Reaktor jądrowy jako obiekt sterowania Przykładowy reaktor: WWER-440 Reaktor jądrowy energetyczny przewidziany do instalacji w EJ Żarnowiec (I lokalizacja) Elementy budowy reaktora jądrowego WWER-440 związane z dynamiką jego podstawowych procesów technologicznych i z sterowaniem Schematyczny przekrój podłużny reaktora WWER-440

Wszystkie dotychczas budowane reaktory jądrowe energetyczne są reaktorami niejednorodnymi – paliwo jądrowe jest w nich mechanicznie oddzielone od chłodziwa i moderatora

Reaktory WWER-440 (wszystkie reaktory PWR) należą do grupy:  reaktorów termicznych – procesy rozszczepienia jąder atomów izotopów paliwowych są powodowane w przeważającej mierze przez neutrony termiczne

 wodno – wodnych – moderatorem i chłodziwem jest zwykła woda  zbiornikowych – ciśnienie chłodziwa jest przenoszone przez zbiornik reaktora

 słabo wzbogaconych – procent U-235 w świeżych prętach paliwowych zawiera się w granicach 1.6 – 3,6% (naturalny uran zawiera 0.720% U-235)

 o gęstej siatce elementów paliwowych – skok siatki elementów paliwowych jest mniejszy lub porównywalny z drogą swobodnego przebiegu neutronów w moderatorze

Na początku pracy reaktora typu WWER-440 (PWR) możemy przyjmować, że jego rdzeń składa się z:  jednego izotopu rozszczepialnego U-235  jednego izotopu rodnego U-238 oraz  moderatora - chłodziwa  materiałów konstrukcyjnych  materiałów pochłaniających wprowadzonych do rdzenia w celach regulacyjnych

W okresie kampanii reaktora skład rdzenia ulega zmianie Możemy w okresie kampanii mówić, że rdzeń reaktora składa się:  kilku izotopów rozszczepialnych U-235, Pu-239, Pu-241  kilku izotopów rodnych U-238, Pu-240 oraz  moderatora - chłodziwa  materiałów konstrukcyjnych  materiałów pochłaniających wprowadzonych do rdzenia w celach regulacyjnych ale także  substancji pochłaniających pojawiających się w rdzeniu jako skutek reakcji rozszczepienia – produkty rozszczepienia

z - bezwymiarowy czas efetktywny pracy paliwa Zmiana składu izotopowego paliwa jądrowego o początkowym wzbogaceniu e = 3% z - bezwymiarowy czas efetktywny pracy paliwa Przy , odpowiada kampanii paliwowej trwającej 3 lata

Schematyczny przekrój podłużny reaktora WWER-440

Z reaktorem WWER-440 związane były dwa podstawowe układy sterowania: 1. układ sterowania kasetami awaryjno – regulacyjnymi (KAR) Zadania: - sterowanie reakcją łańcuchową mnożenia neutronów - awaryjne wyłączenie reaktora  kasety AR podzielone na 6 grup  przemieszczanie grup kaset w górę i w dół odbywa się w określonej kolejności 1 3 4 6 5 5 6 4 3 1 - w górę: 1 – 2 – 3 – 4 – 5 - 6 - w dół: 6 – 5 – 4 – 3 – 2 - 1 2 6 2

n Kartogram pierwszego załadunku reaktora WWER-440 z zaznaczeniem rozmieszczenia grup kaset awaryjno-regulacyjnych (KAR)

 przemieszczanie grup kaset może odbywać się w trzech trybach: - regulacyjny poszczególnych grup; prędkość v1 = 2cm/s - awaryjny poszczególnych grup – zrzut awaryjny grawitacyjny; prędkość v2 = 20 – 30 cm/s - awaryjny jednoczesny wszystkich grup – zrzut awaryjny grawitacyjny; prędkość v2 = 20 – 30 cm/s 1 3 4 6 5 5 6 4 3 1 2 6 2

