Diplomityö AKSIAALISEN TEHOJAKAUMAN POIKKEAMAN SÄÄDÖN MALLINTAMINEN SIMULOINTIYMPÄRISTÖÖN JA SEN VIRHEEN ARVIOINTI PAINEVESILAITOKSELLA

Transkriptio

1 Lappeenrannan teknillinen yliopisto School of Energy Systems 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: Ohjaajat: Professori Juhani Hyvärinen DI Tommi Lamminpää Professori Juhani Hyvärinen Lappeenranta Pyry Savolainen

2 TIIVISTELMÄ 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 sivua, 45 kuvaa, 1 taulukko ja 7 liitettä. Hakusanat: aksiaalisen tehojakauman poikkeama, reaktorisydämen automaatio, ksenonoskillaatio 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 käytettyyn simulointiympäristöön Olkiluoto 3:n reaktorisydämen automaatio parhaan tämän hetkisen arvion mukaan, ja arvioitiin tehdyn ohjelman ja itse automaation aksiaalisen tehojakauman poikkeaman laskennan virhettä. Työssä mallinnettua automaatiota verrattiin Olkiluoto 3:n simulaattorilla ajettuun tapaukseen. 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 mittaustavasta johtuva virhe ja automaation priorisoinnista johtuva logiikkarajoitus. Aksiaalisen tehojakauman 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 tapauksessa useita prosenttiyksikköjä. Kuitenkin vain tilanteissa, joissa säätösauvat ovat reaktorin alaosassa.

3 ABSTRACT 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 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.

4 ALKUSANAT Tämä työ on tehty Eurajoen Olkiluodossa Teollisuuden Voima Oyj:n Polttoainelaskenta- ja valvonta -yksikölle. Työn tekoa varten pääsin opiskelemaan automaatiota, joka on ydinvoiman lisäksi ollut aina mielenkiintoista. Etenkin automaation funktioiden spesifikaatiot tuntuivat työn aluksi täysin siansaksalta, mutta työn aikana aloin ymmärtämään niitä enemmän ja enemmän. Tämä lisäksi pääsin tutustumaan reaktorisydämen simulointiympäristön käyttämään metodologiaan, joka on minua aina mietityttänyt. Haluan kiittää työni ohjaajana toiminutta DI Tommi Lamminpäätä, joka kiireisestä aikataulustaa 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 professori Juhani Hyväriselle, joka antoi minulla hyviä ohjeita työni kirjoittamiseen ja rakenteeseen. TVO:n Polttoainelaskenta- ja valvonta yksikön henkilöstöä haluan kiittää kommenteista ja neuvoista, joita sain työn aikana. Erityiskiitokset Tkt Risto Vanhalemmille, joka auttoi minua ajattelemaan oman pienen laatikkoni ulkopuolelle. Eurajoki, 20 Joulukuuta, 2018 Pyry Savolainen

5 5 SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO 7 1 JOHDANTO Ydinvoima Suomessa Olkiluoto Työn tavoitteet Työn sisältö REAKTORISYDÄMEN SIMULOINTIYMPÄRISTÖ INTERPIN CASMO-4E CMSLINK SIMULATE REAKTORISYDÄMEN TEHOJAKAUMA Tehojakaumaan vaikuttavat tekijät Radiaalinen ja aksiaalinen tehojakauma Aksiaalisen tehojakauman säätö Laskenta/Mittaus Vaikutus OLKILUOTO 3:N REAKTORISYDÄMEN AUTOMAATIO Käytetyt mittaussuureet ja mittalaitteet Neutronivuo Jäähdytteen lämpötila Säätösauvojen asema Booripitoisuus Käytetyt logiikat ACT-säätö AO-säätö P-ryhmänsäätö Neutronivuon säätö Käytetyt toimilaitteet Säätösauvat Booraus/Laimennus Eri virheiden vaikutus automaatioon Mittausvirheet Logiikkarajoitukset

6 Säätökyvyn riittoisuus AUTOMAATION MALLINNUS Ennen tapauskohtaista mallinnusta tehdyt laskennat SPND-detektorien mallinnus Mittauksen suodatuksen mallinnus Booripitoisuuden muutoksen mallinnus Säätölogiikoiden mallinnus Ohjelman oletukset ja yksinkertaistukset Automaatiomallin toiminta Aika-askeleen pituuden vaikutus Simulaattoriin vertaus AKSIAALISEN TEHOJAKAUMAN POIKKEAMAN SÄÄDÖN ARVIOINTI SPND-detektorien kalibroinnista johtuva AO:n virhe ACT-säädön priorisoinnin aiheuttama AO:n kasvu AO-säädön kyky hallita reaktorin keskiosaa 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 sekvensseillä 99 LIITE 5: SPND-detektorien virheen vaikutus automaatioon täydellä teholla ja alennetulla teholla eri sekvensseillä 102 LIITE 6: Kahden peräkkäisen tehonmuutoksen vaikutus keskimmäisen polttoaineelementin AO:hon. 105 LIITE 7: Radiaalisen tehojakauman profiilin laskenta. 106

7 7 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 A 1/4 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 Detektorien numero aksiaalisessa sijoittumisessa a bot f KA kon pp top v Alaosa Detektorien numero radiaalisessa sijoittumisessa Keskiarvo Konsentraatio Primääripiiri Yläosa Vesi

8 8 Lyhenteet ACT AO CMS CRUD EPR OL PA-elementti PWR RCAS SPND STUK TTKE TVO YVL-ohje Keskimääräinen jäähdytteen lämpötila (Average Coolant Temperature) Aksiaalisen tehojakauman poikkeama (Axial Offset) Core Management System Chalk River Unidentified Deposits European Pressurised Reactor Olkiluoto PolttoAine-elementti Painevesireaktori (Pressurised Water Reactor) Reactor Core Automation Script Self Powered Neutron Detector Säteilyturvakeskus TurvallisuusTekniset KäyttöEhdot Teollisuuden Voima Oyj Ydinturvallisuusohje

9 9 1 JOHDANTO 1.1 Ydinvoima Suomessa Suomen sähköntuotannosta noin kolmasosa tuotetaan ydinvoimalla. Suomessa on toiminnassa neljä ydinreaktoria. Kaksi niistä ovat tyypiltään kiehutusvesireaktoreita, kaksi ovat painevesireaktoreita, kolmatta painevesireaktoria ollaan rakentamassa ja neljäs painevesireaktori 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) (Ydinenergialaki (990/1987) 7r ). Laitoksia operoiva taho laatii STUK:in antamien YVL-ohjeiden mukaan Turvallisuustekniset käyttöehdot (TTKE), jotka STUK tarkastaa ja hyväksyy. Operoivan tahon on toimittava TTKE:n mukaisesti ja varmistettava, että laitos ei operoi TTKE:n ulkopuolella. TTKE:n noudattamisen osoittamiseksi on tehtävä häiriö- ja onnettomuusanalyysejä. Analyysejä tehdään myös taloudellisen optimoinnin vuoksi. Taloudellisessa optimoinnissa on otettava huomioon raja-arvot ja mittausten epätarkkuudet. Tämän vuoksi analyysien 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 analyysien 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.

