Energiatekniikka
BH10A1101 Diplomityö
Diplomityö
AKSIAALISEN TEHOJAKAUMAN POIKKEAMAN SÄÄDÖN MALLINTAMINEN SIMULOINTIYMPÄRISTÖÖN JA SEN VIRHEEN ARVIOINTI
PAINEVESILAITOKSELLA
MODELLING OF AXIAL OFFSET CONTROL INTO A SIMULATING ENVIRONMENT AND ASSESSING ITS ERROR IN A PWR
Tarkastaja: Professori Juhani Hyvärinen Ohjaajat: DI Tommi Lamminpää
Professori Juhani Hyvärinen Lappeenranta 20.12.2018
Pyry Savolainen
Lappeenrannan teknillinen yliopisto School of Energy Systems Opiskelijan nimi: Pyry Savolainen
Aksiaalisen tehojakauman poikkeaman säädön mallintaminen simulointiympäristöön ja sen virheen arviointi painevesilaitoksella
Tarkastaja: Professori Juhani Hyvärinen
Opinnäytetyön ohjaajat: DI Tommi Lamminpää & Professori Juhani Hyvärinen Diplomityö 2018
88 sivua, 45 kuvaa, 1 taulukko ja 7 liitettä.
Hakusanat: aksiaalisen tehojakauman poikkeama, reaktorisydämen automaatio, ksenonos- killaatio
Olkiluoto 3:n reaktorisydän käyttää automaatiota hallitakseen reaktorin tilaa. Teollisuuden Voima Oyj:n Polttoainelaskenta- ja valvonta -yksikkö käyttää reaktorisydämen analyyseihin Studsvikin Core Management System -simulointiympäristöä. Työssä mallinnettiin käytet- tyyn simulointiympäristöön Olkiluoto 3:n reaktorisydämen automaatio parhaan tämän het- kisen arvion mukaan, ja arvioitiin tehdyn ohjelman ja itse automaation aksiaalisen tehoja- kauman poikkeaman laskennan virhettä.
Työssä mallinnettua automaatiota verrattiin Olkiluoto 3:n simulaattorilla ajettuun tapauk- seen. Tehdyn mallin todettiin toimivan hyvin lähellä simulaattoria, kun otettiin huomioon simulaattorin käyttämän reaktorisydämen ja laskennan erovaisuus simulointiympäristöön.
Ongelma kohdaksi tehdyssä mallissa huomattiin mallin laskema boorinlisäysmäärä, jonka laskentaa oli yksinkertaistettava simulointiympäristön rajallisuudesta vuoksi.
Työssä tutkitun reaktorisydämen automaation virheeksi todettiin tehojakauman mittausta- vasta johtuva virhe ja automaation priorisoinnista johtuva logiikkarajoitus. Aksiaalisen teho- jakauman poikkeaman mittauksen virheeksi saatiin useita prosenttiyksikköjä tehon ollessa 60%. Täydelle teholle palatessa virheen suuruus jäi alle prosenttiyksikköön. Automaation priorisoinnin todettiin kasvattavan aksiaalisen tehojakauman poikkeamaa pahimmassa ta- pauksessa useita prosenttiyksikköjä. Kuitenkin vain tilanteissa, joissa säätösauvat ovat reak- torin alaosassa.
Lappeenranta University of Technology School of Energy Systems Students name: Pyry Savolainen
Modelling of axial offset control into a simulating environment and assessing its error in a PWR
Examiner: Professor Juhani Hyvärinen
Instructors: MSc Tommi Lamminpää & Professor Juhani Hyvärinen Master’s thesis 2018
88 pages, 45 figures, 1 table, and 7 appendices.
Keywords: axial offset, reactor core automation, xsenon oscillation
Olkiluoto 3 uses automation to control its reactor core. Teollisuuden Voima Oyj’s Nuclear fuel calculations and core surveillance department uses Studsvik’s Core Management System simulation environment in its reactor core analysis. In this thesis a model was created of the Olkiluoto 3 reactor core automation into the simulating environment using the best estimate available at the moment. This thesis evaluated the models and reactor core automations axial offset calculations error.
The model was compared to a case run with Olkiluoto 3 simulator. The model was found to be closely resembling the simulators results when taking into account the differences of the reactor core and calculation methods used in the simulator and the simulating environment.
A problem in the model was found to be the boration amount that had to simpliefied due to the limitation of the simulating environment.
Found errors of the reactor core automation were the power distribution measurement and a logic restriction due to the automation prioritization. The mistake of the power distribution measurement was found to be several percentage points when the power was 60%. When the power was 100% the mistake decreased to below one percentage point. The automation prioritization was found to increase the axial offset by several percentage points in the worst case scenario. The prioritization mistake was found only when the control rods were at the lower part of the core.
Tämä työ on tehty Eurajoen Olkiluodossa Teollisuuden Voima Oyj:n Polttoainelaskenta- ja valvonta -yksikölle. Työn tekoa varten pääsin opiskelemaan automaatiota, joka on ydinvoi- man lisäksi ollut aina mielenkiintoista. Etenkin automaation funktioiden spesifikaatiot tun- tuivat työn aluksi täysin siansaksalta, mutta työn aikana aloin ymmärtämään niitä enemmän ja enemmän. Tämä lisäksi pääsin tutustumaan reaktorisydämen simulointiympäristön käyt- tämään metodologiaan, joka on minua aina mietityttänyt.
Haluan kiittää työni ohjaajana toiminutta DI Tommi Lamminpäätä, joka kiireisestä aikatau- lustaa huolimatta auttoi minua aina, kun minulla oli kysyttävää tai olin törmännyt seinään mallin teossa. Erityisesti haluan häntä kiittää erittäin hyvästä aihe-ehdotuksesta, joka pystyi yhdistämään osaamiseni ja mielenkiintoni. Kiitokset työni tarkastajalle ja ohjaajalle profes- sori Juhani Hyväriselle, joka antoi minulla hyviä ohjeita työni kirjoittamiseen ja rakentee- seen. TVO:n Polttoainelaskenta- ja valvonta yksikön henkilöstöä haluan kiittää kommenteis- ta ja neuvoista, joita sain työn aikana. Erityiskiitokset Tkt Risto Vanhalemmille, joka auttoi minua ajattelemaan oman pienen laatikkoni ulkopuolelle.
Eurajoki, 20 Joulukuuta, 2018 Pyry Savolainen
SISÄLLYSLUETTELO
SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO 7
1 JOHDANTO 9
1.1 Ydinvoima Suomessa . . . 9
1.2 Olkiluoto 3 . . . 9
1.3 Työn tavoitteet . . . 11
1.4 Työn sisältö . . . 12
2 REAKTORISYDÄMEN SIMULOINTIYMPÄRISTÖ 13 2.1 INTERPIN-3 . . . 13
2.2 CASMO-4E . . . 15
2.3 CMSLINK . . . 17
2.4 SIMULATE-3 . . . 17
3 REAKTORISYDÄMEN TEHOJAKAUMA 20 3.1 Tehojakaumaan vaikuttavat tekijät . . . 20
3.2 Radiaalinen ja aksiaalinen tehojakauma . . . 26
3.3 Aksiaalisen tehojakauman säätö . . . 27
3.4 Laskenta/Mittaus . . . 29
3.5 Vaikutus . . . 30
4 OLKILUOTO 3:N REAKTORISYDÄMEN AUTOMAATIO 32 4.1 Käytetyt mittaussuureet ja mittalaitteet . . . 32
4.1.1 Neutronivuo . . . 32
4.1.2 Jäähdytteen lämpötila . . . 40
4.1.3 Säätösauvojen asema . . . 40
4.1.4 Booripitoisuus . . . 41
4.2 Käytetyt logiikat . . . 42
4.2.1 ACT-säätö . . . 42
4.2.2 AO-säätö . . . 42
4.2.3 P-ryhmänsäätö . . . 43
4.2.4 Neutronivuon säätö . . . 44
4.3 Käytetyt toimilaitteet . . . 45
4.3.1 Säätösauvat . . . 45
4.3.2 Booraus/Laimennus . . . 47
4.4 Eri virheiden vaikutus automaatioon . . . 49
4.4.1 Mittausvirheet . . . 49
4.4.2 Logiikkarajoitukset . . . 52
4.4.3 Säätökyvyn riittoisuus . . . 53
5 AUTOMAATION MALLINNUS 55 5.1 Ennen tapauskohtaista mallinnusta tehdyt laskennat . . . 55
5.2 SPND-detektorien mallinnus . . . 55
5.3 Mittauksen suodatuksen mallinnus . . . 58
5.4 Booripitoisuuden muutoksen mallinnus . . . 60
5.5 Säätölogiikoiden mallinnus . . . 62
5.6 Ohjelman oletukset ja yksinkertaistukset . . . 65
5.7 Automaatiomallin toiminta . . . 66
5.7.1 Aika-askeleen pituuden vaikutus . . . 66
5.7.2 Simulaattoriin vertaus . . . 68
6 AKSIAALISEN TEHOJAKAUMAN POIKKEAMAN SÄÄDÖN ARVIOINTI 73 6.1 SPND-detektorien kalibroinnista johtuva AO:n virhe . . . 73
6.2 ACT-säädön priorisoinnin aiheuttama AO:n kasvu . . . 80
6.3 AO-säädön kyky hallita reaktorin keskiosaa . . . 84
7 JOHTOPÄÄTÖKSET 86
8 YHTEENVETO 88
LÄHDELUETTELO 89
LIITE 1: Boorin määrän muutoksen vaikutus RCAS-ohjelman tuloksiin 92 LIITE 2: AO erot täydellä teholla ja alennetulla teholla eri sekvensseillä 94 LIITE 3: SPND virheet täydellä teholla ja alennetulla teholla eri sekvensseillä 96 LIITE 4: SPND-detektorien virheet täydellä teholla ja alennetulla teholla eri se-
kvensseillä 99
LIITE 5: SPND-detektorien virheen vaikutus automaatioon täydellä teholla ja alen-
netulla teholla eri sekvensseillä 102
LIITE 6: Kahden peräkkäisen tehonmuutoksen vaikutus keskimmäisen polttoaine-
elementin AO:hon. 105
LIITE 7: Radiaalisen tehojakauman profiilin laskenta. 106
SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO
Latinalaiset
a Painotuskerroin [-]
AO Aksiaalisen tehojakauman poikkeama [-]
G Vahvistuskerroin [-]
h Korkeus [m]
I Detektorin signaali [-]
K Kalibrointikerroin [-]
k Polttoaine-elementin neljännes [-]
m Massa [kg]
P Teho [-]
P A1/4 Polttoaine-elementtien neljännesten määrä [-]
P P M Boorikonsentraatio [ppm]
dt Laskentasykli [s]
v Detektorin käyttökuntoisuus [-]
u Mittaustulos [-]
x Parametri (AO tai P-ryhmän asema) [prosenttiyksikköä/askelta]
y Suodatettu tulos [-]
z Korkeus [m]
Kreikkalaiset
τ Aikavakio [s]
Ala- ja yläindeksit
0 Ennen laskentaa
1 Laskennan jälkeen
a Detektorien numero aksiaalisessa sijoittumisessa
bot Alaosa
f Detektorien numero radiaalisessa sijoittumisessa
KA Keskiarvo
kon Konsentraatio pp Primääripiiri
top Yläosa v Vesi
Lyhenteet
ACT Keskimääräinen jäähdytteen lämpötila (Average Coolant Temperature) AO Aksiaalisen tehojakauman poikkeama (Axial Offset)
CMS Core Management System
CRUD Chalk River Unidentified Deposits EPR European Pressurised Reactor
OL Olkiluoto
PA-elementti PolttoAine-elementti
PWR Painevesireaktori (Pressurised Water Reactor) RCAS Reactor Core Automation Script
SPND Self Powered Neutron Detector STUK Säteilyturvakeskus
TTKE TurvallisuusTekniset KäyttöEhdot TVO Teollisuuden Voima Oyj
YVL-ohje Ydinturvallisuusohje
1 JOHDANTO
1.1 Ydinvoima Suomessa
Suomen sähköntuotannosta noin kolmasosa tuotetaan ydinvoimalla. Suomessa on toiminnas- sa neljä ydinreaktoria. Kaksi niistä ovat tyypiltään kiehutusvesireaktoreita, kaksi ovat paine- vesireaktoreita, kolmatta painevesireaktoria ollaan rakentamassa ja neljäs painevesireakto- ri odottaa rakentamislupahakemusta ja -päätöstä. Kun Olkiluoto 3 (OL3) alkaa tuottamaan sähköä, yli puolet Suomen sähköntuotannosta tulee ydinvoimasta. Tässä työssä keskitytään rakenteilla olevaan kolmanteen painevesireaktoriin, OL3:een.