 chwile rozpoczęcia ruchu kolejnej grupy są wyznaczone osiągnięciem określonego położenia grupy uprzedniej - ruch w dół: następna grupa rozpoczyna przemieszczanie w dół, gdy grupa aktualnie opuszczana osiągnie poziom podniesienia 50 cm - ruch w górę: następna grupa rozpoczyna przemieszczanie w górę, gdy grupa aktualnie podnoszona osiągnie poziom podniesienia 200 cm

 podczas ruchu regulacyjnego ruch grupy kaset, można w każdej chwili wstrzymać  podczas zrzutu awaryjnego poszczególnych grup, ruchu opadającej grupy nie można wstrzymać  podczas zrzutu awaryjnego poszczególnych grup, można podać sygnał wstrzymujący opadnięcie następnej grupy  podczas zrzutu awaryjnego jednoczesnego wszystkich grup, ruchu grupy kaset nie można wstrzymać

2. układ sterowania koncentracją kwasu borowego w chłodziwie Zadania: - kompensacja nadmiaru reaktywności - kompensacja ubytku reaktywności np. wskutek wypalenia, zatrucia i zapopielenia

 Minimalne stężenie kwasu borowego w obiegu 0g/kg  Maksymalne stężenie kwasu borowego w obiegu 12g/kg Zwiększanie stężenia kwasu borowego w obiegu podawanie do obiegu wody ze stężeniem kwasu borowego 40g/kg z wydajnością 40t/h Czas uzyskiwania maksymalnego stężenia (od 0gh/kg do 12g/kg – 1.5 godz.) Zmniejszanie stężenia kwasu borowego w obiegu podawanie do obiegu wody ze stężeniem kwasu borowego 0g/kg z wydajnością 40t/h Czas uzyskiwania maksymalnego stężenia (od 12gh/kg do 0g/kg – 7.5 godz.)

Elementy konstrukcji reaktora jądrowego istotne w punktu widzenia jego dynamiki i jako obiektu sterowania Schematyczny przekrój poprzeczny kasety paliwowej reaktora WWER-440

Schematyczny przekrój podłużny kasety paliwowej reaktora WWER-440

Schematyczny przekrój podłużny pręta paliwowego reaktora WWER-440

Przekrój podłużny i poprzeczny tabletki paliwowej reaktora WWER-440

Schematyczny przekrój podłużny kasety podwójnej reaktora WWER-440

Schematyczny przekrój podłużny konstrukcji kasety podwójnej (a) i jej napędu (b) reaktora WWER-440 1 – drążek zębaty 2 – stojan silnika elektrycznego 3 – wirnik silnika elektrycznego 4 – przekładnia 5 – napędzające koło zębate 6 – magnes do wzębienia koła zębatego w drążek zębaty 7 – sprzęgło między drążkiem zębatym a drążkiem pośrednim 8 – drążek pośredni 9 – urządzenie uchwytowe kasety 10 – łożysko 11 – rdzeń liniowego wskaźnika położenia pręta 12 – liniowy wskaźnik położenia pręta 13 – część pochłaniająca kasety podwójnej 14 – wkładka pochłaniająca ze stali borowej 15 – część paliwowa kasety podwójnej 16 – wiązka elementów paliwowych 17 – tłumik hydrauliczny (amortyzator) 18 – górna rura ochronna 19 – dolna rura ochronna 20 – dolna płyta bloku rur ochronnych służąca do utrzymania kaset paliwowych w dolnym położeniu 21 – płyta denna kosza na kasety paliwowe 22 – dolna płyta sitowa w dnie szybu reaktora 23 - obszar rdzenia reaktora

Schemat kinematyczny napędu kasety podwójnej AR reaktora WWER-440

REAKTOR JĄDROWY ENERGETYCZNY podstawowa wielkość sterowana Bilans reaktywności podstawą umiejętności sterowania reaktorem jądrowym REAKTOR JĄDROWY ENERGETYCZNY podstawowa wielkość sterowana to CAŁKOWITA MOC CIEPLNA

