Kiehutusvesireaktorien transienttianalyysit kytketyllä neutroniikka-termohydrauliikkalaskennalla

Abstract

Kiehutusvesireaktorien neutroniikan ja termohydrauliikan mallinnus on tärkeää ydinturvallisuussuunnittelussa, jotta ydinvoimaloiden turvallisesta ja häiriöttömästä käytöstä voidaan varmistua. Reaktoriparametrien poikkeamat eli transientit voivat aiheuttaa monimutkaisten takaisinkytkentäketjujen kautta esimerkiksi tehonmuutoksia, jotka saattavat muun muassa vaarantaa reaktorin rakenteiden eheyttä. Laskentamalleilla voidaan pyrkiä ennustamaan reaktorin käyttäytymistä tällaisissa tilanteissa.

Laskentaohjelmilla on erilaisia vahvuuksia, ja kunkin mallinnuksen osa-alueen, eli neutroniikan, lämmönsiirron ja virtausdynamiikan osalta tulisi käyttää systeemimuutoksille herkille kiehutusvesireaktoreille mahdollisimman tarkkoja menetelmiä. Tässä työssä testataan prosessimallinnusohjelma Aproksen ja neutroniikkamallinnusohjelma SIMULATE-3K:n (S3K) koodikytkentää suorittamalla transienttianalyyseja laitosyksiköille Olkiluoto 1 ja 2. Neutroniikkamallinnus tapahtuu S3K:ssa ja prosessisimulaatio eli termohydrauliikka- ja automaatiomallinnus Aproksessa. Työn tarkoituksena on testata koodikytkennän kelpoisuutta ja turvallisuusanalyysikykyä.

Ensimmäisessä laskentatapauksessa mallinnetaan laitoshäiriössä ilmennyttä virtaustransienttia, jossa Olkiluoto 2:n viisi pääkiertopumppua pysähtyi, mikä johti lopulta reaktoripikasulkuun tehon noustessa liian suureksi pääkiertovirtaukseen nähden. Toisessa laskentatapauksessa simuloidaan Olkiluoto 1:llä tehtyä kuormanpudotuskoetta, jossa yhteys valtakunnan sähköverkkoon menetetään laitoksen pääkatkaisijan avautuessa. Kolmannessa laskentatapauksessa tutkitaan oletettua onnettomuutta, jossa turbiinin säätöventtiilit ja ohitusventtiilit sulkeutuvat samaan aikaan, kun automaatio- ja suojaustoiminnoissa ilmenee useita yhtäaikaisia vikoja. Tästä seuraa jyrkkä reaktoripaineen nousu, ja fysikaaliset takaisinkytkennät aiheuttavat nopean tehon nousun. Tapaus havainnollistaa neutroniikan ja termohydrauliikan ilmiöiden kytkeytymistä toisiinsa vahvasti. Herkkyysanalyysia tehdään kolmannelle laskentatapaukselle palamaa vaihtamalla. Laskentatapauksia 1 ja 2 tutkitaan kytketyn mallin validointiin, ja tuloksia vertaillaan kokeellisiin tuloksiin. Laskentatapauksella 3 on tarkoitus tutkia mallin turvallisuusanalyysikykyä, ja sen vertailuaineistona on laitostoimittajan analyysi.

Malli ennusti transienttien tehokäyttäytymistä hyvin laitosmittauksia vastaavasti. Havaitut poikkeavuudet johtuvat etenkin erilaisista reaktorikonfiguraatioista, lähtötiloista, mittauslogiikoista sekä mallin herkkyydestä pienillekin parametrimuutoksille. Myös prosessikomponenttien mallinnus aiheutti tuloksiin eroavaisuuksia. Kolmannessa laskentatapauksessa reaktorin fysikaalisten takaisinkytkentöjen ilmeneminen malleissa vastasi hyvin laitostoimittajan ohjelmalla tehtyä analyysia ja onnettomuuden hyväksymiskriteerit täyttyivät. Palaman vaikutus painetransienttiin oli muiden analyysien löydösten mukaista. Erot johtuivat etenkin erilaisista palamista, laskentamenetelmien poikkeavuuksista sekä mahdollisesti karkeammasta vertailuanalyysin laskentaverkosta. Mallissa havaittiin joitakin päivitystarpeita ja kehityskohteita, ja siihen tehtiin myös korjauksia. Kytketty malli vaikuttaa lupaavalta transientti- ja turvallisuusanalyysikäyttöön, mutta useampia trasienttisimulaatioita ja systemaattista herkkyysanalyysia tulisi suorittaa reaktoriparametrien muutosten vaikutuksen arvioimiseksi laajemman turvallisuusanalyysikyvyn osoittamiseksi.