Sähköntuotannon turvallisuus on erittäin tärkeää. Ydinreaktoreiden turvallisuudesta vastaa niiden operoija ja niiden toimintaa valvoo Säteilyturvakeskus (STUK). STUK antaa myös laitoksille turvallisuusvaatimukset, jotka se esittää ydinturvallisuusohjeissa (YVL-ohje) (Ydin- energialaki (990/1987) 7r§). Laitoksia operoiva taho laatii STUK:in antamien YVL-ohjeiden mukaan Turvallisuustekniset käyttöehdot (TTKE), jotka STUK tarkastaa ja hyväksyy. Ope- roivan tahon on toimittava TTKE:n mukaisesti ja varmistettava, että laitos ei operoi TTKE:n ulkopuolella. TTKE:n noudattamisen osoittamiseksi on tehtävä häiriö- ja onnettomuusana- lyysejä. Analyysejä tehdään myös taloudellisen optimoinnin vuoksi. Taloudellisessa opti- moinnissa on otettava huomioon raja-arvot ja mittausten epätarkkuudet. Tämän vuoksi ana- lyysien virheen pienentämisellä on myös taloudellinen hyöty. Vielä rakenteilla olevallekin ydinreaktorille on tehtävä paljon erinäisiä analyyseja.
Analyysien teko on työlästä ja paljon aikaa vievää, joten on hyvä kehittää työkaluja analyy- sien tekoa varten. Teollisuuden Voima Oyj (TVO) tekee itse ja käyttää kolmannen osapuolen tekemiä työkaluja analyysien tekoon.
1.2 Olkiluoto 3
OL3 on malliltaan European Pressurised water Reactor (EPR). Sähköteholtaan OL3 on 1600 MWe, ja on valmistuttuaan Suomen suurin ydinvoimala ja yksi suurimmista maailmalla.
OL3 on toiminnallisesti samanlainen kuin muutkin painevesilaitokset eli koostuu primääri-, sekundääri- ja merivesipiiristä. Primääripiirin pääkomponentit ovat reaktori, paineistin, höy- rystimet sekä pääkiertopumput. Sekundääripiirin pääkomponentit ovat höyrystin, turbiinit (korkeapaineturbiini ja 3 matalapaineturbiinia), lauhdutin, lauhdepumput, sekä syöttövesi- pumput. Merivesipiiri koostuu merivesipumpuista ja putkista. Kuvassa 1 on yksinkertaistet- tu esitys OL3:n rakenteesta.
Kuva 1.Yksinkertaistettu kuva OL3:n rakenteesta (TVO, 2009, 10).
Primääripiiri kostuu neljästä erillisestä kiertopiiristä, joista jokainen alkaa ja päättyy reak- torin yhteisiin. Jokaisella kiertopiirillä on oma pääkiertopumppu sekä höyrystin, mutta vain yhdessä kiertopiirissä on paineistin.
OL3:n reaktorisydämessä on 241 polttoaine-elementtiä ja niistä 89:ssä on säätösauva. Polt- toaine-elementtien pituus on noin 4,9 m, aktiivinen pituus on noin 4,2 m ja leveys on noin 20 cm. Polttoaine-elementit on järjestetty reaktoriin sylinterin muotoon, joka on leveimmillään 17 polttoaine-elementtiä. (Lamminpää, 2018)
Jokainen polttoaine-elementti koostuu 17x17 neliöhilasta, joista suurimman osan paikoista
täyttää polttoainesauva ja 24 paikkaa täyttää ohjausputket. Ohjausputket ovat säätösauvoja ja instrumentointisondeja varten. Ohjausputket muodostavat myös välitukien kanssa rungon polttoaine-elementille. Polttoainesauvat kiinnittyvät runkoon välitukien kautta. Ellei ohjaus- putkessa ole säätösauvaa tai instrumentointia se täyttyy vedellä ja on tulpattu tulppause- lementillä ohivirtauksen rajoittamiseksi. Jokaisessa polttoaine-elementissä on ohjausputket, jotta ne olisivat keskenään samanlaiset mahdollistaen enemmän vapausasteita lataussuunnit- telussa. (Lamminpää, 2018)
OL3:n reaktori on teholtaan ja kooltaan suuri painevesireaktoriksi. Suurilla reaktoreilla on mahdollista esiintyä tehojakauman epästabiilisuutta ksenonin oskillaation vuoksi. Mahdolli- set epästabiilisuudet on vaimennettava. Aksiaalisen tehojakauman tasoittamisen tekee OL3:lla reaktorisydämen automaatio. Mahdolliset epästabiilisuuksien havaitsemiseksi OL3:lla reak- torin tehojakaumaa mitataan jatkuvasti SPND-detektoreilla. SPND-detektorien pääasialli- nen tarkoitus ei ole mitata tehojakauman absoluuttista arvoa vaan niiden tärkein toiminto on suojaustoimintojen laukaisut. Tästä syystä ja SPND-detektorien rajallisesta määrästä joh- tuen mittaukseen tulee virhettä. OL3:lla on myös käytössä Aeroball-järjestelmä, jonka avulla voidaan määrittää reaktorin hetkellinen tehojakauma erittäin tarkasti. Mittaustavasta johtuen Aeroball-järjestelmää ei voida kuitenkaan käyttää jatkuvasti. (Lamminpää, 2015, 9) (Molem- mat järjestelmät esitetään tarkemmin luvussa 4.) Reaktorisydämen tilan jatkuva täydellinen mittaaminen on näillä järjestelmillä mahdotonta, joten mittausvirheiden arviointi on tärkeää, jotta reaktori toimii varmasti sille asetettujen rajojen sisällä.
1.3 Työn tavoitteet
Tämän diplomityön tarkoituksena on selvittää OL3:n reaktorisydämen automaation aksiaa- lisen tehojakauman poikkeaman säädön virhettä. Virheen arvioimiseksi mallinnettiin auto- maatio erillisellä liitännäisenä reaktorisydämen simulointiympäristöön. Tehtyä liitännäistä verrattiin laitossimulaattorin toimintaan. Liitännäisen avulla suoritettiin erinäisiä tehonmuu- tostilanteita ja niistä arvioitiin aksiaalisen tehojakauman poikkeaman virhettä, ongelmatilan- teita ja mahdollisia rajoituksia.
Virhettä säädössä arvioitiin mallintamalla aksiaalisen tehojakauman mittaukseen käytetyt mittapisteet osaksi tehtyä liitännäistä. Mittapisteistä tehdyllä mallilla arvioitiin mittauksen virheen määrää ja vaikutusta automaation toimintaan.
Aksiaalisen tehojakauman poikkeaman säädön ongelmatilanteita arvioitiin ohjelman teke- mistä laskuista, joista katsottiin toimiiko säätö aina niin kuin oletettu ja onko säädön toimin- nassa virheen mahdollisuus.
OL3 reaktorisydämessä säätöön osallistuvat säätösauvat on sijoitettu kehälle eikä niitä ole reaktorin keskustassa ollenkaan. Työssä tutkittiin aksiaalisen tehojakauman poikkeaman sää- dön kykyä hallita aksiaalista tehojakaumaa reaktorin alueilla, joissa ei ole säätäviä säätösau- voja.
1.4 Työn sisältö
Luvussa 2 käsitellään työn aikana käytettyä simulointiympäristöä. Luvussa käydään läpi si- mulointiympäristön ohjelmarakenne ja eri ohjelmien käyttämien laskentojen yksinkertaistet- tu metodologia. Luvussa 3 käsitellään tehojakaumaa miten se muuttuu ydinreaktorissa, mitä ongelmia se aiheuttaa ja miten sitä hallitaan. Luvussa 4 käsitellään Olkiluoto 3:n reaktorisy- dämen automaatio ja mahdollisia automaation virheitä. Tähän päättyy työn teoria osuus.
Luvussa 5 esitetään tehty automaation malli ja verrataan ohjelman toimintaa simulaattoriin.
Luvussa 6 esitetään työn aikana saadut tulokset aksiaalisen tehojakauman poikkeaman vir- heistä. Luvussa 7 esitetään saaduista tuloksista tehdyt johtopäätökset. Luvussa 8 käydään työ lyhyesti läpi yhteenvetona.
2 REAKTORISYDÄMEN SIMULOINTIYMPÄRISTÖ
TVO käyttää OL3:n reaktorisydämen käyttäytymisen analyyseihin Studsvik Scandpowerin Core Management System (CMS) -ohjelmistolla tehtyä mallia. CMS koostuu neljästä eril- lisestä ohjelmasta, jotka ovat INTERPIN-3, CASMO-4E, CMSLINK ja SIMULATE-3. Ku- vassa 2 on esitetty vuokaavio CMS-ohjelmiston laskentajärjestyksestä ja tiedon siirtymisestä eri ohjelmien välillä.
Kuva 2.CMS ohjelmistopaketin vuokaavio.