W określonej chwili kampanii reaktora Zależność:  CAŁKOWITA MOC CIEPLNA REAKTORA  GĘSTOŚĆ STRUMIENIA NEUTRONÓW TERMICZNYCH  GĘSTOŚĆ NEUTRONÓW TERMICZNYCH W określonej chwili kampanii reaktora - całkowita moc cieplna reaktora - energia przypadająca na jedno rozszczepienie i. izotopu rozszczepialnego - mikroskopowy przekrój czynny na rozszczepienie i. izotopu rozszczepialnego - średnia koncentracja jąder i. izotopu rozszczepialnego w rdzeniu reaktora - uśredniona po objętości rdzenia gęstość strumienia neutronów termicznych - objętość paliwa w rdzeniu reaktora - uśredniona po objętości rdzenia gęstość neutronów termicznych - średnia prędkość neutronów termicznych w rdzeniu

Możliwości sterowania mocą cieplną reaktora - całkowita moc cieplna reaktora - współczynnik proporcjonalności między całkowitą mocą cieplną reaktora a uśrednioną po objętości rdzenia gęstością neutronów termicznych - uśredniona po objętości rdzenia gęstość neutronów termicznych - czas życia neutronów natychmiastowych w rdzeniu - uśredniona po objętości rdzenia gęstość neutronów termicznych j. pokolenia - reaktywność rdzenia - efektywny współczynnik mnożenia rdzenia reaktora

ZMIANY GĘSTOŚCI NEUTRONÓW Istota procesu sterowania mocą cieplną reaktora jądrowego ZMIANY GĘSTOŚCI NEUTRONÓW ZMIANY REAKTYWNOŚCI ZMIANY GĘSTOŚCI STRUMIENIA NEUTRONÓW ZMIANY MOCY CIEPLNEJ REAKTORA STEROWANIE MOCĄ CIEPLNĄ REAKTORA JĄDROWEGO jest związane z umiejętnością PROWADZENIA BILANSU REAKTYWNOŚCI

Procesy określające stan reaktora jądrowego powiązania technologiczne powiązania informacyjne Efekt reaktywnościowy działania układu sterowania borowego Działanie układu sterowania borowego Oddziaływania powolne - efekt reaktywnościowy działania układu regulacji borowej Efekt reaktywnościowy działania układu sterowania i zabezpieczeń (kasety AR) Działanie układu sterowania i zabezpieczeń Oddziaływania szybkie - uśredniona po objętości rdzenia gęstość neutronów termicznych - reaktywność sumaryczna - efekt reaktywnościowy działania układu sterowania i zabezpieczeń Σ Kinetyka neutronów Efekty reaktywnościowe generacji i wymiany ciepła Generacja i wymiana ciepła Procesy szybkie - zapas reaktywności wbudowany Efekty reaktywnościowe wypalania paliwa jądrowego Wypalanie paliwa jądrowego Efekty reaktywnościowe zatrucia i zapopielenia Zatruwanie i zapopielanie - efekt reaktywnościowy zmian temperatury - efekt reaktywnościowy zmian mocy Procesy powolne - efekt reaktywnościowy zmian zatrucia - efekt reaktywnościowy zmian zapopielenia - efekt reaktywnościowy zmian wypalenia i konwersji paliwa

Cechy reaktora jądrowego (WWER-440) jako obiektu sterowania Obiekt o parametrach rozłożonych (niejednorodność) Przykłady:  Rozkład gęstości strumienia neutronów w rdzeniu  Rozkład temperatury w rdzeniu Obiekt o parametrach zmiennych w czasie (niestacjonarność) Przykłady:  Zmiany właściwości cieplno - fizycznych  Zmiana składu izotopowego rdzenia Nasza droga postępowania Poznanie dynamiki procesów reaktora (WWER-440) poprzez ich modele punktowe Konieczność:  Uśredniania po objętości rdzenia zmiennych i parametrów  Ustatycznienia w pewnych przedziałach czasu zmienności parametrów

