2011 novemberBemutatkozó1 Reaktoranalízis Laboratórium (RAL) Keresztúri András AEKI – IKI bemutatkozó 2011 november

Bemutatkozó2 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 hibájából származó bizonytalanságok mértékének meghatározása - On-line csatolás → multiphysics modellezés, első lépések

2011 novemberBemutatkozó3 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)

2011 novemberBemutatkozó4 Rezonancia önárnyékolás Spektrum Zóna paraméterek Magfizikai 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 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. Számítási szintek a reaktorfizikában, KARATE

2011 novemberBemutatkozó5 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)

2011 novemberBemutatkozó6 A csatolt kódrendszer programjai, kapcsolatai

2011 novemberBemutatkozó7 „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

2011 novemberBemutatkozó8 Különböző dúsítású, hőmérsékletű, rácsosztású, bórsav koncentrációjú kritikus ZR-6 rácsok számított sokszorozási tényezői

2011 novemberBemutatkozó9 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

2011 novemberBemutatkozó10 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.

2011 novemberBemutatkozó11 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

2011 novemberBemutatkozó12 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

2011 novemberBemutatkozó13 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)

2011 novemberBemutatkozó14 Perspektivikus témák, jövőbeli reaktortípusok víziói

2011 novemberBemutatkozó15 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

2011 novemberBemutatkozó16 hajtás tok fedél Példa: abszorbens kilökődése, KIKO3D elemzés közbenső rúd

2011 novemberBemutatkozó17 kq(t)/kq(t=0)

2011 novemberBemutatkozó18 kq(t)/kq(t=0)

2011 novemberBemutatkozó19 SZBV kazetta kilökődésének bizonytalansági elemzése 1. ábra. Zóna teljesítmény, átlagos lineáris hőteljesítményben megadva: az N = 100 futásra vonatkozóan.

2011 novemberBemutatkozó20 SZBV kazetta kilökődésének bizonytalansági elemzése 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.

2011 novemberBemutatkozó21 SZBV kazetta kilökődésének bizonytalansági elemzése 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.

2011 novemberBemutatkozó22 SZBV kazetta kilökődésének bizonytalansági elemzése 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.

2011 novemberBemutatkozó23 SZBV kazetta kilökődésének bizonytalansági elemzése 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.

2011 novemberBemutatkozó24 FRAPTRAN fűtőelem-viselkedési számítási eredmények 1.Rés hőátadási tényező 2. Rés méret 3. Kerületi megnyúlás: az inhermetikussá válás lehetőségének vizsgálata céljából

2011 novemberBemutatkozó25 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 Termohidraulika Hőátadási tényező, hűtőközeg hőmérséklet Falhőmérséklet, hőfluxus Hőhordozó hőmérséklet eloszlás

2011 novemberBemutatkozó26 Rés hőátadási tényező: az előzetes stacionárius számítások alapján paraméterezve, a vizsgált tranziens folyamán

2011 novemberBemutatkozó27 Távolság a krízistől háromféle módszerrel

2011 novemberBemutatkozó28 KÖSZÖNÖM A FIGYELMET.

2011 novemberBemutatkozó29 Tároló és szállító eszközök szubkritikusságának igazolása a kiégés függvényében, alsó polc

2011 novemberBemutatkozó30 Surface heat flux for the three cases, no DNB