,02-0,7% 0,47 0,841 0,018 0,852 0,02-1,3% 0,40

11 Reaktivitás-tartalék (cent) reaktivitás-tartalék felszabadított energia Felszabadított energia (kwh) A jelenlegi reaktivitástartalék Az aktív zóna jelenlegi reaktivitástartaléka 75 cent Hogyan változott ez az időben? Ebből kiszámítható, hogy fogyás üteme jó közelítéssel 1/4900 cent/kwh Ez extrapolálható a jövőre Idő

12 Reaktivitás ( ) A rudak által lekötött reaktivitás ( ) Mekkora emelésre van szükség? Mekkora reaktivitást köt le a melegedés? ~18 cent Mekkora reaktivitást köt le a 100 kw-os teljesítmény? ~39 cent 11 év múlva is szeretnénk 8 óra 100 kw-os üzemet A kézi és automata szabályozórudat nem szeretnénk 550 mm-es pozíció fölött üzemszerűen tartani Ez ~9 cent 4 cent tartalékkal kb. 70 cent kell 2026 végén is :12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 Idő ( ) i mérés i mérés Névleges teljesítmény (W)

13 Mekkora emelésre van szükség? Forgatókönyv Jellemzők A A közötti időszakban a megelőző évek ( közötti időszak) relatív alacsony energiafelszabadítású tendenciája folytatódik, vagyis az évente átlagosan felszabadított energia mennyisége k A =6000 kwh/év. B Az 1993-as évet megelőző időszak magas energiafelszabadítású időszakait figyelmen kívül hagyjuk, és feltételezzük, hogy a közötti időszak átlagos felszabadított energiamennyisége meg fog egyezni az között évente átlagosan felszabadított energia mennyiségével (k B =10000 kwh/év) C Feltételezzük, hogy a 2013-ban felszabadított több, mint kwh energia azt jelzi, hogy a időszak alacsony energiafelhasználása után az es évek között időszakhoz hasonlóan ismét magas lesz a reaktorban történő energiafelszabadítás. Ez esetben évente k C =13500 kwh energia felszabadításához megfelelő reaktivitástartalékot kell biztosítanunk. Különböző forgatókönyvek a reaktivitásfogyás extrapolált ütemének megfelelően A B forgatókönyvet választjuk ki Forgatókönyv Reaktivitás fogyás (cent) (4900 kwh/ ) Szükséges emelés ( ) A 13,5 8,5 B 22,4 17,4 C 30,3 25,3

14 Hogyan lehet a rendszerbe bevinni ekkora reaktivitást? Lehetőségek: 1. Üzemanyagkazetták forgatása 2. Üzemanyagkazetták cseréje frissre 3. Grafit reflektorelem bevitele 4. Nem viszünk be reaktivitást korlátozzuk a teljesítményt

15 1. opció: kazettaforgatás 0,411 0,383 0,347 0,358 A kiégés pálcánkénti meghatározása Jelenleg az MCNP-ben nincsen erre opció Rendkívül bonyolult kiszámítani a szükséges pontossággal, mivel igen kis reaktivitás-változásokról van szó Perturbációszámítás + adjungált elmélet: egy-egy pálcához rendelhető fiktív reaktivitásváltozás a kiégés köbével arányos Nem működő opció: maximum néhány cent nyerhető 0,413 0,366 0,356 0,379 0,416 0,418 0,389 0,440 0,502 0,444 0,453 0,460 0,132 0,133 0,150 0,160 0,175 0,187 0,203 0,209 0,213 0,220 0,206 0,176 0,158 0,147 0,108 0,103 0,085 0,064 0,140 0,117 0,128 0,151 0,165 0,180 0,190 0,206 0,221 0,229 0,237 0,221 0,190 0,168 0,158 0,138 0,082 0,116 0,110 0,122 0,150 0,175 0,194 0,208 0,249 0,268 0,256 0,274 0,289 0,273 0,235 0,207 0,190 0,164 0,099 0,111 0,116 0,142 0,183 0,208 0,223 0,281 0,296 0,334 0,348 0,336 0,386 0,358 0,299 0,260 0,236 0,169 0,154 0,125 0,104 0,122 0,130 0,165 0,219 0,254 0,270 0,333 0,398 0,411 0,383 0,347 0,358 0,422 0,347 0,302 0,272 0,219 0,165 0,135 0,149 0,129 0,145 0,184 0,240 0,293 0,324 0,345 0,427 0,413 0,366 0,356 0,379 0,397 0,361 0,323 0,287 0,229 0,170 0,141 0,170 0,142 0,159 0,205 0,270 0,331 0,370 0,401 0,423 0,416 0,418 0,389 0,440 0,361 0,437 0,346 0,314 0,249 0,186 0,154 0,191 0,159 0,177 0,226 0,300 0,377 0,417 0,457 0,493 0,502 0,444 0,453 0,460 0,456 0,414 0,357 0,367 0,289 0,207 0,173 0,213 0,163 0,182 0,236 0,308 0,388 0,429 0,472 0,553 0,439 0,435 0,472 0,472 0,425 0,401 0,327 0,292 0,293 0,211 0,178 0,213 0,153 0,176 0,224 0,293 0,360 0,399 0,434 0,474 0,467 0,423 0,419 0,465 0,413 0,341 0,293 0,267 0,249 0,192 0,164 0,200 0,148 0,169 0,215 0,276 0,337 0,364 0,370 0,454 0,376 0,342 0,284 0,282 0,174 0,250 0,155 0,193 0,145 0,161 0,204 0,269 0,308 0,318 0,373 0,401 0,379 0,322 0,312 0,293 0,233 0,186 0,148 0,185 0,096 0,105 0,133 0,175 0,273 0,284 0,328 0,334 0,360 0,390 0,384 0,403 0,376 0,323 0,313 0,281 0,207 0,172 0,137 0,174 0,084 0,091 0,115 0,150 0,243 0,265 0,274 0,321 0,330 0,317 0,371 0,353 0,353 0,306 0,247 0,236 0,194 0,142 0,161 0,126 0,075 0,081 0,102 0,131 0,214 0,238 0,259 0,264 0,277 0,304 0,321 0,338 0,320 0,277 0,234 0,189 0,153 0,127 0,111 0,139 0,077 0,082 0,097 0,122 0,194 0,209 0,229 0,249 0,259 0,277 0,286 0,302 0,289 0,248 0,211 0,176 0,141 0,112 0,096 0,111 0,163 0,168 0,187 0,214 0,231 0,232 0,235 0,247 0,228 0,194 0,170 0,152 0,119 0,091 0,074 0,073 0,129 0,126 0,140 0,162 0,176 0,174 0,174 0,183 0,168 0,146 0,127 0,113 0,091 0,067 0,053 0,053 0,109 0,105 0,117 0,136 0,147 0,145 0,146 0,153 0,140 0,121 0,107 0,095 0,077 0,057 0,044 0,043 0,121 0,126 0,143 0,167 0,181 0,180 0,180 0,187 0,174 0,149 0,131 0,118 0,095 0,071 0,054 0,047