2.1 INTERPIN-3
INTERPIN:in tarkoitus on mallintaa zirkonium-suojakuoren ja sen sisällä olevan uraaniok- sidipelletin käyttäytyminen tasapainotilassa. Ohjelma tuottaa polttoaineen lämpötilan syöte- dataa CASMO:lle ja SIMULATE:lle. (Hagrmann, 2006, 1-1)
INTERPIN mallintaa yhden polttoainesauvan ja sen ympäröivän veden. Laskennassa polt- toainesauva jaetaan diskreetteihin aksiaalinoodeihin sallien näin tehon ja lämpötilan muu- tokset. (Hagrmann, 2006, 2-1) INTERPIN:in laskennan vuokaavio on esitetty kuvassa 3.
Kuva 3.INTERPIN-ohjelman vuokaavio.
Syötekoostuu kuvauksesta reaktorin olosuhteista, polttoainesauvan kuvauksesta, polttoaine- tabletin kuvauksesta ja polttoaineen tehosta (Ibid).
Suojakuoren lämpötila lasketaan jokaisella palamapisteelle ennen itse polttoainesauvan laskuja. Lämpötila lasketaan yksinkertaisen lämpötasapainon avulla, jossa otetaan huomioon polttoainesauvan lämpöteho, veden sisääntulolämpötila ja lämpötilan nousu noodissa, ja eri kertoimia esimerkiksi huomioidakseen CRUD1:in vaikutuksen huomioimiseksi lämmönsiir- rossa. Suojakuoren lämpötila otetaan reunaehdoksi laskennassa, koska tämä muodostaa loo- gisen rajan, jolla laskenta erotetaan kahteen osaan (ulkoinen ja sisäinen laskenta). Suoja- kuoren lämpötilan ottaminen reunaehdoksi tarkoittaa, että polttoainesauvan tuloksissa ei ole takaisinkytkentää vesipuolen laskuihin. (Hagrmann, 2006, 9-1)
Polttoaineen lämpötilaprofiilin laskennassa lasketaan ensin alkuarvaus polttoainesauvalle.
Alkuarvausta päivitetään ottamalla huomioon polttoainepellettien aksiaalinen vuorovaikutus keskenään, polttoainepelletin elastinen muodon muutos ja suojakuoren sisäisen paineen vai- kutus. Uudella lämpötilaprofiililla lasketaan polttoainepelletin rakenteen muutos. Uudella rakenteella ja lämpötilaprofiililla lasketaan aksiaalinoodin suhteellinen tehoprofiili. (Hagr- mann, 2006, 10-5)
1Chalk River Unidentified Deposits (CRUD) on polttoainesauvan pinnalle kertynyttä oksidikerrosta, joka huonontaa polttoainesauvan lämmönsiirto kykyä.
2.2 CASMO-4E
CASMO on moniryhmäinen 2D kuljetusteoriaan perustuva ohjelma, jolla lasketaan pala- mia polttoainenipuille (Knott, 1995, 1-1). CASMO:n tarkoituksena on laskea ekvivalenttipa- rametrit kokosydänlaskuissa käytettävällä nodaaliohjelmalle (Knott, 1995, 4-1). CASMO:n laskennan vuokaavio on esitetty kuvassa 4.
Kuva 4.CASMO-ohjelman vuokaavio.
Syöte painevesireaktorin polttoainenipulle koostuu polttoaineen kuvauksesta, moderaatto- rin kuvauksesta, säätösauvojen kuvauksesta, nipun geometriasta (2D horisontaali poikkileik- kaus), polttoaineen tehotiheydestä ja halutuista palamapisteistä. (Edenius, 1995, 1-1)
Resonanssilaskujen tarkoituksena on määrittää efektiiviset vaikutusalat resonanssialueel-
le. (CASMO määrittää resonanssialueen olevan välillä 4 - 9118 eV.) Resonanssilaskuissa käytetään ekvivalenssiteoriaa, jonka avulla muutetaan heterogeeninen ongelma vastaavaksi homogeeniseksi ongelmaksi. Efektiiviset resonanssi-integraalit saadaan interpoloimalla ne taulukosta, jossa on homogeeniset resonanssit. Resonanssit on taulukoitu potentiaalisiron- nan vuorovaikutusalojen ja lämpötilojen suhteen. (Knott, 1995, 2-1)
Mikroryhmälaskujentarkoituksena on homogenisoida polttoainesauva makroryhmälasku- ja varten. Mikroryhmälaskenta suoritetaan ensin 1D, jonka jälkeen laskenta muuttuu 2D vas- tematriisi laskuksi, jossa polttoaineen eri alueet homogenisoidaan yhdeksi ekvivalenttialu- eeksi. Laskenta tehdään tyypillisesti jokaiselle polttoainesauvalle. Mikroryhmälaskut teh- dään myös säätösauvoille, vesirei’ille ja palavaa myrkkyä sisältäville sauvoille. Laskenta eroaa polttoainesauvan laskennasta siinä että elementin ympärille lisätään homogenisoitu puskurialue, joka vastaa ympärillä olevien polttoainesauvojen vaikutusta. (Knott, 1995, 4-1)
Makroryhmälaskujentarkoituksena on muuttaa mikroryhmälaskujen tuloksia niin että ne ottaisivat huomioon niiden ympäristön vaikutuksen. Laskenta tehdään koko nipun yli käyt- täen mikroryhmälaskuista saatuja homogenisoituja elementtejä. Laskenta suoritetaan käyt- täen vastematriisia, joka ratkaisee kuljetusyhtälön integraalin. Vastematriisin laskennassa kytketään vierekkäiset laskentakopit toisiinsa niiden pinnan läpäisevällä neutronivuolla ja laskentaa on helpotettu ratkaisemalla neutronivuot yksi pinta kerrallaan. (Knott, 1995, 5-1)
KRAM-laskuissa päivitetään polttoainenipun 2D tuloksia ottamaan huomioon sen ympä- röimät niput tai reflektori. Laskuissa päivitetään myös polttoainesauvojen neutronijakaumaa, jonka vuoksi KRAM-laskuissa ongelmassa muutetaan polttoainesauvojen makroalueet takai- sin heterogeenisiksi. KRAM ratkaisee 2D heterogeenisen polttoainenipun kuljetusyhtälöllä käyttäen karakteristika-menetelmää. Tulokseksi saadaan uusi neutronivuojakauma polttoai- nenipulle ja uudet vuorovaikutusalat. (Knott, 1995, 6-1)
Perusmoodilaskuissapäivitetään saatuja neutronivuoprofiileja ottamaan huomioon neutro- nien vuoto. Tämä tehdään materiaalikupevuuden avulla käyttäen diffuusioteoriaa. (Knott, 1995, 7-1)
Palamalaskut tehdään jokaiselle palamapisteelle, ja jokaiselle polttoainesauvalle ja pala- vaa myrkkyä sisältävälle alueelle. Laskenta tehdään kahdessa askeleessa. Ensimmäinen on ennustaja-askel, joka laskee palamapisteen isotooppikonsentraatiot edellisen palamapisteen tuloksista. Toinen on korjaaja-askel, joka laskee isotooppikonsentraatiot ennustaja-askeleen tuloksista. Lopulliset isotooppikonsentraatiot saadaan ennustaja- ja korjaaja-askeleen kes- kiarvosta. Eri isotooppien määrät lasketaan ensimmäisen asteen differentiaaliyhtälöllä, johon otetaan huomioon isotoopin synty fissiotuotteena, neutronikaappauksesta ja toisen isotoopin hajoamisesta; ja isotoopin väheneminen neutroniabsorptioista ja hajoamisesta. (Knott, 1995, 8-1)
2.3 CMSLINK
CMSLINK-ohjelma linkittää CASMO:lta saadut tulokset SIMULATE:n käyttämiin kirjas- toihin. Ohjelma kerää CASMO:n tuloksista: monienergiaryhmän makroskooppiset vaiku- tusalat, detektorien datat, sauvakohtaisen uudelleenrakennuksen datat, kinetiikan datat, iso- tooppidatat ja spontaanien fissioiden datat. (Bahadir, 2018, 1)
2.4 SIMULATE-3
SIMULATE on diffuusioyhtälöön perustuva 3D nodaalilaskentaohjelma, jolla mallinnetaan koko reaktoria. SIMULATE:n laskennan vuokaavio on esitetty kuvassa 5.
Kuva 5.SIMULATE-ohjelman vuokaavio.
Syötteeksi SIMULATE ottaa reaktorin geometrian ja sydämen tilan, CASMO:n laskemat ekvivalenttiparametrit, tiedot termohydrauliikasta ja tiedot suoritettavista laskuista (Coving- ton, 2003, 2-3).
Termohydrauliikan laskuton painevesireaktorin tapauksessa yksinkertainen lämpötasapai- nomalli, jossa oletetaan: jäähdytteen tulolämpötila tiedetään, vesi pysyy alijäähtyneenä, vesi ei ristiin virtaa eri polttoainenippujen välillä, noodin teho siirtyy täysin sen läpi menevään veteen ja reaktorissa ei tapahdu painehäviöitä. (Cronin, 1995, 3-1)
Noodien homogenisoinnissalasketaan CASMO:n antamista tuloksista homogeeniset vuo- rovaikutusalat jokaiselle noodille. Homogenisointi tehdään ekvivalenssiteorialla.(Cronin, 1995,
2-13)
Kaksiryhmädiffuusiolaskussa lasketaan noodien pintojen vuot. Pintojen vuot ratkaistaan yksidimensioisen diffuusioyhtälön avulla, jolla ratkaistaan kahden noodin seinän vuot ker- ralla. Diffuusioyhtälö ratkaistaan olettamalla, että vuon jakautuminen noodin sisällä voidaan tarkasti mallintaa viidennen asteen polynomifunktiolla ja neutronien vuoto noodista voidaan mallintaa toisen asteen polynomi funktiolla. Vuon ratkaisun jälkeen polynomifunktiolla voi- daan ratkaista homogeenisen vuon muoto noodissa. Pinnat yhdistetään toisiinsa epäjatku- vuustekijöiden avulla. Epäjatkuvuustekijät lasketaan tekemällä heterogeenisistä voista jat- kuvat pinnoilla ja laskemalla homogeenisten voiden epäjatkuvuus pinnoilla.(Cronin, 1995, 2-2)
Palaman päivityksessänuklidikonsentraatioita päivitetään historiallisten parametrien avul- la. Laskennassa otetaan ylös jokaisen noodin olosuhteet ja lasketaan CASMO:lta saaduista tuloksista makroskooppiset vaikutusalat noodeille.(Cronin, 1995, 2-30)
3 REAKTORISYDÄMEN TEHOJAKAUMA
3.1 Tehojakaumaan vaikuttavat tekijät
Homogeenisen reaktorin tehojakauma on halkaistu kosini. Heterogeenisen reaktorin tehoja- kauman muoto taas riippuu monesta tekijästä.
Palama:Homogeenisen reaktorin tapauksessa polttoaine kuluu eniten reaktorin keskiosas- sa2. Ajan kuluessa fissioituvan materiaalin määrä vähenee reaktorin keskiosassa enemmän kuin reunoilla ja myös pitkän puoliintumisajan omaavat fissiotuotteet alkavat kertyä keskelle enemmän kuin reunoille. Tällöin tehojakauma alkaa siirtymään reunoille. Kuvissa 6 ja 7 on esitetty OL3:n aksiaalinen ja radiaalinen tehojakauma eri kohdilta jaksoa.