OSIOWY ROZKŁAD GENERACJI CIEPŁA W REAKTORZE WWER-440 Przykłady wskazanych cech OSIOWY ROZKŁAD GENERACJI CIEPŁA W REAKTORZE WWER-440 Przypadek:  rdzeń ujednorodniony  względna efektywna poprawka wysokości rdzenia 0.072 - funkcja osiowej generacji ciepła, przy czym Oznaczenia: gdzie: - współczynnik proporcjonalności - składowa osiowa przestrzennego rozkładu strumienia neutronów termicznych - maksymalna wartość strumienia neutronów termicznych w rdzeniu reaktora

OSIOWY ROZKŁAD TEMPERATURY W PRĘCIE PALIWOWYM REAKTORA WWER-440 Przykłady wskazanych cech OSIOWY ROZKŁAD TEMPERATURY W PRĘCIE PALIWOWYM REAKTORA WWER-440 Przypadek:  sinusoidalny rozkład generacji ciepła  kanał centralny  całkowita moc cieplna reaktora  wydatek objętościowy chłodziwa przez rdzeń  temperatura chłodziwa na wlocie do rdzenia Oznaczenia: 1 – współczynnik przekazywania ciepła w szczelinie paliwo – koszulka 2 – temperatura powierzchni zewnętrznej tabletek paliwowych 3 – temperatura powierzchni wewnętrznej tabletek paliwowych

Przykłady wskazanych cech OSIOWY ROZKŁAD TEMPERATURY CHŁODZIWA W KANALE PALIWOWYM REAKTORA WWER-440 Przypadek:  sinusoidalny rozkład generacji ciepła  kanał centralny  całkowita moc cieplna reaktora  wydatek objętościowy chłodziwa przez rdzeń  temperatura chłodziwa na wlocie do rdzenia Oznaczenia: 1 – współczynnik przekazywania ciepła na styku koszulka - chłodziwo 2 – temperatura chłodziwa 3 – temperatura powierzchni zewnętrznej koszulki paliwowej 4 – temperatura powierzchni wewnętrznej koszulki paliwowej

Przykłady wskazanych cech - ZALEŻNOŚĆ OD TEMPERATURY CIEPŁO WŁAŚCIWE UO2 - ZALEŻNOŚĆ OD TEMPERATURY Oznaczenia: 1 – aproksymacja zależności za pomocą wzoru: gdzie: - ciepło właściwe UO2, - temperatura UO2,

WSPÓŁCZYNNIK PRZEWODNOŚCI CIEPLNEJ UO2 Przykłady wskazanych cech WSPÓŁCZYNNIK PRZEWODNOŚCI CIEPLNEJ UO2 - ZALEŻNOŚĆ OD TEMPERATURY Oznaczenia: 1 – aproksymacja zależności za pomocą wzoru: gdzie: - współczynnik przewodności cieplnej UO2, - temperatura UO2, Oznaczenia: 2 – aproksymacja zależności za pomocą wzoru: gdzie: - współczynnik gęstości teoretycznej UO2,

ZMIANA KONCENTRACJI U-235 Przykłady wskazanych cech ZMIANA KONCENTRACJI U-235 - W KASECIE O WZBOGACENIU 1.6% I 2.4% REAKTORA wwer-440

ZMIANA KONCENTRACJI U-235 Przykłady wskazanych cech ZMIANA KONCENTRACJI U-235 - W KASECIE O WZBOGACENIU 3.6% REAKTORA wwer-440

ZMIANA KONCENTRACJI U-235 Przykłady wskazanych cech ZMIANA KONCENTRACJI U-235 - W KASETACH REAKTORA wwer-440

Dziękuję za uczestnictwo w wykładzie i uwagę Zapraszam na kolejny wykład