10 10 OL3 on toiminnallisesti samanlainen kuin muutkin painevesilaitokset eli koostuu primääri-, sekundääri- ja merivesipiiristä. Primääripiirin pääkomponentit ovat reaktori, paineistin, höyrystimet sekä pääkiertopumput. Sekundääripiirin pääkomponentit ovat höyrystin, turbiinit (korkeapaineturbiini ja 3 matalapaineturbiinia), lauhdutin, lauhdepumput, sekä syöttövesipumput. Merivesipiiri koostuu merivesipumpuista ja putkista. Kuvassa 1 on yksinkertaistettu esitys OL3:n rakenteesta. Kuva 1. Yksinkertaistettu kuva OL3:n rakenteesta (TVO, 2009, 10). Primääripiiri kostuu neljästä erillisestä kiertopiiristä, joista jokainen alkaa ja päättyy reaktorin 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. Polttoaine-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

11 11 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 ohjausputkessa ole säätösauvaa tai instrumentointia se täyttyy vedellä ja on tulpattu tulppauselementillä ohivirtauksen rajoittamiseksi. Jokaisessa polttoaine-elementissä on ohjausputket, jotta ne olisivat keskenään samanlaiset mahdollistaen enemmän vapausasteita lataussuunnittelussa. (Lamminpää, 2018) OL3:n reaktori on teholtaan ja kooltaan suuri painevesireaktoriksi. Suurilla reaktoreilla on mahdollista esiintyä tehojakauman epästabiilisuutta ksenonin oskillaation vuoksi. Mahdolliset epästabiilisuudet on vaimennettava. Aksiaalisen tehojakauman tasoittamisen tekee OL3:lla reaktorisydämen automaatio. Mahdolliset epästabiilisuuksien havaitsemiseksi OL3:lla reaktorin tehojakaumaa mitataan jatkuvasti SPND-detektoreilla. SPND-detektorien pääasiallinen tarkoitus ei ole mitata tehojakauman absoluuttista arvoa vaan niiden tärkein toiminto on suojaustoimintojen laukaisut. Tästä syystä ja SPND-detektorien rajallisesta määrästä johtuen 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) (Molemmat 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 aksiaalisen tehojakauman poikkeaman säädön virhettä. Virheen arvioimiseksi mallinnettiin automaatio erillisellä liitännäisenä reaktorisydämen simulointiympäristöön. Tehtyä liitännäistä verrattiin laitossimulaattorin toimintaan. Liitännäisen avulla suoritettiin erinäisiä tehonmuutostilanteita ja niistä arvioitiin aksiaalisen tehojakauman poikkeaman virhettä, ongelmatilanteita ja mahdollisia rajoituksia.

12 12 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 tekemistä laskuista, joista katsottiin toimiiko säätö aina niin kuin oletettu ja onko säädön toiminnassa virheen mahdollisuus. OL3 reaktorisydämessä säätöön osallistuvat säätösauvat on sijoitettu kehälle eikä niitä ole reaktorin keskustassa ollenkaan. Työssä tutkittiin aksiaalisen tehojakauman poikkeaman säädön kykyä hallita aksiaalista tehojakaumaa reaktorin alueilla, joissa ei ole säätäviä säätösauvoja. 1.4 Työn sisältö Luvussa 2 käsitellään työn aikana käytettyä simulointiympäristöä. Luvussa käydään läpi simulointiympäristön ohjelmarakenne ja eri ohjelmien käyttämien laskentojen yksinkertaistettu metodologia. Luvussa 3 käsitellään tehojakaumaa miten se muuttuu ydinreaktorissa, mitä ongelmia se aiheuttaa ja miten sitä hallitaan. Luvussa 4 käsitellään Olkiluoto 3:n reaktorisydämen 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 virheistä. Luvussa 7 esitetään saaduista tuloksista tehdyt johtopäätökset. Luvussa 8 käydään työ lyhyesti läpi yhteenvetona.

13 13 2 REAKTORISYDÄMEN SIMULOINTIYMPÄRISTÖ TVO käyttää OL3:n reaktorisydämen käyttäytymisen analyyseihin Studsvik Scandpowerin Core Management System (CMS) -ohjelmistolla tehtyä mallia. CMS koostuu neljästä erillisestä ohjelmasta, jotka ovat INTERPIN-3, CASMO-4E, CMSLINK ja SIMULATE-3. Kuvassa 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 uraanioksidipelletin käyttäytyminen tasapainotilassa. Ohjelma tuottaa polttoaineen lämpötilan syötedataa CASMO:lle ja SIMULATE:lle. (Hagrmann, 2006, 1-1) INTERPIN mallintaa yhden polttoainesauvan ja sen ympäröivän veden. Laskennassa polttoainesauva jaetaan diskreetteihin aksiaalinoodeihin sallien näin tehon ja lämpötilan muutokset. (Hagrmann, 2006, 2-1) INTERPIN:in laskennan vuokaavio on esitetty kuvassa 3.

14 14 Kuva 3. INTERPIN-ohjelman vuokaavio. Syöte koostuu kuvauksesta reaktorin olosuhteista, polttoainesauvan kuvauksesta, polttoainetabletin 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 CRUD 1 :in vaikutuksen huomioimiseksi lämmönsiirrossa. Suojakuoren lämpötila otetaan reunaehdoksi laskennassa, koska tämä muodostaa loogisen rajan, jolla laskenta erotetaan kahteen osaan (ulkoinen ja sisäinen laskenta). Suojakuoren 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 vaikutus. Uudella lämpötilaprofiililla lasketaan polttoainepelletin rakenteen muutos. Uudella rakenteella ja lämpötilaprofiililla lasketaan aksiaalinoodin suhteellinen tehoprofiili. (Hagrmann, 2006, 10-5) 1 Chalk River Unidentified Deposits (CRUD) on polttoainesauvan pinnalle kertynyttä oksidikerrosta, joka huonontaa polttoainesauvan lämmönsiirto kykyä.