Kuva 6.Palaman vaikutus reaktorin aksiaaliseen tehojakaumaan.
2Palaman epätasaisen jakautumisen huomioon ottaminen muuttaa homogeenisen reaktorin heterogeenisek- si.
Kuva 7.Reaktorin tehojakauman radiaalisuunnassa eri jakson kohdista. (Liitteessä 7 on esitetty radi- aalisen tehojakaumaproofiilin laskenta.)
Alkujaksosta aksiaalinen tehojakauma on lähellä halkaistua kosinia, mutta on vähän alapai- notteinen. Myöhemmin jaksolla aksiaaliseen tehojakaumaan muodostuu kaksi huippua reak- torin ylä- ja alaosaan. Radiaalinen tehojakauma on tasoitettu lataussuunnitelulla eikä siksi ole kosinin muotoinen. Radiaalisessa tehojakaumassa näkyvät korkeat kohdat (±0,0; ±0,25 ja±0,4) ovat suuremman väkevöinnin omaavia polttoaine-elementtejä. Radiaalisessa tehoja- kaumassa tapahtuu sama ilmiö kuin aksiaalisessakin, keskelle sijoittuva maksimi teho siirtyy kahdeksi huipuksi reaktorin reunoille. Kuvat 6 ja 7 ovat OL3:n ensimmäiseltä jaksolta, jon- ka alussa kaikkien polttoainenippujen palama on nolla. Muilla jaksoilla tehojakaumat tulevat näyttämään erilaisilta.
Vaikka reaktorin reunoilla on pienempi palama kuin muualla, tehon huippu ei sijoitu täysin reunalle vaan kasvaa huippuunsa loppujaksosta vähän matkan päästä reunasta. Tämä johtuu neutronien vuodosta ulos reaktorista, jolloin reunalla olevaan fissioituvaan materiaaliin ei kohdistu yhtä suurta neutronivuota eli reunalla on pienempi reaktionopeus kuin vähän mat- kan päästä reunasta. Kuvassa 8 on esitetty suhteellinen palaman jakautuminen aksiaalisessa suunnassa eri jakson kohdissa.
Kuva 8.Palaman kehitys jakson myötä.
Alkujaksosta palama muistuttaa tehojakaumaa alkujaksosta. Tehojakauman muuttuessa pala- man maksimipiste pysyy samassa pisteessä, mutta reunoilla olevat palamat alkavat lähestyä maksimipistettä. Kuvasta 8 nähdään, että palama tasoittuu luonnostaan palaman kasvaessa tehojakauman muodon muuttumisesta johtuen.
Säätösauvat: Heterogeenisessa reaktorissa tehoa säädetään säätösauvoilla3, jotka on teh- ty suuren absorptiovaikutusalan omaavista materiaaleista. Painevesireaktorissa säätösauvat syötetään reaktorisydämeen sisään yläpuolelta. Reaktorin ollessa suurella teholla säätösau- vat jäävät reaktorin yläosaan vähentäen yläosan tehoa ja siirtäen tehojakaumaa alaspäin. Sää- tösauvoja ei kuitenkaan ajeta kaikkia kerralla vaan muutaman säätösauvan ryhmissä.4
Säätösauvat on ajettava pienissä ryhmissä, koska kaikkien säätösauvojen syöttäminen reak- torin yläosaan vääristäisi aksiaalista tehojakaumaa liikaa. Radiaalisen tehojakauman tasoit-
3Painevesireaktorin tapauksessa myös booraamalla/laimentamalla.
4Poikkeuksena reaktorin pikasulku, jolloin kaikki säätösauvat pudotetaan reaktoriin.
tamiseksi ryhmiin, mitkä syötetään reaktoriin, on valittava riittävän tehokkaita ja neljännes symmetrisiä säätösauvoja. Kuvassa 9 on esitetty säätösauvan sisältävän polttoaine-elementin tehoprofiili aksiaalisessa suunnassa eri säätösauvan korkeusasemilla OL3:lta.
Kuva 9.Säätösauvan sijainnin vaikutus aksiaaliseen tehojakaumaan polttoainenipussa, johon säätö- sauva syötetään.
Lämpötila:Turvallisuuden vuoksi reaktoreissa pyritään välttämään positiivisia takaisinkyt- kentöjä. Näin reaktori saadaan vastustamaan tehonmuutoksia. Tästä suunnitteluperiaatteesta johtuen reaktori suunnitellaan alimoderoiduksi5, jolloin veden lämpötilan nousu reaktorin alaosasta yläosaan vähentää neutronien moderointia reaktorin yläosassa. Neutronien huo- nompi moderointi reaktorin yläosassa siirtää tehojakaumaa alaspäin, ja tämä on yksi syy miksi kuvassa 6 tehojakauma on alapainotteinen jakson alussa.
Reaktorin epäsymmetrisyys:Painevesireaktoreissa polttoaineen väkevöintiaste U235-suh- teen ei yleensä muutu paljoa aksiaalisessa suunnassa. (Gadolinium-sauvoissa U235 väke- vöintiaste muuttuu OL3:lla hieman aksiaalisessa suunnassa (Lamminpää, 2018).) Radiaa- lisessa suunnassa väkevöintiaste muuttuu etenkin ensimmäisen jakson lataussuunnitelmas- sa, jossa vaihtuvalla väkevöintiasteella pyritään tasoittamaan reaktorin radiaalista tehoja-
5Alimoderoitu: reaktorissa on vähemmän kuin optimi määrä moderaattoria, jolloin moderaattorin lisäys nostaa tehoa ja poisto vähentää tehoa.
kaumaa. Muillakin jaksoilla polttoaineen väkevöinti muuttuu radiaalisessa suunnassa, mutta kuitenkin vähemmän kuin ensimmäisen jakson latauksessa. Väkevöinti ei kuitenkaan muutu polttoaine-elementin sisällä (pois lukien Gadolinium-sauvat). Kuvassa 10 on esitetty OL3:n lataussuunnitelma ensimmäiselle jaksolle.
Kuva 10.OL3:n lataussuunnittelu ensimmäiselle jaksolle (Paajanen, 2018).
Eri reaktiivisuuden omaavilla nipuilla tasoitetaan reaktorin radiaalista tehojakaumaa. Radi- aalista tehojakaumaa voisi tasoittaa vielä enemmän siirtämällä reaktiivisimmat niput reakto- rin reunoille. Näin ei kuitenkaan tehdä, koska neutronien vuoto nousisi vähentäen reaktorin reaktiivisuutta. Vuotavat neutronit haurastuttavat myös reaktorin materiaaleja.
Reaktorimyrkyt: Polttoaineeseen syntyy fissiotuotteina reaktorimyrkkyjä (muun ohessa).
Suurin vaikutus tehojakaumaan on Xe135:llä, jonka termisten neutronien mikroskooppinen absorptiovaikutusala on satoja kertoja suurempi kuin U235:n. Ksenon vaikuttaa samalla ta- voin tehojakaumaan kuin muutkin reaktorimyrkyt fissiotuotteista eli vähentää reaktiivisuutta reaktorin tehon ollessa vakio. Ksenonin merkitys reaktorin tehojakauman kannalta nousee jyrkästi reaktorin tehon muutostilanteissa tai muussa tapauksessa, jossa reaktorin tehojakau- ma muuttuu. Tämä johtuu Xe135 syntymekanismista, joka on pääasiallisesti I135 hajoamis- ta. (I135 on Te135 hajoamistuote, mutta Te135 puoliintumisaika on alle 2 minuuttia, joten telluurin hajoaminen jätetään huomioimatta.) I135:n puoliintumisaika on 6,6 tuntia, joka tar- koittaa Xe135:n muodostumista viiveellä I135 syntymisestä. Xe135:n puoliintumisaika on taas 9,2 tuntia, eli Xe135 hajoaa hitaammin kuin I135. (Bell, 1970, 555)
Reaktorin tehon ja tehojakauman ollessa vakiot ksenonin tuotto ja häviäminen ovat tasa- painossa keskenään6. Ksenonin tuotto on riippuvainen jodin hajoamisesta, jonka määrä on riippuvainen neutronivuosta (ja fissioituvan materiaalin määrästä). Ksenonin häviäminen on taas riippuvainen neutronivuosta ja ajasta. (Ibid)
Reaktorin tehon laskiessa myös neutronivuo pienenee, joka tarkoittaa jodin tuoton ja kse- nonin häviämisen pienenemistä. Jodin häviäminen ei kuitenkaan muutu yhtä nopeasti kuin sen tuotto johtuen jodin puoliintumisajasta. Ksenonin neutronivuosta johtuva häviäminen muuttuu yhtä nopeasti kuin jodin tuotto, mutta ksenonin puoliintumisesta johtuva häviä- minen reagoi jodin häviämistä hitaammin johtuen ksenonin pidemmästä puoliintumisajas- ta. Tämä johtaa tilanteeseen, jossa ksenonin tuotto on suurempi kuin sen häviäminen, joka johtaa ksenonin määrän kasvuun ja reaktiivisuuden laskuun. Koska ksenonin häviäminen muuttuu hitaammin kuin jodin häviäminen, ajan kuluessa jodin häviämisestä tulee pienempi kuin ksenonin häviämisestä, johtaen ksenonin määrän vähentymiseen. Vähentynyt ksenonin määrä nostaa reaktiivisuutta ja ellei reaktiivisuuden nousua kompensoida myös reaktorin te- ho nousee. Tehon noustessa jodin tuotto nousee, mutta häviäminen nousee viiveellä, jolloin ksenonin tuotto nousee viiveellä. Ksenonin häviäminen nousee kohonneesta neutronivuosta, joka johtaa ksenonin vähentymiseen ja reaktiivisuuden nousuun. (Yoshiaki, 2014, 202) Ku- vassa 11 on esitetty reaktorin aksiaalisen tehojakauman muuttuminen tehonmuutostilanteen
6Ksenon tasapaino saavutetaan olosuhteiden ollessa vakiot 2-3 päivää. (Gattegno, 2009, 10)
jälkeen ja säätösauvan liikkumisen jälkeen.
Kuva 11.Aksiaalisen tehojakauman muutos tehonmuutostilanteen jälkeen tai säätösauvan liikkumi- sen jälkeen. (Yoshiaki, 2014, 202)
Ksenonin aiheuttama oskillaatio voi olla globaalia tai suuremmissa reaktoreissa lokaalia.
Suurissa reaktoreissa paikalliset ksenonin aiheuttamat tehon oskillaatiot ovat mahdollisia, koska reaktorin osien fysikaalinen kytkentä toisiinsa ei ole suuri eli toisessa osassa tapahtu- vat muutokset vaikuttavat viiveellä toiseen osaan. Ksenonin aiheuttamat oskillaatiot voivat olla vaimenevia, voimistuvia tai stabiileja.
