Stabilnost jedrskih reaktorjev pri obratovanju v načinu sledenja bremenu
Oznaka in naziv projekta
L2-2612 Stabilnost jedrskih reaktorjev pri obratovanju v načinu sledenja bremenu
L2-2612 Stability of nuclear reactors in load follow mode of operation
Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta: izr. prof. dr. Luka Snoj
Sodelujoče raziskovalne organizacije: Povezava na SICRIS
Sestava projektne skupine: Povezava na SICRIS
Vsebinski opis projekta
Evropski energetski načrt za razogljičenje vključuje visoke deleže obnovljivih virov, skupaj z znatnim deležem jedrske energije. Zaradi naraščajočim deležem elektrike proizvedene iz vetrnih in sončnih električnih sistemov je pričakovati tako v Sloveniji, kot tudi v Evropi, povečano zanašanje na prekinitvene vire energije. Posledično bodo morale že obstoječe, ali bolj verjetno prihodnje slovenske in evropske jedrske elektrarne, namesto načina obratovanja v pasu, obratovati v načinu sledenja bremenu, pri proizvodnji električne energije.
Spremembe moči reaktorske sredice med obratovanjem v načinu sledenja bremenu lahko privedejo pri neugodnih razmerah v reaktorski sredici do ksenonskih oscilacij. Te oscilacije imajo periodo približno 15-30 ur in lahko predvsem preko perturbacije v vertikalni porazdelitvi moči, privedejo do nedovoljenih koničnih faktorjev moči. Medtem, ko obstajajo avtomatski sistemi za ohranjanje reaktorske moči, pa je kontrola vertikalne porazdelitve moči ročno opravilo, ki zahteva od operaterja globoko razumevanje procesa in ustrezno ukrepanje.
Glavni cilj predlagane raziskave je preučiti omejitve pri obratovanju jedrskih elektrarn v načinu sledenja bremenu, iz jedrskega vidika na reaktorsko sredico in gorivo ter zagotoviti učinkovite rešitve operaterjem za optimizacijo obratovanja elektrarne.
Razvili bomo metodologijo modeliranja v znižanem redu (ROM) za simulacije obratovanja reaktorja v realnem času, s poudarkom na podpori obratovanja v načinu sledenja bremenu. ROM bo povezan z razvitim paketom za podrobno analizo sredice (ICM), ki bo zagotavljal potrebne podatke za reaktivnost sistema in porazdelitev moči gorivnih palic. Metodologijo bomo uporabili za analizo celotnega faznega prostora obratovanja v načinu sledenja bremenu, primer je fazni prostor vhodnih parametrov, kot je potek bremena, kot tudi fazni prostor stanja reaktorja. Razvili bomo optimalne strategije obratovanja reaktorja. Poleg tega bomo določili omejitve obratovanja v načinu sledenja bremenu, ki bodo držala fizikalne parametre reaktorja, kot so konični faktorji moči, rezerva ustavitve, itd. znotraj omejitvenih kriterijev.
Zaradi kompleksnosti problema bomo uporabili algoritme strojnega učenja, da raziščemo nekonvencionalna stanja obratovanja in za ukrepanje za ublažitev ksenonskih oscilacij ter združitvi ROM z vremensko napovedjo preko povratne zanke. Ocenili bomo vse negotovosti s poudarkom na negotovostih pri izračunih zaradi negotovosti v jedrskih podatkih.
V zadnjem delu projekta bomo identificirali in predlagali oblikovne lastnosti reaktorja, ki bi bil primernejši za obratovanje v načinu sledenja bremenu od obstoječega reaktorja. To bi bilo v veliko korist pri postavljanju specifikacij in zahtev za bodoče jedrske elektrarne.
Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani. Povezava na SICRIS.
Faze projekta in opis njihove realizacije
Delovni paket 1 - Razvoj metodologije in računskih orodij
Predlagamo razvoj metodologije modeliranja v znižanem redu (ROM) za simulacije obratovanja reaktorja v realnem času s poudarkom na podpori obratovanja v načinu sledenja bremenu. ROM bo temeljil na paketu za podrobno analizo sredice (ICM), ki omogoča podrobne izračune zgorelosti gorivnega cikla na nivoju natančnosti jedrskih preračunov sredice. Izračun sredice začnemo na nivoju osnovne celice, kjer opravimo homogenizacijo presekov. Končna natančnejša rešitev pa je pridobljena z nekaj-grupnim 3-D SP3 izračunom celotne sredice na nivoju osnovne gorivne palice. S takšnim pristopom ne potrebujemo rekonstrukcije nevtronskega fluksa, oblikovnih faktorjev, diskontinuiranih faktorjev, itd. Za hitrejše izračune bi lahko uporabili hibridni pristop, kjer bi najbolj vroč gorivni sveženj izračunan do posamezne gorivne palice, medtem ko bi pa za ostale, ki so daleč stran on projektiranih in varnostnih omejitev, uporabili tradicionalen pristop s homogenizacijo. Homogenizacijo na nivoju osnovne gorivne palice lahko dosežemo z stohastičnim Monte Carlo (MC) transportom nevtronov, katerega predstavlja program Serpent, saj se z uporabo metode MC izognemo ostalim aproksimacijam, ki so značilne za deterministične metode. ICM in ROM bomo direktno povezali, kjer bo ICM ROM-u priskrbel homogenizirane vozliščne preseke in oblikovne faktorje moči, medtem ko bo ROM priskrbel nazaj ICM-u parametre obratovanja iz tranzientov reaktorja, kar omogoča izračun zgorelosti reaktorske sredice na vsakem koraku. V primeru da tranzientov ni, bo ICM upošteval obratovanje v pasu. Rezultat opisanega delovnega paketa bo računska koda za reaktorske preračune v realnem času in bo uporabljena kot delovno orodje za nadaljnje delovne pakete.