15 CASMO-4E CASMO on moniryhmäinen 2D kuljetusteoriaan perustuva ohjelma, jolla lasketaan palamia polttoainenipuille (Knott, 1995, 1-1). CASMO:n tarkoituksena on laskea ekvivalenttiparametrit 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, moderaattorin kuvauksesta, säätösauvojen kuvauksesta, nipun geometriasta (2D horisontaali poikkileikkaus), polttoaineen tehotiheydestä ja halutuista palamapisteistä. (Edenius, 1995, 1-1) Resonanssilaskujen tarkoituksena on määrittää efektiiviset vaikutusalat resonanssialueel-

16 16 le. (CASMO määrittää resonanssialueen olevan välillä 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 potentiaalisironnan vuorovaikutusalojen ja lämpötilojen suhteen. (Knott, 1995, 2-1) Mikroryhmälaskujen tarkoituksena on homogenisoida polttoainesauva makroryhmälaskuja varten. Mikroryhmälaskenta suoritetaan ensin 1D, jonka jälkeen laskenta muuttuu 2D vastematriisi laskuksi, jossa polttoaineen eri alueet homogenisoidaan yhdeksi ekvivalenttialueeksi. Laskenta tehdään tyypillisesti jokaiselle polttoainesauvalle. Mikroryhmälaskut tehdään 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) Makroryhmälaskujen tarkoituksena on muuttaa mikroryhmälaskujen tuloksia niin että ne ottaisivat huomioon niiden ympäristön vaikutuksen. Laskenta tehdään koko nipun yli käyttäen mikroryhmälaskuista saatuja homogenisoituja elementtejä. Laskenta suoritetaan käyttäen 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 ympäröimät niput tai reflektori. Laskuissa päivitetään myös polttoainesauvojen neutronijakaumaa, jonka vuoksi KRAM-laskuissa ongelmassa muutetaan polttoainesauvojen makroalueet takaisin heterogeenisiksi. KRAM ratkaisee 2D heterogeenisen polttoainenipun kuljetusyhtälöllä käyttäen karakteristika-menetelmää. Tulokseksi saadaan uusi neutronivuojakauma polttoainenipulle ja uudet vuorovaikutusalat. (Knott, 1995, 6-1) Perusmoodilaskuissa päivitetään saatuja neutronivuoprofiileja ottamaan huomioon neutronien vuoto. Tämä tehdään materiaalikupevuuden avulla käyttäen diffuusioteoriaa. (Knott, 1995, 7-1)

17 17 Palamalaskut tehdään jokaiselle palamapisteelle, ja jokaiselle polttoainesauvalle ja palavaa 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 keskiarvosta. 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 kirjastoihin. Ohjelma kerää CASMO:n tuloksista: monienergiaryhmän makroskooppiset vaikutusalat, detektorien datat, sauvakohtaisen uudelleenrakennuksen datat, kinetiikan datat, isotooppidatat 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.

18 18 Kuva 5. SIMULATE-ohjelman vuokaavio. Syötteeksi SIMULATE ottaa reaktorin geometrian ja sydämen tilan, CASMO:n laskemat ekvivalenttiparametrit, tiedot termohydrauliikasta ja tiedot suoritettavista laskuista (Covington, 2003, 2-3). Termohydrauliikan laskut on painevesireaktorin tapauksessa yksinkertainen lämpötasapainomalli, 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 homogenisoinnissa lasketaan CASMO:n antamista tuloksista homogeeniset vuorovaikutusalat jokaiselle noodille. Homogenisointi tehdään ekvivalenssiteorialla.(cronin, 1995,

19 ) Kaksiryhmädiffuusiolaskussa lasketaan noodien pintojen vuot. Pintojen vuot ratkaistaan yksidimensioisen diffuusioyhtälön avulla, jolla ratkaistaan kahden noodin seinän vuot kerralla. 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 voidaan ratkaista homogeenisen vuon muoto noodissa. Pinnat yhdistetään toisiinsa epäjatkuvuustekijöiden avulla. Epäjatkuvuustekijät lasketaan tekemällä heterogeenisistä voista jatkuvat pinnoilla ja laskemalla homogeenisten voiden epäjatkuvuus pinnoilla.(cronin, 1995, 2-2) Palaman päivityksessä nuklidikonsentraatioita päivitetään historiallisten parametrien avulla. Laskennassa otetaan ylös jokaisen noodin olosuhteet ja lasketaan CASMO:lta saaduista tuloksista makroskooppiset vaikutusalat noodeille.(cronin, 1995, 2-30)

20 20 3 REAKTORISYDÄMEN TEHOJAKAUMA 3.1 Tehojakaumaan vaikuttavat tekijät Homogeenisen reaktorin tehojakauma on halkaistu kosini. Heterogeenisen reaktorin tehojakauman muoto taas riippuu monesta tekijästä. Palama: Homogeenisen reaktorin tapauksessa polttoaine kuluu eniten reaktorin keskiosassa 2. 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. 2 Palaman epätasaisen jakautumisen huomioon ottaminen muuttaa homogeenisen reaktorin heterogeeniseksi.

21 21 Kuva 7. Reaktorin tehojakauman radiaalisuunnassa eri jakson kohdista. (Liitteessä 7 on esitetty radiaalisen tehojakaumaproofiilin laskenta.) Alkujaksosta aksiaalinen tehojakauma on lähellä halkaistua kosinia, mutta on vähän alapainotteinen. Myöhemmin jaksolla aksiaaliseen tehojakaumaan muodostuu kaksi huippua reaktorin 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 tehojakaumassa tapahtuu sama ilmiö kuin aksiaalisessakin, keskelle sijoittuva maksimi teho siirtyy kahdeksi huipuksi reaktorin reunoille. Kuvat 6 ja 7 ovat OL3:n ensimmäiseltä jaksolta, jonka 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 matkan päästä reunasta. Kuvassa 8 on esitetty suhteellinen palaman jakautuminen aksiaalisessa suunnassa eri jakson kohdissa.

22 22 Kuva 8. Palaman kehitys jakson myötä. Alkujaksosta palama muistuttaa tehojakaumaa alkujaksosta. Tehojakauman muuttuessa palaman 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 säätösauvoilla 3, jotka on tehty suuren absorptiovaikutusalan omaavista materiaaleista. Painevesireaktorissa säätösauvat syötetään reaktorisydämeen sisään yläpuolelta. Reaktorin ollessa suurella teholla säätösauvat jäävät reaktorin yläosaan vähentäen yläosan tehoa ja siirtäen tehojakaumaa alaspäin. Säätösauvoja ei kuitenkaan ajeta kaikkia kerralla vaan muutaman säätösauvan ryhmissä. 4 Säätösauvat on ajettava pienissä ryhmissä, koska kaikkien säätösauvojen syöttäminen reaktorin yläosaan vääristäisi aksiaalista tehojakaumaa liikaa. Radiaalisen tehojakauman tasoit- 3 Painevesireaktorin tapauksessa myös booraamalla/laimentamalla. 4 Poikkeuksena reaktorin pikasulku, jolloin kaikki säätösauvat pudotetaan reaktoriin.