Suurena reaktorina pidetään reaktoria, jonka yksi dimensio on huomattavasti suurempi kuin reaktorissa kulkevan neutronin migraatiopituus. Nyrkkisääntönä voidaan pitää 30 kertaa neut- ronien migraatiopituus. (Duderstadt, 1976, 580) Pienillä reaktoreilla oskillaatioista ei ole ol- lut ongelmia, mutta suurilla on ollut.(Lamminpää, 2018).
3.2 Radiaalinen ja aksiaalinen tehojakauma
Painevesireaktoreissa tehojakauman oskillaatio tapahtuu suurimmalla todennäköisyydellä ak- siaalisessa suunnassa, koska tehonmuutostilanteissa säätösauvat muuttavat eniten aksiaalis- ta tehojakaumaa. Säätösauvat aiheuttavat myös radiaalisen tehojakauman muutoksen, mutta muutos on pieni säätösauvojen tasaisen asettelun vuoksi.
OL3:n tapauksessa reaktorin korkeus on suurempi kuin sen leveys, joten reaktorin ylä- ja alaosan kytkentä toisiinsa on vähemmän voimakas kuin reaktorin radiaalisuuntaisten osien eli aksiaalinen oskillaatio tapahtuu suuremmalla todennäköisyydellä.
Radiaalinen oskillaatio on myös epätodennäköisempää, koska radiaalisessa suunnassa läm- pötilan muutoksella on suurempi takaisinkytkentävaikutus. Radiaalisessa suunnassa olevan tehojakauman epätasaisuus nostaa veden lämpötilaa suuren tehon alueilla ja laskee veden lämpötilaa pienen tehon alueilla. Radiaalinen epästabiilisuus on mahdollista esiintyä aksi- aalisen epästabiilisuuden kanssa, mutta tällaisessa tapauksessa aksiaalisen epästabiilisuuden hallitseminen riittää radiaalisen epästabiilisuuden vaimentamiseksi7 (U.S NRC, 2017, 4.3- 31).
Aksiaalisessa suunnassa veden keskimääräinen lämpötilaero reaktorin ylä- ja alaosan välillä pysyy vakiona tehon ollessa vakio, muuttuneesta tehojakauman muodosta huolimatta. Tä- män vuoksi veden lämpötilan takaisinkytkentä ei ole vaikuttava tekijä aksiaalisen tehojakau- man tasaisena pitämiseen.(Yoshiaki Oka, 2014, 208)
AREVA on tehnyt laskennat EPR:lle, jossa se todensi reaktorin stabiilisuuden radiaalises- sa ja atsimutaalisessa suunnassa. Samassa raportissa todetaan EPR:n mahdollinen aksiaali- nen epästabiilisuus, joka on riippuvainen jaksonajaista ja latauksesta. Etenkin ensimmäisen jakson loppupuolella epästabiilisuus on todennäköisempää kuin muilla jaksoilla. Raportin lopussa todetaan EPR:n olevan stabiilisuudeltaan samaa luokkaa kuin muutkin painevesi- reaktorit. (Gattegno, 2009, 19)
3.3 Aksiaalisen tehojakauman säätö
Ksenonin aiheuttamassa aksiaalisen tehojakauman muutoksessa on hallittava kahta paramet- ria. Ensimmäinen on reaktorin teho, joka halutaan pitää vakiona. Toinen on aksiaalisen teho- jakauman poikkeama (Axial Offset, AO), joka halutaan pitää lähellä sen asetusarvoa. Tyypil- lisesti AO pidetään±5 prosenttiyksikön päässä siitä AO:sta, joka olisi ksenontasapainotilas-
7EPR:n tapauksessa.
sa (Yoshiaki, 2014, 214). Painevesireaktoreissa aksiaalisen tehojakauman muutoksen kom- pensointi tehdään säätösauvoilla ja booripitoisuuden muutoksella.
Esimerkiksi voidaan ottaa tapaus, jossa teho halutaan pitää vakiona ja ksenonoskillaation ai- heuttama aksiaalisen tehojakauman muutos halutaan vaimentaa. AO:n ollessa suurempi kuin sen haluttaisiin olla, työnnetään säätösauvoja alaspäin suhteellisen nopeasti. Säätösauvojen työntäminen reaktoriin aiheuttaa aksiaalisen tehojakauman siirtymisen alaspäin ja kseno- nin vaikutuksen vuoksi tehojakauma jatkaa siirtymistä alaspäin. Kun tehojakauma on laske- nut alimman halutun AO:n alle, säätösauvoja vedetään ylöspäin nostaen näin tehojakaumaa ylöspäin. Säätösauvojen ylöspäin vetäminen vaimentaa meneillään olevan ksenonoskillaa- tion, jos se tehdään kesken ksenonoskillaation ennen kuin tehojakauma alkaisi siirtyä taas ylöspäin ksenonin vaikutuksesta. (Yoshiaki, 2014, 138) Ksenonin aiheuttamat muutoksen reaktorin tehossa ovat hitaita, joten muutokset voidaan vaimentaa booripitoisuuden muutok- sella. Kuvasta 12 nähdään kyseisen esimerkin tapaus.
Kuva 12.Aksiaalisen tehojakauman poikkeaman esimerkkitapaus, jossa alkava ksenonoskillaatio vai- mennetaan säätösauvoilla. (Yoshiaki, 2013, 127)
3.4 Laskenta/Mittaus
Aksiaalisen tehojakauman laskemiseen tarvitsisi tietää reaktorisydämen sen hetkinen tila.
Reaktorisydämen täydellinen mittaaminen on kuitenkin mahdotonta, mutta yksinkertaiste- tun suureen, AO:n, mittaaminen ja laskeminen onnistuu suhteellisen hyvin karkeallakin mit- tauksella. AO lasketaan yhtälöllä,
AO= Ptop−Pbot
Ptop+Pbot (1)
missä P Teho (Reaktorin ylä- tai alaosassa) [-]. (Lamminpää, 2015, 39)
Tehojakauman muuttaminen yksinkertaiseksi suureeksi helpottaa sen seuraamista, mutta sa- malla informaatio reaktorin tarkemmasta tilasta menetetään. Tarkempi tehojakauman mittaus
tehdään OL3:n tapauksessa eri laitteistolla eikä laitteistolla voida mitata jatkuvasti.
3.5 Vaikutus
Tehojakaumaa halutaan seurata ja muuttaa sekä taloudellisista että turvallisuussyistä.
Aksiaalinen tehojakauma halutaan pitää täydellä teholla tasaisena, jotta lineaaritehorajat ei- vät ylittyisi. Epätasaisella tehojakaumalla reaktorin tehoa on laskettava, jotta suuren tehon alueella olevissa polttoainesauvoissa lineaariteho ei nousisi liian korkeaksi. Lineaaritehora- jat on asetettu polttoaineelle polttoainesauvan eheyden varmistamiseksi.
Talouden kannalta tehojakauma halutaan pitää myös tasaisena. Tasaisella tehojakaumalla voidaan tuottaa suurin teho reaktorista (asetettujen lineaaritehorajojen vuoksi). Käytännössä ongelma on monimutkaisempi, mutta kuten kuvassa 6 nähtiin, tehojakauma tasoittuu jakson myötä, vaikka tehojakauma ei olisi jakson alussa tasainen. Tärkeintä talouden kannalta on saada mahdollisimman suuri keskiarvopalama jokaiselle poistuvalle polttoainenipulle. Jo- kaiselle polttoaine-elementille on myös annettu keskimääräinen palamaraja mitä se ei saa ylittää, joka lisää ongelmaan yhden lisärajoitteen.
Tehojakauman tasaisuus lisää myös mahdollisen jakson pituutta. Keskelle painottunut teho- jakauma kuluttaa fissioituvan materiaalin määrää keskeltä nopeammin kuin muualta ja tämä tarkoittaa tehojakauman siirtymistä reunoja lähemmäs. Reunoja lähellä oleva tehojakauma lisää neutronien vuotamista ulos reaktorista vähentäen näin reaktorin kykyä pysyä kriittisenä lyhentäen mahdollista jaksonpituutta.
Keskimääräinen palama ja lineaariteho ovat rajoitettu turvallisuuden vuoksi, koska ne vä- hentävät polttoainevuodon riskiä. Polttoainevuodot ovat turvallisuuden ja talouden kannalta huono asia. Polttoainevuodot ovat turvallisuuden kannalta huono, koska tällöin primääripiiri kontaminoituu lisäten laitoksella työskentelevien säteilyannosta; etenkin vuosihuoltojen ai- kana.
Vuotava polttoaine voi olla juuri poistettavaksi tarkoitettu nippu, jolloin tuotannon menetys-
tä ei ole. Polttoaine voi olla myös tuoreempaa jolloin vuotava polttoainesauva on vaihdetta- va nipusta. Tällöin menetetään vuotavasta sauvasta jäljellä jäänyt energiamäärä, ja riippuen minkä tyyppiseen sauvaan vuotava vaihdetaan, uuteen sauvaan jäänyt energia polttoaineni- pun poistuessa reaktorista. Pahimmassa tapauksessa polttoaineen vuoto on niin suuri, et- tä reaktori joudutaan viemään kylmäseisokkiin. Vuotava polttoainenippu on vaihdettava ja reaktori käynnistetään uudestaan. Keskellä jaksoa tehty polttoaineenvaihtoseisokki aiheuttaa noin viikon tuotannon menetykset.