Delovni paket 2 - Analiza obratovanja v načinu sledenja bremenu
Druga naloga, ki predstavlja glavni del našega projekta, bo uporaba razvite in preverjene ROM metodologije za študijo vplivov obratovanja v načinu sledenja bremenu na slednje parametre reaktorske sredice; ksenonske oscilacije in njihov vertikalni odmik, vertikalne in radialne konične faktorje moči, izkoriščenost jedrskega goriva in dolžino gorivnega cikla, nastajanje radioaktivnih odpadkov in zgorelost regulacijskih palic. Nato bomo za posamezno JE analizirali in definirali celotni fazni prostor možnih parametrov reaktorske sredice v primeru obratovanja v načinu sledenja bremenu za možne scenarije, definirane v prvi nalogi.
Planiramo določiti možno območje obratovanja v faznem prostoru načina sledenja bremena, kjer je reaktor stabilen in obratuje znotraj obratovalnih omejitev in pogojev (OLC) z upoštevanjem ukrepov za ublažitev ksenonskih oscilacij in nestabilnosti. Določili bomo ustrezno obratovalno strategijo glede na že prej določene kriterije (minimizacija radioaktivnih odpadkov, maksimalna fleksibilnost elektrarne, maksimalna reaktivnost goriva, maksimalna rezerva zaustavitve itd.), ki upoštevajo vse omejitve tehničnih specifikacij elektrarne. Določili bomo vpliv manevriranja elektrarne na izotopsko sestavo goriva in zgorelost regulacijskih palic pri zgorevanju goriva.
Delovni paket 3 - Občutljivostna analiza negotovosti
Aplikabilnost fizičnih rezultatov simulacij, kar vključuje reaktorske preračune za JE, je omejeno z negotovostmi v rezultatih. Poleg negotovosti, ki so vpeljane zaradi aproksimacij v modelu, predstavljajo velik del negotovosti v jedrskih podatkih in negotovosti v izmerjenih podatkih, kakršni so položaj regulacijskih in koncentracija bora. Varnost jedrske elektrarne je zagotovljena s sprejemanjem širših območjih, kjer natančne ocene manjkajočih parametrov niso na voljo. Takšni pristopi lahko močno povečajo ceno gradnje, obratovanja ali pa zmanjšajo fleksibilnost jedrske elektrarne.
Ocenili bomo kako so negotovosti, povezane z obratovalnimi tranzienti jedrske elektrarne, odvisne od vhodnih parametrov z uporabo metode Totalni Monte Carlo, ki zahteva veliko število izračunov z uporabo različnih vhodnih parametrov. Za omenjeno študijo bomo uporabili metodologijo ROM, razvito znotraj delovnega paketa št. 2. Poudarek bo na porazdelitvi ksenona v reaktorski sredici in vertikalni porazdeliti moči reaktorja, kjer oba porazdelitev moči in ksenona vpeljeta stroge omejitve obratovalnih tranzientov operaterjem elektrarne. Podatke pridobljene iz propagacije negotovosti bomo uporabili, da prepoznamo in izboljšamo vire z najvišjimi negotovostmi, kar bo povečalo fleksibilnost jedrske elektrarne med tranzienti brez kršitve varnostnih rezerv.
Delovni paket 4 - Identifikacija projektnih značilnosti možnih reaktorjev za obratovanje v načinu sledenja bremenu
V zadnji fazi projekta planiramo identificirati željene lastnosti primernih reaktorjev za obratovanje v načinu sledenja bremenu. Analizirali bomo tri lastnosti: zunanje sisteme, velikost reaktorje, projektiranje in tip goriva.
Možni primer za ublažitev ksenonskih oscilacije je uporaba nižje absorpcijskih regulacijskih palic ali tako-imenovanih sivih palic, ki lahko zmanjšajo reaktivnost. Njihova popolna vstavitev ne zaustavi reaktorja, kar ima manjši vpliv na vertikalno porazdelitev gostote moči. Analizirali bom uporabo sivih palic v konvencionalnih JE.
Možna opcija, za reševanje problema sledenja bremenu z jedrskimi reaktorje, je uporaba večjega števila (10 ali več) manjših (približno 60 MWe) modularnih reaktorjev (SMR). V manjših reaktorjih, zaradi manjše sredice in nižjega nevtronskega fluksa, ksenonske oscilacije niso takšen problem. Analizirali bomo prednosti SMR-jev v primerjavi s konvencionalnimi JE.
Tretja opcija za odziv na potrebe sledenja bremenu je projektiranje jedrskega goriva tako, da so možni tranzienti visoke moči v kratkem času brez ogrožanja varnosti, kar je možno v reaktorjih, ki vsebujejo homogeno mešanico goriva in moderatorja, primer so reaktorji s vodikovim gorivom ali visoko-temperaturni reaktorji, hlajeni s plinom, kjer je gorivo v obliki mikrodelcev (TRISO delci). Glavna prednost takšnega goriva je inherentna varnost in hiter temperaturni povratni efekt, kar je željeno v reaktorjih, ki sledijo bremenu.
V bodočih jedrskih elektrarnah bomo morali kompenzirati fluktuacije v proizvodnji električne energije zaradi obnovljivih virov, kar pomeni da bo potreba po hitrih odzivih, kar bi pa relativno lahko dosegli z jedrskim gorivom z vodikom