23 23 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 säätösauva syötetään. Lämpötila: Turvallisuuden vuoksi reaktoreissa pyritään välttämään positiivisia takaisinkytkentöjä. Näin reaktori saadaan vastustamaan tehonmuutoksia. Tästä suunnitteluperiaatteesta johtuen reaktori suunnitellaan alimoderoiduksi 5, jolloin veden lämpötilan nousu reaktorin alaosasta yläosaan vähentää neutronien moderointia reaktorin yläosassa. Neutronien huonompi 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-suhteen ei yleensä muutu paljoa aksiaalisessa suunnassa. (Gadolinium-sauvoissa U235 väkevöintiaste muuttuu OL3:lla hieman aksiaalisessa suunnassa (Lamminpää, 2018).) Radiaalisessa suunnassa väkevöintiaste muuttuu etenkin ensimmäisen jakson lataussuunnitelmassa, jossa vaihtuvalla väkevöintiasteella pyritään tasoittamaan reaktorin radiaalista tehoja- 5 Alimoderoitu: reaktorissa on vähemmän kuin optimi määrä moderaattoria, jolloin moderaattorin lisäys nostaa tehoa ja poisto vähentää tehoa.

24 24 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. Radiaalista tehojakaumaa voisi tasoittaa vielä enemmän siirtämällä reaktiivisimmat niput reaktorin reunoille. Näin ei kuitenkaan tehdä, koska neutronien vuoto nousisi vähentäen reaktorin reaktiivisuutta. Vuotavat neutronit haurastuttavat myös reaktorin materiaaleja.

25 25 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 tavoin 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 tehojakauma muuttuu. Tämä johtuu Xe135 syntymekanismista, joka on pääasiallisesti I135 hajoamista. (I135 on Te135 hajoamistuote, mutta Te135 puoliintumisaika on alle 2 minuuttia, joten telluurin hajoaminen jätetään huomioimatta.) I135:n puoliintumisaika on 6,6 tuntia, joka tarkoittaa 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 tasapainossa keskenään 6. 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 ksenonin 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 häviäminen reagoi jodin häviämistä hitaammin johtuen ksenonin pidemmästä puoliintumisajasta. 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 teho 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) Kuvassa 11 on esitetty reaktorin aksiaalisen tehojakauman muuttuminen tehonmuutostilanteen 6 Ksenon tasapaino saavutetaan olosuhteiden ollessa vakiot 2-3 päivää. (Gattegno, 2009, 10)

26 26 jälkeen ja säätösauvan liikkumisen jälkeen. Kuva 11. Aksiaalisen tehojakauman muutos tehonmuutostilanteen jälkeen tai säätösauvan liikkumisen 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 tapahtuvat 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 neutronien migraatiopituus. (Duderstadt, 1976, 580) Pienillä reaktoreilla oskillaatioista ei ole ollut ongelmia, mutta suurilla on ollut.(lamminpää, 2018). 3.2 Radiaalinen ja aksiaalinen tehojakauma Painevesireaktoreissa tehojakauman oskillaatio tapahtuu suurimmalla todennäköisyydellä aksiaalisessa suunnassa, koska tehonmuutostilanteissa säätösauvat muuttavat eniten aksiaalista tehojakaumaa. Säätösauvat aiheuttavat myös radiaalisen tehojakauman muutoksen, mutta muutos on pieni säätösauvojen tasaisen asettelun vuoksi.

27 27 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 lämpötilan 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 aksiaalisen epästabiilisuuden kanssa, mutta tällaisessa tapauksessa aksiaalisen epästabiilisuuden hallitseminen riittää radiaalisen epästabiilisuuden vaimentamiseksi 7 (U.S NRC, 2017, ). Aksiaalisessa suunnassa veden keskimääräinen lämpötilaero reaktorin ylä- ja alaosan välillä pysyy vakiona tehon ollessa vakio, muuttuneesta tehojakauman muodosta huolimatta. Tämän vuoksi veden lämpötilan takaisinkytkentä ei ole vaikuttava tekijä aksiaalisen tehojakauman tasaisena pitämiseen.(yoshiaki Oka, 2014, 208) AREVA on tehnyt laskennat EPR:lle, jossa se todensi reaktorin stabiilisuuden radiaalisessa ja atsimutaalisessa suunnassa. Samassa raportissa todetaan EPR:n mahdollinen aksiaalinen 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 painevesireaktorit. (Gattegno, 2009, 19) 3.3 Aksiaalisen tehojakauman säätö Ksenonin aiheuttamassa aksiaalisen tehojakauman muutoksessa on hallittava kahta parametria. Ensimmäinen on reaktorin teho, joka halutaan pitää vakiona. Toinen on aksiaalisen tehojakauman poikkeama (Axial Offset, AO), joka halutaan pitää lähellä sen asetusarvoa. Tyypillisesti AO pidetään ±5 prosenttiyksikön päässä siitä AO:sta, joka olisi ksenontasapainotilas- 7 EPR:n tapauksessa.

28 28 sa (Yoshiaki, 2014, 214). Painevesireaktoreissa aksiaalisen tehojakauman muutoksen kompensointi tehdään säätösauvoilla ja booripitoisuuden muutoksella. Esimerkiksi voidaan ottaa tapaus, jossa teho halutaan pitää vakiona ja ksenonoskillaation aiheuttama 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 ksenonin vaikutuksen vuoksi tehojakauma jatkaa siirtymistä alaspäin. Kun tehojakauma on laskenut alimman halutun AO:n alle, säätösauvoja vedetään ylöspäin nostaen näin tehojakaumaa ylöspäin. Säätösauvojen ylöspäin vetäminen vaimentaa meneillään olevan ksenonoskillaation, 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 muutoksella. Kuvasta 12 nähdään kyseisen esimerkin tapaus.