Turvallisuuden kannalta aksiaalisen tehojakauman pysyminen sille asetettujen rajojen sisällä on tärkeää, koska aksiaalista tehojakaumaa käytetään keskeisenä oletuksena lopullisen tur- vallisuusselosteen turvallisuusanalyysien tekemiseen. Analyysien tulokset eivät enää päde, jos aksiaalinen tehojakauma on sille oletettujen rajojen ulkopuolella. (Lamminpää, 2018)
Ydinvoimalan suunnittelussa tehdyissä turvallisuusanalyyseissä on huomioitava erinäisiä on- nettomuustilanteita. Yksi suunnittelunperustaonnettomuus skenaarioista on primääripiirin jäähdytteen menetys. Reaktorin teho ennen pikasulkua on suoraan verrannollinen reakto- rin tuottamaan jälkilämpöön. Tehojakauman ollessa yläpainottunut, nostaa se jälkilämmön määrää reaktorin yläosassa. Jos primääripiiriin ei saada tarpeeksi vettä, reaktorissa oleva vesi alkaa höyrystyä ja reaktorin yläosa jää paljaaksi ensimmäisenä. Yläpainotetulla tehojakau- malla polttoaine sulaa suuremmalla todennäköisyydellä kuin tasaisella tehojakaumalla. (Za- ruba, 2017, B3.2.3)
Painevesireaktorissa säätösauvat työnnetään reaktorin yläpuolelta sisään. Säätösauvakotelon sisäosa on reaktorin paineessa ja ulko-osa ympäristön paineessa, jolloin kotelon molempien puolien välillä on suuri painegradientti. Onnettomuustilanteessa, jossa ohjaustangon kotelon paineraja rikkoutuu, säätösauva lentää nopeasti ulos reaktorista. Reaktiivisimman säätösau- van tapauksessa ja sen ollessa syvällä reaktorissa; reaktorin alaosan teho nousee enemmän kuin yläosan, koska yksittäisen sauvan vaikutus reaktorin alaosassa on enemmän kuin ylä- osassa (alaosassa on vähemmän säätösauvoja). Tehojakauman ollessa alapainotteinen reak- torin alaosan tehon absoluuttinen arvo nousee enemmän kuin tasaisen tehojakauman tapauk- sessa. (Zaruba, 2017, B3.2.3)
4 OLKILUOTO 3:N REAKTORISYDÄMEN AUTOMAA- TIO
Reaktorisydämen automaation pääasiallisena tehtävänä on toteuttaa eri turvatoimia eri para- metrien ylittäessä niille asetetut rajat. Reaktorisydämen automaatio myös ylläpitää ydinvoi- malan termistä tehoa turbiinin kuorman mukaan. Automaatio seuraa turbiinin tehonmuutok- sia mittaamalla primääripiirin veden lämpötilan sen tullessa reaktoriin ja sen lähtiessä reakto- rista. Sisään- ja ulostulovedenlämpötilojen erotuksesta automaatio laskee reaktorin termisen tehon. Termisen tehon nostamiseksi tai laskemiseksi automaatio vetää tai työntää säätösau- voja ulos tai sisään.(Lamminpää, 2015, 14)
Säätösauvoja ei ole kuitenkaan hyvä työntää liian syvälle, koska liian syvällä olevat säätö- sauvat heikentävät reaktorin sulkumarginaalia. Säätösauvoja ei haluta myöskään vetää liian ylös, jotta automaatio voi reagoida reaktiivisuuden tai AO:n muutoksiin. Reaktorin olles- sa pienemmällä teholla kuin täysteholla halutaan myös estää säätösauvojen vetäminen liian ylös, jotta reaktorin nostaminen takaisin täydelle teholle onnistuisi helpommin. OL3:lla sää- tösauvojen pitäminen halutussa kohdassa tehdään booraamalla tai laimentamalla reaktorin primääripiirin vettä, tai ajamalla toisia säätösauvoja. (Lamminpää, 2015, 73)
Automaation on myös rajoitettava tehojakauman heilahteluja. Radiaaliseen tehojakaumaan vaikutetaan lataussuunnitelulla ja käyttämällä neljännessymmetrisiä säätösauvasekvenssejä.
Aksiaalisen tehojakauman tasoittamiseen ajetaan säätösauvoja. (Lamminpää, 2015, 71)
4.1 Käytetyt mittaussuureet ja mittalaitteet
4.1.1 Neutronivuo
Reaktorin paikallisten tehojen mittaus tehdään neutronivuomittauksella. OL3:lla on kolmea eri tyyppiä olevia neutronivuomittauksia ulkoinen, sisäinen ja kalibrointi.
Ulkoinen neutronivuomittausjärjestelmä on tarkoitettu reaktorin tehon ja nopeiden tehon-
muutostilanteiden seurantaan. Ulkoinen neutronivuonmittausjärjestelmä koostuu kolmesta eri mittausalueen detektorista. Nämä ovat lähdealueen detektorit, jotka on tarkoitettu reaktii- visuuden valvontaan reaktorin ollessa alikriittinen ja kriittinen, mutta pienellä teholla; välia- lueen detektorit, jotka on tarkoitettu neutronivuon mittaamiseen reaktorin ollessa kriittinen ja alle 10% teholla; ja tehoalueen detektorit, jotka kattavat tehoajon loppuosan. Jokainen detektori on myös kykenevä mittaamaan muutaman dekadin varsinaisen mittausalueensa ul- kopuolelta. (Lamminpää, 2015, 6)
Lähdealueen detektoreita on kolme ja ne on sijoitettu reaktorin sivuille. Välialueen detek- toreita on neljä ja ne on sijoitettu myös reaktorin sivuille mutta eri kohdalle. Tehoalueen detektoreita on kahdeksan ja ne on sijoitettu kahden detektorin nipuissa samoille paikoille kuin välialueen detektorit, mutta eri korkeuksille. (Lamminpää, 2015, 7)
Ulkoisella mittausjärjestelmällä on myös mahdollista seurata tehon jakautumista radiaalises- ti. Radiaalisen tehojakauman mittaus onnistuu kuitenkin vain karkeasti. Aksiaalisen tehoja- kauman seuranta onnistuu vain periaatteessa ulkoisella mittausjärjestelmällä OL3:lla, koska neutronivuodetektorit on sijoitettu vain kahdelle korkeudelle reaktorin ulkopuolelle. (Lam- minpää, 2018) Kuvassa 13 on esitetty ulkoisten neutronivuodetektoreiden radiaalinen sijoit- tuminen reaktorin ulkopuolelle.
Kuva 13.Ulkoisten neutronivuomittausjärjestelmien sijoittuminen reaktorin ulkopuolelle. 1 Lähdea- lueen detektorit 2&3 Välialueen ja tehoalueen detektorit.
Ulkoisten neutronivuodetektoreiden merkitys tämän työn kannalta on erittäin pieni ja syynä tähän ovat:
Tämä työ keskittyy aksiaaliseen tehojakaumaan ja kuten luvussa 2 mainittiin, aksiaalisen te- hojakauman oskillaation estäminen estää myös radiaalisen ja atsimutuaalisen oskillaation.
Työssä käytetyssä ohjelmapaketissa käytetään diffuusioteoriaa reaktorin tilan laskemiseen ja diffuusioteorian tarkkuus tippuu jyrkästi reaktorin ulkopuolella eli detektorien signaalin mal- lintaminen ei onnistu. OL3 ei ole myöskään vielä käytössä, joten ei voida käyttää todellisia mittaustuloksia.
Kaikki ulkoisen neutronivuonmittausjärjestelmän detektorit ovat tyypiltään B-10 ionisaatio- kammioita, joissa (n,alfa) reaktio tuottaa ioneita, jotka tuottavat muutoksen detektorin sig- naaliin. Detektorityyppi on kuitenkin herkkä myös gammasäteilylle, eikä neutronivuodetek- toreilla haluta mitata gammasäteilyn määrää. Gammasäteilyn vaikutuksen poistamiseen jo- kainen eri aluetyypin detektori käyttää eri menetelmää. Lähialueen detektoreissa tämä teh-
dään diskriminoimalla ohjelmallisesti kaikki gammakvantien aiheuttamat signaalit. Välia- lueen detektoreissa on erillinen ionisaatiokammio, jossa ei ole booria. Boorittoman detek- torin tulos on vain gammakvanteista aiheutuva signaalin muutos, joten sen signaali voidaan poistaa boorillisen detektorin signaalista; jäljelle jääden vain neutroneiden tuottama signaali.
Tehoalueen detektoreiden toiminta-alueella gammakvanttien vaikutus signaaliin on merkit- semättömän pieni, joten sille ei tehdä mitään. (Lamminpää, 2015, 9)
Sisäinen neutronivuonmittausjärjestelmä on tarkoitettu jatkuvaan tehojakauman seurantaan.
Mittausjärjestelmä koostuu 72 kobolttidetektorista, joita kutsutaan SPND-detektoreiksi (Self Powered Neutron Detector). Detektorit on sijoitettu aksiaalisesti kuudelle eri korkeudelle ja radiaalisesti 12 eri kohtaan eli detektorit on sijoitettu 12 polttoainenipun ohjausputkeen. De- tektorien radiaaliset sijainnit on valittu niin että jokaisella detektorilla on symmetrinen pari sydämen keskiakselin suhteen. Aksiaalisesti detektorit on sijoitettu puolet yläosaan ja puolet alaosaan. Detektorien aksiaalinen sijoittelu ei ole täysin symmetrinen vaan vähän yläpainot- teinen. Kuvassa 14 on esitetty sisäisten neutronivuodetektorien sijainnit reaktorissa.(Ibid)
Kuva 14.SPND-detektorien sijoittuminen reaktoriin.
SPND-detektorien toiminta perustuu Co59:n tuottamaan virtasignaaliin, kun siihen absorboi- tuu neutroni. Detektorit toimivat siis ilman erillistä virtalähdettä. Detektoreilla halutaan mi- tata vain neutronivuota, mutta fissiotuotteiden hajoamisista vapautuvat gammakvantit tuotta- vat myös virtasignaalin osuessaan detektorin virtakaapeliin. Gammakvanttien tuottama vir- tasignaali poistetaan mittauksista erillisen virtakaapelin avulla, joka kulkee samassa ohjaus- putkessa kuin SPND-detektori. Erillisellä virtakaapelilla voidaan mitata kuinka suuren vir- tasignaalin gammakvantit aiheuttavat SPND-detektorin virtasignaalin. Erillisellä virtakaape- lilla mitattu virtasignaalin suuruus voidaan poistaa suoraan SPND-detektorin virtasignaalista saaden näin gammakvanteista puhtaan virtasignaalin. (Lamminpää, 2015, 10)
Toinen virheen lähde SPND-detektoreissa on aktivoitumistuotteet, joita syntyy Co59 absor- boidessa neutronin. Aktivoitumistuotteet hajoavat ajan kuluessa tuottaen detektoriin virtasig- naalin. Aktivoitumistuotteiden hajoamisesta johtuva virhe poistetaan virtasignaalista ohjel- mallisesti. Lisäksi detektorit kalibroidaan säännöllisesti. Co59:n kuluessa SPND-detektorien herkkyys putoaa, joten ohjelmallinen virheen poisto ei ikinä riitä vaan detektorit on pakko
kalibroida ja vaihtaa ajoittain. (Lamminpää, 2015, 11)
Automaatio käyttää sisäisen neutronivuomittausjärjestelmän signaaleja reaktorisydämen ak- siaalisen tehojakauman seuraamiseen. Automaatio laskee yhtälöllä 1 AO:n. AO:n eron ase- tusarvostaan ollessa liian suuri automaatio muuttaa reaktorin booripitoisuutta tai säätösau- vojen asentoja tehojakauman tasoittamiseksi. (Lamminpää, 2015, 71)
Sisäisen neutronivuomittausjärjestelmän kalibrointiin tarkoitettu Aeroball-järjestelmä koos- tuu 40 teräskuularivistöstä. Teräskuulat syötetään reaktoriin painetyppijärjestelmän avul- la. Teräskuularivistöt menevät 40:n eri polttoaineen ohjausputkeen. (Eivät kuitenkaan oh- jausputkiin missä on säätösauva tai muuta instrumentointia kuten SPND-sondi. Aeroball- detektorit on kuitenkin sijoitettu niin että ne ovat samassa ohjausputkessa kuin SPND-sondi olisi, jos se olisi sijoitettu kyseiseen polttoaine-elementin neljännekseen.) Aeroball-järjestelmän tarkoitus on antaa riittävän korkearesoluutioinen kuva reaktorin neutronivuosta. Aeroball- sondit on sijoitettu symmetrisesti reaktorin keskiakselin suhteen. (Lamminpää, 2015, 12) Kuvassa 15 on esitetty Aeroball-sondien sijainnit reaktorissa.