16 2. opció: kiégett kazetta cseréje frissre A kazettákra jutó fiktív reaktivitáscsökkenés is meghatározható az előbbi módszerrel Ebből látható, hogy a kívánt kb. 17 cent reaktivitás-emelés pl. a C4-C5-C6 kazetták cseréjével megoldható A közelítő számítás ellenőrzésére ezt le is modelleztük MCNP-vel Ezekben a kazettákban nem volt kiégés, a többiben igen A reaktivitás-különbség 16,3 cent A két módszer között nagyon jó az egyezés Az opció hátránya: a kiégett fűtőelemeket valahol tárolni kell B C D E F 3 1,70 3,19 4,23 3,48 1,39 4 2,97 5,91 6,53 5,76 3,04 5 3,32 6,43 3,59 5,35 3,22 6 1,72 4,18 5,27 4,38 2,31 7 2,31 2,97 2,33 1,11

17 3. opció: grafit reflektor behelyezése Rendelkezésre áll egy grafit reflektor Kiszámítottuk ennek behelyezésekor a reaktivitás-növekedést: 16,5 cent adódott az F8 pozícióra Ki kell venni egy besugárzócsatornát Ennek anyaga 99,5%-os alumínium Nem jelent komoly problámát Behelyezett grafit

18 4. opció: teljesítmény korlátozása Amennyiben nem kívánunk reaktivitást emelni, a teljesítmény korlátozásával ez is megoldható Ha pl. a maximális teljesítményt 20 vagy 50 kw-ban limitáljuk, megfelelő forgatókönyv mellett a reaktivitástartalék emelése elhagyható Ez jár a legkisebb adminisztratív és műszaki teherrel, azonban a 100 kw-os üzem időnként hasznos

19 A reaktivitástartalék emelésének biztonságra gyakorolt hatása A megszaladást vizsgáljuk, bár: Egy ilyen baleset bekövetkezésének a módja csak dús fantáziával képzelhető el (IBF 2006, 14. kötet) Az 1996-os IBF során a biztonsági elemzéseket 103 centtel végeztük el Az Oktatóreaktor 2006-os IBF-ében a biztonsági elemzések centtel történtek Akkor a REMEG programot használtuk A közelmúltban létrejött a REMEG2 program Ennek hőtechnikai modellje több tényezőt vesz figyelembe, de a forrást még nem tudja kezelni

20 Reaktivitás [$] Hőmérséklet [ C] Megszaladás-számítás: 75 cent 75 cent Ro Tf Tave Tc 100 0, , ,6 0,5 0,4 0,3 0, , Idő [s]

21 Reaktivitás [$] Hőmérséklet [ C] Megszaladás-számítás: 90 cent 90 cent Ro Tf Tave Tc 100 C ,9 0, ,7 0, , ,4 0, , , Idő [s]

22 Konklúzió A reaktivitás-emelés legcélszerűbb módja egy grafit reflektor behelyezése az aktív zóna reflektorelemei mellé Ezzel bevihető egy átlagos jövőbeni reaktivitásfogyást prognosztizáló forgatókönyvhöz szükséges reaktivitás Nem szükséges kiégett fűtőelemet tárolni A biztonsági elemzéseket a 2016-os IBF során tovább kell fejleszteni 3D-s csatolt reaktorfizikaitermohidraulikai számításokkal