29 29 Kuva 12. Aksiaalisen tehojakauman poikkeaman esimerkkitapaus, jossa alkava ksenonoskillaatio vaimennetaan säätösauvoilla. (Yoshiaki, 2013, 127) 3.4 Laskenta/Mittaus Aksiaalisen tehojakauman laskemiseen tarvitsisi tietää reaktorisydämen sen hetkinen tila. Reaktorisydämen täydellinen mittaaminen on kuitenkin mahdotonta, mutta yksinkertaistetun suureen, AO:n, mittaaminen ja laskeminen onnistuu suhteellisen hyvin karkeallakin mittauksella. AO lasketaan yhtälöllä, AO = P top P bot P top + P bot (1) missä P Teho (Reaktorin ylä- tai alaosassa) [-]. (Lamminpää, 2015, 39) Tehojakauman muuttaminen yksinkertaiseksi suureeksi helpottaa sen seuraamista, mutta samalla informaatio reaktorin tarkemmasta tilasta menetetään. Tarkempi tehojakauman mittaus

30 30 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 eivät ylittyisi. Epätasaisella tehojakaumalla reaktorin tehoa on laskettava, jotta suuren tehon alueella olevissa polttoainesauvoissa lineaariteho ei nousisi liian korkeaksi. Lineaaritehorajat 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. Jokaiselle 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 tehojakauma 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 vähentävät 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 aikana. Vuotava polttoaine voi olla juuri poistettavaksi tarkoitettu nippu, jolloin tuotannon menetys-

31 31 tä ei ole. Polttoaine voi olla myös tuoreempaa jolloin vuotava polttoainesauva on vaihdettava nipusta. Tällöin menetetään vuotavasta sauvasta jäljellä jäänyt energiamäärä, ja riippuen minkä tyyppiseen sauvaan vuotava vaihdetaan, uuteen sauvaan jäänyt energia polttoainenipun poistuessa reaktorista. Pahimmassa tapauksessa polttoaineen vuoto on niin suuri, että 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 turvallisuusselosteen turvallisuusanalyysien tekemiseen. Analyysien tulokset eivät enää päde, jos aksiaalinen tehojakauma on sille oletettujen rajojen ulkopuolella. (Lamminpää, 2018) Ydinvoimalan suunnittelussa tehdyissä turvallisuusanalyyseissä on huomioitava erinäisiä onnettomuustilanteita. Yksi suunnittelunperustaonnettomuus skenaarioista on primääripiirin jäähdytteen menetys. Reaktorin teho ennen pikasulkua on suoraan verrannollinen reaktorin 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 tehojakaumalla polttoaine sulaa suuremmalla todennäköisyydellä kuin tasaisella tehojakaumalla. (Zaruba, 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 säätösauvan tapauksessa ja sen ollessa syvällä reaktorissa; reaktorin alaosan teho nousee enemmän kuin yläosan, koska yksittäisen sauvan vaikutus reaktorin alaosassa on enemmän kuin yläosassa (alaosassa on vähemmän säätösauvoja). Tehojakauman ollessa alapainotteinen reaktorin alaosan tehon absoluuttinen arvo nousee enemmän kuin tasaisen tehojakauman tapauksessa. (Zaruba, 2017, B3.2.3)

32 32 4 OLKILUOTO 3:N REAKTORISYDÄMEN AUTOMAA- TIO Reaktorisydämen automaation pääasiallisena tehtävänä on toteuttaa eri turvatoimia eri parametrien ylittäessä niille asetetut rajat. Reaktorisydämen automaatio myös ylläpitää ydinvoimalan termistä tehoa turbiinin kuorman mukaan. Automaatio seuraa turbiinin tehonmuutoksia mittaamalla primääripiirin veden lämpötilan sen tullessa reaktoriin ja sen lähtiessä reaktorista. Sisään- ja ulostulovedenlämpötilojen erotuksesta automaatio laskee reaktorin termisen tehon. Termisen tehon nostamiseksi tai laskemiseksi automaatio vetää tai työntää säätösauvoja ulos tai sisään.(lamminpää, 2015, 14) Säätösauvoja ei ole kuitenkaan hyvä työntää liian syvälle, koska liian syvällä olevat säätösauvat heikentävät reaktorin sulkumarginaalia. Säätösauvoja ei haluta myöskään vetää liian ylös, jotta automaatio voi reagoida reaktiivisuuden tai AO:n muutoksiin. Reaktorin ollessa pienemmällä teholla kuin täysteholla halutaan myös estää säätösauvojen vetäminen liian ylös, jotta reaktorin nostaminen takaisin täydelle teholle onnistuisi helpommin. OL3:lla säätösauvojen 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 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-

33 33 muutostilanteiden seurantaan. Ulkoinen neutronivuonmittausjärjestelmä koostuu kolmesta eri mittausalueen detektorista. Nämä ovat lähdealueen detektorit, jotka on tarkoitettu reaktiivisuuden valvontaan reaktorin ollessa alikriittinen ja kriittinen, mutta pienellä teholla; välialueen 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 ulkopuolelta. (Lamminpää, 2015, 6) Lähdealueen detektoreita on kolme ja ne on sijoitettu reaktorin sivuille. Välialueen detektoreita 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 radiaalisesti. Radiaalisen tehojakauman mittaus onnistuu kuitenkin vain karkeasti. Aksiaalisen tehojakauman seuranta onnistuu vain periaatteessa ulkoisella mittausjärjestelmällä OL3:lla, koska neutronivuodetektorit on sijoitettu vain kahdelle korkeudelle reaktorin ulkopuolelle. (Lamminpää, 2018) Kuvassa 13 on esitetty ulkoisten neutronivuodetektoreiden radiaalinen sijoittuminen reaktorin ulkopuolelle.

34 34 Kuva 13. Ulkoisten neutronivuomittausjärjestelmien sijoittuminen reaktorin ulkopuolelle. 1 Lähdealueen 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 tehojakauman 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 mallintaminen ei onnistu. OL3 ei ole myöskään vielä käytössä, joten ei voida käyttää todellisia mittaustuloksia. Kaikki ulkoisen neutronivuonmittausjärjestelmän detektorit ovat tyypiltään B-10 ionisaatiokammioita, joissa (n,alfa) reaktio tuottaa ioneita, jotka tuottavat muutoksen detektorin signaaliin. Detektorityyppi on kuitenkin herkkä myös gammasäteilylle, eikä neutronivuodetektoreilla haluta mitata gammasäteilyn määrää. Gammasäteilyn vaikutuksen poistamiseen jokainen eri aluetyypin detektori käyttää eri menetelmää. Lähialueen detektoreissa tämä teh-

35 35 dään diskriminoimalla ohjelmallisesti kaikki gammakvantien aiheuttamat signaalit. Välialueen detektoreissa on erillinen ionisaatiokammio, jossa ei ole booria. Boorittoman detektorin 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 merkitsemättömän 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. Detektorien 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 yläpainotteinen. Kuvassa 14 on esitetty sisäisten neutronivuodetektorien sijainnit reaktorissa.(ibid)