Kuva 15.Aeroball-detektorien sijoittuminen reaktoriin.
Aeroball-järjestelmä perustuu teräskuulissa olevan V51 aktivoitumiseen ja gammakvanttien mittaukseen. Teräskuulat absorboivat reaktorissa ollessaan neutroneita. Teräskuulien akti- voitumisen määrää mitataan erillisellä mittauspöydällä, joka sijaitsee reaktorin paineastian ulkopuolella. Mittauspöytä sisältää gammaherkkiä detektoreita, jotka mittaavat V51 aktivoi- tumistuotteen V52β-hajoamisen tuottamia gammakvantteja. Teräskuulien muutkin materi- aalit aktivoituvat ja tuottavat gammakvantteja. Näiden gammakvanttien aallonpituudet ovat kuitenkin eri kuin V52 tuottamien gammakvanttien, joten ne voidaan poistaa ohjelmallisesti mittaustuloksista.(Ibid)
Teräskuulat eivät ole jatkuvasti reaktorissa, joten Aeroball-järjestelmää ei voida käyttää reak- torisydämen jatkuvaan seurantaa (Ibid). V52 lyhyen puoliintumisajan (3,7 min) ansiosta Aeroball-järjestelmällä voidaan mitata reaktorin tehojakauma 10 min välein, jos tarpeel- lista (Haebler, 1969, 3). Aeroball-järjestelmä laskee reaktorin tehojakauman suhteuttamal- la mittaukset ennalta laskettuun teoreettiseen tehojakaumaan. Aeroball-järjestelmän tuloksia käytetään SPND-detektorien kalibrointiin. SPND-detektorien kalibrointi käyttää Aeroball-
järjestelmältä saatuja tuloksia tehon jakautumisen laskemiseen reaktorin ylä- ja alaosassa.
(Lamminpää, 2015, 12) SPND-detektorien sen hetkinen signaali suhteutetaan sen hetkiseen tehoon reaktorin ylä- tai alaosassa riippuen SPND-detektorin sijainnista. SPND-detektorien kalibrointikertoimet määritetään yhtälöllä:
Kf,aAO = (
3
X
j=1
vf,j)· PKAbot/top P3
j=1vf,j ·If,j (2)
missä K Kalibrointikerroin [-],
f Detektorin numero radiaalisessa sijoittumisessa 1...12 [-], a Detektorin numero aksiaalisessa sijoittumisessa 1...6 [-], v Detektorin käyttökuntoisuus 1/0 [-],
PKAbot/top Tehon keskiarvon reaktorin
ala-(1<=a <= 3) tai yläosassa (3< a <= 6)[-], I Detektorin signaali [-],
PKAbot/top = R
bot/top
P(z)dz hbot/top
(3)
missä z Korkeus [m],
hbot/top Reaktorin ala-/yläosan korkeus [m]. (Desmaison, 2014, 32)
Jokainen SPND-detektori saa oman kalibraatiokertoimen ja saman sondin yläosan detekto- reilla on keskenään sama kalibraatiokerroin ja alaosan detektoreilla on keskenään sama. Ka- librointikertoimien avulla lasketaan tehon jakautuminen reaktorissa yhtälöillä:
Pbot = P12
f=1
P3
a=1Kf,aAO ·If,a·vf,a P12
f=1
P3
a=1vf,a (4)
Ptop = P12
f=1
P6
a=4Kf,aAO·If,a·vf,a P12
f=1
P6
a=4vf,a (5)
Huomioitavaa kalibroinnissa on, ettei se ota kantaa tehojakauman muotoon reaktorin ylä- tai alaosassa, vain miten se on jakautunut niiden välillä. SPND-detektorit kuluvat eri vauhdilla ja on mahdollista, että jokainen detektori tuottaa saman virtasignaalin, vaikka niihin osuisi eri määrä neutroneita. On helppoa huomata tällaisesta tapauksesta, että myös kaikkien yläosassa olevien kalibraatiokertoimet olisivat keskenään samat ja alaosassa keskenään samat. SPND- detektorien kalibrointimenetelmästä johtuen niillä voidaan mitata vain tehon muuttumista
reaktorin eri kohdissa eikä tehon absoluuttista määrää kyseisessä kohdassa. Kalibrointime- netelmä myös painottaa suuremman tehoalueilla olevien detektorien signaalia (Lamminpää, 2018).
4.1.2 Jäähdytteen lämpötila
Primääripiirin jäähdytteen lämpötilanmittaus on tarkoitettu pitkäaikaiseen reaktorin termi- sen tehon seurantaan. Mittausjärjestelmä koostuu kylmien ja kuumien haarojen mittauksis- ta. Jokaisessa kylmässä haarassa on kaksi kapeaa mittausta ja yksi laaja mittaus. Jokaisessa kuumassa haarassa on neljä kapeaa mittausta ja yksi laaja mittaus. Jokaisen haaran kapeista mittauksista lasketaan keskiarvo ja keskiarvoista lasketaan sekä kylmän haaran että kuuman haaran keskimääräinen kapea lämpötila. (Lamminpää, 2015, 14)
Jäähdytteen lämpötilan mittaamiseen käytetään termopareja (Lamminpää, 2018). Termopa- rin toiminta perustuu kahden metallista tehdyn johdon tuottamaan jännitteeseen, joka muut- tuu lämpötilan funktiona. Termoparin mittaustuloksissa on itsessään virhettä. Terminen te- ho kuitenkin kalibroidaan sekundääripuolen lämpötaseella poistaen virhettä. (Lamminpää, 2015, 14).
Jäähdytteen lämpötilamittauksista muodostetaan keskimääräinen jäähdytteen lämpötila (Ave- rage Coolant Temperature, ACT). ACT-signaalia automaatio käyttää turbiinin tehon muutos- ten seurantaan. Turbiinin tehon muuttuessa automaatio liikuttaa säätösauvoja muuttaakseen reaktorin termistä tehoa turbiinin tehon asetusarvoon päin. (Lamminpää, 2015, 68)
4.1.3 Säätösauvojen asema
Säätösauvojen aseman mittausjärjestelmä mittaa erikseen jokaisen säätösauvan aseman. Yh- den säätösauvan aseman mittausjärjestelmä koostuu kolmesta anturista. Ylä- ja ala-asema- anturista sekä asemanmittausanturista. Ylä ja ala-asema-anturit toimivat binäärisesti eivät- kä pysty indikoimaan muuta kuin täysin ulkona tai sisällä olevan säätösauvan. Asemanmit- tausanturi on tarkoitettu säätösauvan aseman mittaukseen. (Kiiski, 2017) Automaatio ei kui-
tenkaan käytä mittauksista muuta kuin suojaustoimintoihin. Säätösauvan aseman mittauk- seen käytetään digitaalista signaalia, joka laskee jokaisen säätösauvan aseman muutoksen suoritettujen askelten perusteella. Säätösauvan aseman mittausta käytetään silloin, kun digi- taalisessa signaalissa on liikaa eroa mittaukseen, joka tapahtuu esimerkiksi reaktorin pikasu- lussa tai automaation toimintahäiriöissä. (Lamminpää, 2018)
4.1.4 Booripitoisuus
Primääripiirin booripitoisuus mitataan joko näytteenottojärjestelmällä tai kaavalla. Näytteen- ottojärjestelmä on jatkuvatoiminen ja voi ottaa primääripiirin vettä useasta eri kohdasta; kui- tenkin vain yhdestä kohdasta kerrallaan. Näytteenottojärjestelmän mittaus perustuu neutro- niabsorptioon jäähdytteessä. Mittaus tehdään ohjaamalla primääripiiristä otettu näyte neutro- nilähteen ja neutronidetektorin välistä. Näytteenottojärjestelmä on kaukana primääripiiristä, joten mittauksessa on viivettä noin 5 min. (Lamminpää, 2015, 55)
Booripitoisuus voidaan myös laskea kaavalla:
P P M1 = 1
1 +R(R·P P Mkon+P P M0) (6) missä P P M0 Primääripiirin boorikonsentraatio ennen muutosta [ppm],
P P Mkon Lisätyn veden boorikonsentraatio (7000 ppm tai 0 ppm), P P M1 Primääripiirin boorikonsentraatio muutoksen jälkeen [ppm].
R =qminj dt
mpp (7)
missä qminj Boori- ja lisävesijärjestelmän syöttövirtaus [-], dt Laskentasykli [s],
mpp Primääripiirin jäähdytteen massa [kg].
Automaatio käyttää kaavalla laskettua booripitoisuutta laukaisuehtona booripitoisuuden lai- mentamisen estämiseksi. Booripitoisuuden laskennassa otetaan virheen vaikutus konserva- tiivisesti huomioon laskemalla koko reaktorin booripitoisuus kahdella eri reaktorin veden määrällä (maksimi- ja minimimäärällä) valittaen näistä tuloksista pienempi booripitoisuus.
(Ibid)
4.2 Käytetyt logiikat
4.2.1 ACT-säätö
ACT-säädön tarkoitus on sitoa reaktorin terminen teho turbiinin tehoon. Säätö on käytössä aina reaktorin ollessa tehoajolla eli silloin kun generaattori on tahdistettu. Säätö seuraa jääh- dytteen keskimääräistä lämpötilaa. Turbiinin ottaessa enemmän tehoa jäähdytteen sisääntu- lolämpötila laskee ja reaktorin termistä tehoa on nostettava, jotta keskimääräinen lämpötila ei muuttuisi; ja turbiinin ottaessa vähemmän tehoa sisääntulolämpötila nousee ja reaktorin tehoa on laskettava. Säätö vertaa sen hetkistä keskimääräistä lämpötilaa sille annettuihin käy- riin, joissa on määritetty jokaiselle tehotasolle oma keskimääräinen lämpötila. (Lamminpää, 2015, 68)
ACT-säätö käyttää P-ryhmää8(ja H-ryhmää termisen tehon muutoksen tarpeen ollessa suuri tai P-ryhmän ollessa liian kaukana asetusarvostaan ja vaadittavan liikkeen suunta P-ryhmälle on poispäin P-ryhmän asetusarvosta) reaktorin termisen tehon muuttamiseen/ylläpitämiseen.
Säätösauvojen säätönopeus riippuu säätöpoikkeaman suuruudesta. Ajettavat säätösauvat riip- puvat sen hetkisestä sekvenssistä. Säätösauvojen liikkumissuunta riippuu sen hetkisen jääh- dytteen keskimääräisen lämpötilan ja taulukosta otetun lämpötilan erotuksen merkistä. Jääh- dytteen keskimääräisen lämpötilan ollessa suurempi kuin taulukosta saatava arvo säätösau- voja työnnetään sisäänpäin. Jäähdytteen keskimääräisen lämpötilan ollessa pienempi kuin taulukosta saatava arvo säätösauvoja vedetään ulospäin. Säätö ei reagoi 0,5 oC eroon pri- määripiirin keskimääräisen lämpötilan ja lämpötilan asetusarvon välillä. (Lamminpää, 2015, 70)
4.2.2 AO-säätö
AO-säädön tarkoitus on rajoittaa aksiaalisen tehojakauman heilahteluita. Säätö myös pyr- kii pitämään AO:n asetusarvossaan. Säätö ei ole välttämätön reaktorin ajamiseen, mutta sen käyttäminen on suositeltavaa etenkin nopeissa tehonmuutostilanteissa. (Lamminpää, 2015,
8P- ja H-ryhmä ovat nimityksiä säätöön osallistuville säätösauvaryhmille. Mihin ryhmään mikäkin säätö- sauva kuuluu milloinkin on selitetty luvussa 4.3.1.
71)
AO-säätö käyttää H-ryhmää tai boorausjärjestelmää aksiaalisen tehojakauman muuttami- seen. Syvimmän säätösauvaryhmän ollessa reaktorisydämen yläosassa säätö käyttää boo- rausjärjestelmää. Booraako vai laimentaako boorausjärjestelmä riippuu sen hetkisen AO:n ja asetusarvon erotuksesta. AO:n ollessa suurempi kuin asetusarvon, eli reaktorin tehon ollessa liian yläpainotteinen, boorausjärjestelmä laimentaa reaktoriveden booripitoisuutta. Aksiaali- nen tehojakauma siirtyy alaspäin, koska reaktoriveden booripitoisuuden laskiessa reaktorin terminen teho nousee ja tällöin ACT-säätö työntää P-ryhmän säätösauvoja alaspäin kom- pensoidakseen boorin laimentumisesta seurannutta reaktiivisuuden nousua. Reaktorin tehon ollessa liian alapainotteinen AO-säätö lisää booria reaktoriveteen jolloin ACT-säätö vetää P- ryhmän säätösauvoja ylöspäin. (Lamminpää, 2015, 72)
Syvimmän säätösauvaryhmän ollessa reaktorisydämen alaosassa AO-säätö käyttää H-ryhmää.
Säätösauvojen liikkeen suunta riippuu sen hetkisen AO:n ja asetusarvon erotuksesta. Reakto- rin tehon ollessa liian yläpainotteinen säätö työntää H-ryhmän säätösauvoja alaspäin. Reak- torin tehon ollessa liian alapainotteinen säätö vetää H-ryhmän säätösauvoja ylöspäin. AO- säätö ei voi kuitenkaan toimia ACT-säädön komentojen vastaisesti, joten tilanteessa, jos- sa ACT-säätö vetää/työntää P-ryhmää ylös/alas, ei AO-säätö voi työntää/vetää H-ryhmää alas/ylös. (Ibid)
AO-säädön laukaisukriteerit ovat: joko AO:n ja asetusarvon ero on yli 5 prosenttiyksikköä tai AO:n suodatetun säätöpoikkeaman ollessa yli 2 prosenttiyksikköä (suodatus tehdään en- simmäisen asteen viive funktiolla). (Ibid)
4.2.3 P-ryhmänsäätö
P-ryhmäsäädön tarkoitus on pitää säätösauvat referessiasemassa reaktorin ollessa tasaisel- la tehoajolla. Lisäksi säädön tarkoitus on varmistaa reaktorin kyky palata täydelle teholle ja estää säätösauvojen valuminen liian syvälle reaktoriin reaktorin ollessa osateholla. Säädölle asetetaan asetusarvo täydellä teholla, jossa se pyrkii pitämään P-ryhmän säätösauvat. Tehon
alentuessa P-ryhmäsäätö vähentää asetusarvostaan askeleita. Vähennettyjen askeleiden mää- rä määräytyy käyristä, jotka on määritetty reaktorin tehon funktiona. (Lamminpää, 2015, 73)
P-ryhmäsäätö käyttää H-ryhmää tai boorausjärjestelmää P-ryhmän aseman muuttamiseen.
Syvimmän säätösauvaryhmän ollessa reaktorisydämen yläosassa säätö käyttää H-ryhmää.
P-ryhmän ollessa liian syvällä reaktorissa säätö työntää H-ryhmän säätösauvoja alaspäin. P- ryhmän ollessa liian korkealla reaktorissa P-ryhmäsäätö vetää H-ryhmän säätösauvoja ylös- päin. P-ryhmäsäätö ei voi toimia ACT-säädön komentojen vastaisesti, joten tilanteessa, jossa ACT-säätö vetää/työntää P-ryhmää ylös/alas, ei P-ryhmäsäätö voi työntää/vetää H-ryhmää alas/ylös. (Lamminpää, 2015, 77)
Alimman säätösauvaryhmän ollessa reaktorin alaosassa P-ryhmänsäätö käyttää boorausjär- jestelmää. Booraako vai laimentaako boorausjärjestelmä riippuu P-ryhmän aseman ja ase- tusarvon erotuksesta. P-ryhmän ollessa liian syvällä reaktorissa säätö lisää reaktoriveteen booria, jolloin ACT-säätö liikuttaa P-ryhmää ylöspäin kompensoidakseen lisätyn boorin pois- tamaa reaktiivisuutta. P-ryhmän ollessa liian korkealla reaktorissa säätö laimentaa reakto- riveden booripitoisuutta, jolloin ACT-säätö liikuttaa P-ryhmää alaspäin kompensoidakseen poistuneen boorin lisäämää reaktiivisuutta. (Ibid)
P-ryhmäsäädön laukaisukriteerit ovat: joko P-ryhmän ja asetusarvon ero on yli 99 askelta tai P-ryhmän suodatetun säätöpoikkeaman ollessa yli 30 (suodatus tehdään ensimmäisen asteen viive funktiolla). (Lamminpää, 2015, 74)
4.2.4 Neutronivuon säätö
Neutronivuon säätö toimii silloin, kun generaattori ei ole tahdistettuna verkkoon. Neutroni- vuonsäätö on ACT-säätöä vastaava säätö, joka toimii ACT-säädön ollessa pois päältä. Neut- ronivuon säätö seuraa tehoalueen neutronivuodetektoreita. Säätö vertaa sen hetkistä tehoa asetusarvoon. (Lamminpää, 2015, 67)
Neutronivuon säätö käyttää samoja säätösauvaryhmiä kuin ACT-säätö samoilla periaatteilla.
Poikkeuksena on tilanteet joissa neutronivuon säätö siirtyy käsinohjaukseen. Näitä tilanteita
ovat erittäin pienen tehon tilanteet sekä halutun säätöpoikkeaman ollessa liian suuri. (Lam- minpää, 2015, 68)
4.3 Käytetyt toimilaitteet
4.3.1 Säätösauvat
Painevesireaktoreissa säätösauva koostuu ajokoneistosta, toimilaitteen tangosta ja sormisää- tösauvasta. Ajokoneiston tarkoitus on mahdollistaa säätösauvojen ylös vetäminen tai alas työntäminen. Toimilaitteen tanko yhdistää säätösauvasormet ja ajokoneiston toisiinsa. Sää- tösauvasormet ovat säätösauvan osa, joka osallistuu reaktiivisuuden hallintaan reaktorissa.
OL3:lla säätösauvasormi sisältää pellettejä ja tangon. Pelletit sijaitsevat säätösauvan yläosas- sa ja koostuvat boorikarbidista. Loppuosan tanko kostuu hopeasta, indiumista ja kadmiumis- ta. (Mekmouche, 2007, 7)
Säätösauvojen ajomekanismi perustuu kolmeen käämiin ja kahteen tarttujaan. Ensimmäinen käämi ja tarttuja ovat säätösauvan paikoillaan pitämistä varten. Toinen käämi ja ensimmäi- nen tarttuja ovat säätösauvan hetkellistä paikoillaan pitämistä varten. Kolmas käämi ja toinen tarttuja ovat säätösauvan liikuttamista varten. Säätösauvaa liikuttaessa toinen ja kolmas kää- mi vuorottelevat siitä kumpi on päällä, jolloin kyseisen käämin tarttuja pitää säätösauvasta kiinni. Kolmannen käämin ollessa päällä käämiä liikutetaan ylös/alas, jolloin toinen tarttu- ja ja säätösauva liikkuvat ylös/alas. Kolmannen käämin saavuttaessa ylä/alaliikkumisrajansa toinen käämi menee päälle, jolloin ensimmäinen tarttuja pitää säätösauvaa paikoillaan. Toi- sen käämin tarttujan ottaessa säätösauvasta kiinni kolmas käämi menee pois päältä ja palaa ala/ylä liikkumisrajallensa, ja prosessi voi toistua. Käämit toimivat sähkömagneetteina, joten sähkön menetys tarkoittaa jokaisen säätösauvan putoamista reaktoriin eli reaktorin siirtymis- tä turvallisempaan tilaan. (Kiiski, 2017)
Säätösauvat on jaettu 11 eri ryhmään, joista 9 ovat säätöryhmiä ja 2 ovat sulkuryhmiä (Lam- minpää, 2015, 57). Säätösauvojen sijoittuminen ja niiden jako säätö- ja sulkuryhmiin reak- torissa on esitetty kuvassa 16.
Kuva 16.Säätösauvojen sijoittuminen reaktorissa ja nimeäminen.
N-säätösauvat ovat sulkuryhmiin kuuluvia säätösauvoja eivätkä ne osallistu tehonsäätöön reaktorissa. P-säätösauvat ovat säätöryhmiin kuuluvia säätösauvoja. Säätöryhmistä muodos- tetaan neljä eri sekvenssiä. Jokaisessa sekvenssissä on viisi eri ryhmää (P1...P5) joita se- kvenssi käyttää järjestyksessä reaktorin tehon hallintaan9. Jokaisella sekvenssin ryhmällä on ainakin yksi säätösauva jokaisessa sydämenneljänneksessä. Jokaisesta neljänneksestä valittu säätösauva on muista neljänneksistä valittujen kanssa symmetrinen. Sekvensseihin kuulu- vat säätösauvat on valittu niin että ensimmäisenä tehonsäätöön osallistuvat säätösauvat ovat ulommalla kehällä (P-säätösauvoista muodostuu kaksi selkeää kehää reaktoriin) ja toisena tehonsäätöön osallistuvat säätösauvat ovat sisemmällä kehällä. Sekvenssin P1-ryhmä on en- simmäinen säätösauvaryhmä, joka osallistuu tehonsäätöön. Ryhmät P2-P4 liittyvät tehonsää- töön, kun edellisen ryhmän ero on tarpeeksi suuri kyseiseen ryhmään. P5 ei osallistu tehon- säätöön. Tehonsäätöön osallistuvista säätösauvaryhmistä käytetään nimitystä P-ryhmä ja te-
9Jokainen P-säätösauva kuuluu johonkin P1...P5-ryhmään.