36 36 Kuva 14. SPND-detektorien sijoittuminen reaktoriin. SPND-detektorien toiminta perustuu Co59:n tuottamaan virtasignaaliin, kun siihen absorboituu neutroni. Detektorit toimivat siis ilman erillistä virtalähdettä. Detektoreilla halutaan mitata vain neutronivuota, mutta fissiotuotteiden hajoamisista vapautuvat gammakvantit tuottavat myös virtasignaalin osuessaan detektorin virtakaapeliin. Gammakvanttien tuottama virtasignaali poistetaan mittauksista erillisen virtakaapelin avulla, joka kulkee samassa ohjausputkessa kuin SPND-detektori. Erillisellä virtakaapelilla voidaan mitata kuinka suuren virtasignaalin gammakvantit aiheuttavat SPND-detektorin virtasignaalin. Erillisellä virtakaapelilla 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 absorboidessa neutronin. Aktivoitumistuotteet hajoavat ajan kuluessa tuottaen detektoriin virtasignaalin. Aktivoitumistuotteiden hajoamisesta johtuva virhe poistetaan virtasignaalista ohjelmallisesti. Lisäksi detektorit kalibroidaan säännöllisesti. Co59:n kuluessa SPND-detektorien herkkyys putoaa, joten ohjelmallinen virheen poisto ei ikinä riitä vaan detektorit on pakko

37 37 kalibroida ja vaihtaa ajoittain. (Lamminpää, 2015, 11) Automaatio käyttää sisäisen neutronivuomittausjärjestelmän signaaleja reaktorisydämen aksiaalisen tehojakauman seuraamiseen. Automaatio laskee yhtälöllä 1 AO:n. AO:n eron asetusarvostaan ollessa liian suuri automaatio muuttaa reaktorin booripitoisuutta tai säätösauvojen asentoja tehojakauman tasoittamiseksi. (Lamminpää, 2015, 71) Sisäisen neutronivuomittausjärjestelmän kalibrointiin tarkoitettu Aeroball-järjestelmä koostuu 40 teräskuularivistöstä. Teräskuulat syötetään reaktoriin painetyppijärjestelmän avulla. Teräskuularivistöt menevät 40:n eri polttoaineen ohjausputkeen. (Eivät kuitenkaan ohjausputkiin missä on säätösauva tai muuta instrumentointia kuten SPND-sondi. Aeroballdetektorit 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. Aeroballsondit on sijoitettu symmetrisesti reaktorin keskiakselin suhteen. (Lamminpää, 2015, 12) Kuvassa 15 on esitetty Aeroball-sondien sijainnit reaktorissa.

38 38 Kuva 15. Aeroball-detektorien sijoittuminen reaktoriin. Aeroball-järjestelmä perustuu teräskuulissa olevan V51 aktivoitumiseen ja gammakvanttien mittaukseen. Teräskuulat absorboivat reaktorissa ollessaan neutroneita. Teräskuulien aktivoitumisen määrää mitataan erillisellä mittauspöydällä, joka sijaitsee reaktorin paineastian ulkopuolella. Mittauspöytä sisältää gammaherkkiä detektoreita, jotka mittaavat V51 aktivoitumistuotteen V52 β-hajoamisen tuottamia gammakvantteja. Teräskuulien muutkin materiaalit 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 reaktorisydämen jatkuvaan seurantaa (Ibid). V52 lyhyen puoliintumisajan (3,7 min) ansiosta Aeroball-järjestelmällä voidaan mitata reaktorin tehojakauma 10 min välein, jos tarpeellista (Haebler, 1969, 3). Aeroball-järjestelmä laskee reaktorin tehojakauman suhteuttamalla mittaukset ennalta laskettuun teoreettiseen tehojakaumaan. Aeroball-järjestelmän tuloksia käytetään SPND-detektorien kalibrointiin. SPND-detektorien kalibrointi käyttää Aeroball-

39 39 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: K AO f,a = ( 3 P KAbot/top v f,j ) 3 j=1 v (2) f,j I f,j j=1 missä K Kalibrointikerroin [-], f Detektorin numero radiaalisessa sijoittumisessa [-], a Detektorin numero aksiaalisessa sijoittumisessa [-], v Detektorin käyttökuntoisuus 1/0 [-], P KAbot/top Tehon keskiarvon reaktorin ala-(1 <= a <= 3) tai yläosassa (3 < a <= 6)[-], I Detektorin signaali [-], missä z Korkeus [m], P KAbot/top = bot/top P (z)dz h bot/top (3) h bot/top Reaktorin ala-/yläosan korkeus [m]. (Desmaison, 2014, 32) Jokainen SPND-detektori saa oman kalibraatiokertoimen ja saman sondin yläosan detektoreilla on keskenään sama kalibraatiokerroin ja alaosan detektoreilla on keskenään sama. Kalibrointikertoimien avulla lasketaan tehon jakautuminen reaktorissa yhtälöillä: P bot = 12 f=1 3 a=1 KAO f,a I f,a v f,a 12 f=1 3 a=1 v f,a (4) P top = 12 f=1 6 a=4 KAO f,a I f,a v f,a 12 f=1 6 a=4 v f,a 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. SPNDdetektorien kalibrointimenetelmästä johtuen niillä voidaan mitata vain tehon muuttumista (5)

40 40 reaktorin eri kohdissa eikä tehon absoluuttista määrää kyseisessä kohdassa. Kalibrointimenetelmä myös painottaa suuremman tehoalueilla olevien detektorien signaalia (Lamminpää, 2018) Jäähdytteen lämpötila Primääripiirin jäähdytteen lämpötilanmittaus on tarkoitettu pitkäaikaiseen reaktorin termisen tehon seurantaan. Mittausjärjestelmä koostuu kylmien ja kuumien haarojen mittauksista. 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). Termoparin toiminta perustuu kahden metallista tehdyn johdon tuottamaan jännitteeseen, joka muuttuu lämpötilan funktiona. Termoparin mittaustuloksissa on itsessään virhettä. Terminen teho kuitenkin kalibroidaan sekundääripuolen lämpötaseella poistaen virhettä. (Lamminpää, 2015, 14). Jäähdytteen lämpötilamittauksista muodostetaan keskimääräinen jäähdytteen lämpötila (Average Coolant Temperature, ACT). ACT-signaalia automaatio käyttää turbiinin tehon muutosten seurantaan. Turbiinin tehon muuttuessa automaatio liikuttaa säätösauvoja muuttaakseen reaktorin termistä tehoa turbiinin tehon asetusarvoon päin. (Lamminpää, 2015, 68) Säätösauvojen asema Säätösauvojen aseman mittausjärjestelmä mittaa erikseen jokaisen säätösauvan aseman. Yhden säätösauvan aseman mittausjärjestelmä koostuu kolmesta anturista. Ylä- ja ala-asemaanturista sekä asemanmittausanturista. Ylä ja ala-asema-anturit toimivat binäärisesti eivätkä pysty indikoimaan muuta kuin täysin ulkona tai sisällä olevan säätösauvan. Asemanmittausanturi on tarkoitettu säätösauvan aseman mittaukseen. (Kiiski, 2017) Automaatio ei kui-

41 41 tenkaan käytä mittauksista muuta kuin suojaustoimintoihin. Säätösauvan aseman mittaukseen käytetään digitaalista signaalia, joka laskee jokaisen säätösauvan aseman muutoksen suoritettujen askelten perusteella. Säätösauvan aseman mittausta käytetään silloin, kun digitaalisessa signaalissa on liikaa eroa mittaukseen, joka tapahtuu esimerkiksi reaktorin pikasulussa tai automaation toimintahäiriöissä. (Lamminpää, 2018) Booripitoisuus Primääripiirin booripitoisuus mitataan joko näytteenottojärjestelmällä tai kaavalla. Näytteenottojärjestelmä on jatkuvatoiminen ja voi ottaa primääripiirin vettä useasta eri kohdasta; kuitenkin vain yhdestä kohdasta kerrallaan. Näytteenottojärjestelmän mittaus perustuu neutroniabsorptioon jäähdytteessä. Mittaus tehdään ohjaamalla primääripiiristä otettu näyte neutronilähteen ja neutronidetektorin välistä. Näytteenottojärjestelmä on kaukana primääripiiristä, joten mittauksessa on viivettä noin 5 min. (Lamminpää, 2015, 55) Booripitoisuus voidaan myös laskea kaavalla: P P M 1 = R (R P P M kon + P P M 0 ) (6) missä P P M 0 Primääripiirin boorikonsentraatio ennen muutosta [ppm], P P M kon P P M 1 Lisätyn veden boorikonsentraatio (7000 ppm tai 0 ppm), Primääripiirin boorikonsentraatio muutoksen jälkeen [ppm]. R = q minj missä q minj Boori- ja lisävesijärjestelmän syöttövirtaus [-], dt m pp Laskentasykli [s], Primääripiirin jäähdytteen massa [kg]. dt m pp (7) Automaatio käyttää kaavalla laskettua booripitoisuutta laukaisuehtona booripitoisuuden laimentamisen estämiseksi. Booripitoisuuden laskennassa otetaan virheen vaikutus konservatiivisesti huomioon laskemalla koko reaktorin booripitoisuus kahdella eri reaktorin veden määrällä (maksimi- ja minimimäärällä) valittaen näistä tuloksista pienempi booripitoisuus. (Ibid)

42 Käytetyt logiikat 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 jäähdytteen keskimääräistä lämpötilaa. Turbiinin ottaessa enemmän tehoa jäähdytteen sisääntulolämpötila 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 käyriin, joissa on määritetty jokaiselle tehotasolle oma keskimääräinen lämpötila. (Lamminpää, 2015, 68) ACT-säätö käyttää P-ryhmää 8 (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 riippuvat sen hetkisestä sekvenssistä. Säätösauvojen liikkumissuunta riippuu sen hetkisen jäähdytteen keskimääräisen lämpötilan ja taulukosta otetun lämpötilan erotuksen merkistä. Jäähdytteen keskimääräisen lämpötilan ollessa suurempi kuin taulukosta saatava arvo säätösauvoja työnnetään sisäänpäin. Jäähdytteen keskimääräisen lämpötilan ollessa pienempi kuin taulukosta saatava arvo säätösauvoja vedetään ulospäin. Säätö ei reagoi 0,5 o C eroon primääripiirin keskimääräisen lämpötilan ja lämpötilan asetusarvon välillä. (Lamminpää, 2015, 70) AO-säätö AO-säädön tarkoitus on rajoittaa aksiaalisen tehojakauman heilahteluita. Säätö myös pyrkii pitämään AO:n asetusarvossaan. Säätö ei ole välttämätön reaktorin ajamiseen, mutta sen käyttäminen on suositeltavaa etenkin nopeissa tehonmuutostilanteissa. (Lamminpää, 2015, 8 P- ja H-ryhmä ovat nimityksiä säätöön osallistuville säätösauvaryhmille. Mihin ryhmään mikäkin säätösauva kuuluu milloinkin on selitetty luvussa

43 43 71) AO-säätö käyttää H-ryhmää tai boorausjärjestelmää aksiaalisen tehojakauman muuttamiseen. Syvimmän säätösauvaryhmän ollessa reaktorisydämen yläosassa säätö käyttää boorausjärjestelmää. 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. Aksiaalinen tehojakauma siirtyy alaspäin, koska reaktoriveden booripitoisuuden laskiessa reaktorin terminen teho nousee ja tällöin ACT-säätö työntää P-ryhmän säätösauvoja alaspäin kompensoidakseen 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. Reaktorin tehon ollessa liian yläpainotteinen säätö työntää H-ryhmän säätösauvoja alaspäin. Reaktorin tehon ollessa liian alapainotteinen säätö vetää H-ryhmän säätösauvoja ylöspäin. AOsäätö ei voi kuitenkaan toimia ACT-säädön komentojen vastaisesti, joten tilanteessa, jossa 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 ensimmäisen asteen viive funktiolla). (Ibid) P-ryhmänsäätö P-ryhmäsäädön tarkoitus on pitää säätösauvat referessiasemassa reaktorin ollessa tasaisella 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

44 44 alentuessa P-ryhmäsäätö vähentää asetusarvostaan askeleita. Vähennettyjen askeleiden määrä 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 ylöspäin. 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 boorausjärjestelmää. Booraako vai laimentaako boorausjärjestelmä riippuu P-ryhmän aseman ja asetusarvon erotuksesta. P-ryhmän ollessa liian syvällä reaktorissa säätö lisää reaktoriveteen booria, jolloin ACT-säätö liikuttaa P-ryhmää ylöspäin kompensoidakseen lisätyn boorin poistamaa reaktiivisuutta. P-ryhmän ollessa liian korkealla reaktorissa säätö laimentaa reaktoriveden 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) Neutronivuon säätö Neutronivuon säätö toimii silloin, kun generaattori ei ole tahdistettuna verkkoon. Neutronivuonsäätö on ACT-säätöä vastaava säätö, joka toimii ACT-säädön ollessa pois päältä. Neutronivuon 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

45 45 ovat erittäin pienen tehon tilanteet sekä halutun säätöpoikkeaman ollessa liian suuri. (Lamminpää, 2015, 68) 4.3 Käytetyt toimilaitteet Säätösauvat Painevesireaktoreissa säätösauva koostuu ajokoneistosta, toimilaitteen tangosta ja sormisäätösauvasta. Ajokoneiston tarkoitus on mahdollistaa säätösauvojen ylös vetäminen tai alas työntäminen. Toimilaitteen tanko yhdistää säätösauvasormet ja ajokoneiston toisiinsa. Säätösauvasormet ovat säätösauvan osa, joka osallistuu reaktiivisuuden hallintaan reaktorissa. OL3:lla säätösauvasormi sisältää pellettejä ja tangon. Pelletit sijaitsevat säätösauvan yläosassa ja koostuvat boorikarbidista. Loppuosan tanko kostuu hopeasta, indiumista ja kadmiumista. (Mekmouche, 2007, 7) Säätösauvojen ajomekanismi perustuu kolmeen käämiin ja kahteen tarttujaan. Ensimmäinen käämi ja tarttuja ovat säätösauvan paikoillaan pitämistä varten. Toinen käämi ja ensimmäinen tarttuja ovat säätösauvan hetkellistä paikoillaan pitämistä varten. Kolmas käämi ja toinen tarttuja ovat säätösauvan liikuttamista varten. Säätösauvaa liikuttaessa toinen ja kolmas käämi vuorottelevat siitä kumpi on päällä, jolloin kyseisen käämin tarttuja pitää säätösauvasta kiinni. Kolmannen käämin ollessa päällä käämiä liikutetaan ylös/alas, jolloin toinen tarttuja ja säätösauva liikkuvat ylös/alas. Kolmannen käämin saavuttaessa ylä/alaliikkumisrajansa toinen käämi menee päälle, jolloin ensimmäinen tarttuja pitää säätösauvaa paikoillaan. Toisen 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 siirtymistä turvallisempaan tilaan. (Kiiski, 2017) Säätösauvat on jaettu 11 eri ryhmään, joista 9 ovat säätöryhmiä ja 2 ovat sulkuryhmiä (Lamminpää, 2015, 57). Säätösauvojen sijoittuminen ja niiden jako säätö- ja sulkuryhmiin reaktorissa on esitetty kuvassa 16.

46 46 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 muodostetaan neljä eri sekvenssiä. Jokaisessa sekvenssissä on viisi eri ryhmää (P1...P5) joita sekvenssi käyttää järjestyksessä reaktorin tehon hallintaan 9. Jokaisella sekvenssin ryhmällä on ainakin yksi säätösauva jokaisessa sydämenneljänneksessä. Jokaisesta neljänneksestä valittu säätösauva on muista neljänneksistä valittujen kanssa symmetrinen. Sekvensseihin kuuluvat 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 ensimmäinen säätösauvaryhmä, joka osallistuu tehonsäätöön. Ryhmät P2-P4 liittyvät tehonsäätöön, kun edellisen ryhmän ero on tarpeeksi suuri kyseiseen ryhmään. P5 ei osallistu tehonsäätöön. Tehonsäätöön osallistuvista säätösauvaryhmistä käytetään nimitystä P-ryhmä ja te- 9 Jokainen P-säätösauva kuuluu johonkin P1...P5-ryhmään.

47 47 honsäätöön ei osallistuvista, muttei sulkuryhmiin kuuluvista, käytetään nimitystä H-ryhmä. H-ryhmää käytetään aksiaalisen tehojakauman tasoittamiseen, ja estämään P-ryhmän valuminen liian syvälle reaktoriin tai nouseminen liian ylös reaktorista. (Ibid) Booraus/Laimennus Reaktorin veden booraus ja laimennus tehdään tilavuudensäätöjärjestelmän välityksellä, joka ottaa vettä primääripiiristä höyrystimen jälkeen sen välihaarasta ja palauttaa veden pääkiertopumppujen jälkeiseen putkeen eri kylmähaaraan. Booraus/laimennus järjestelmä on osa boori- ja lisävesijärjestelmää, jonka tehtävänä on osallistua reaktiivisuuden hallintaan syöttämällä tai laimentamalla reaktorivedessä olevaa boorihappoa sekä paineistimen pinnan ylläpitäminen syöttämällä primääripiiriin boorihappopitoisuudeltaan vastaavaa vettä tai poistamalla primääripiiristä vettä. Boorausta ja laimennusta käytetään aksiaalisen tehojakauman tasoittamiseen, ja estämään P-ryhmän valuminen liian syvälle reaktoriin tai nouseminen liian ylös reaktorista. (Lamminpää, 2015, 52) Kuvassa 17 on esitetty yksinkertaistettu yleiskuva booraus- ja lisävesijärjestelmän sijoittumisesta.

48 48 Kuva 17. Booraus- ja lisävesijärjestelmän sijoittuminen OL3:lla. (Hassinen, 2017) Boorauksessa käytetään B10 suhteen rikastettua boorihappoa 10. Boorihapon happamuus neutralisoidaan litiumhydroksidilla. Primääripiirin booraus tehdään lisäämällä veteen noin 7000 ppm vahvuista booriliuosta ja laimennus tehdään lisäämällä täyssuolapoistettua vettä. Lisätyn veden määrä kompensoidaan tilavuudensäätöjärjestelmällä. (Lamminpää, 2015, 52) Boori- ja lisävesijärjestelmä on erillään reaktorista, joka tarkoittaa viivettä booripitoisuuden muuttamiskäskyssä ja sen tapahtumisesta reaktorisydämessä. Viiveen vaikutus toimintojen alkamiseen ei ole ongelma, koska booripitoisuuden muuttamista vaativat ilmiöt ovat tavallisesti pidempikestoisia kuin itse viive. Viiveen vaikutus toimintojen lopettamiseen vaikuttaa reaktorin tilaan enemmän. Booripitoisuuden muutoskäskyn loppuessa boori- ja lisävesijärjestelmä lopettaa booripitoisuuden muuttamisen, mutta sillä hetkellä reaktorisydämessä oleva booripitoisuus on eri kuin boori- ja lisävesijärjestelmän putkistossa, jolloin reaktorisydämen booripitoisuus jatkaa muuttumista vielä viiveen ajan. (Lamminpää, 2018) Viiveellä ei ole merkitystä turvallisuuden kannalta, koska muutettava suure (AO tai P-ryhmän 10 Tällöin tarvitaan vähemmän booria primääripiirissä parantaen näin vesikemiaa.

49 49 asema) menee lähemmäksi asetusarvoaan kuolleen alueen rajasta, jossa booripitoisuuden muuttamisen lopetuskäsky on annettu. Automaation mallintamisen kannalta viive on kuitenkin otettava huomioon. Lisää viivettä reaktorisydämen booripitoisuuteen aiheuttaa paineistin, jonka booripitoisuus muuttuu muuta järjestelmää jäljessä, jolloin reaktoriveden booripitoisuuskin muuttuu (erittäin vähän). (Ibid) Laimennuksen viiveeksi on arvioitu 5 min, joka tarkoittaa että laimennus alkaa vaikuttaa reaktoriveden booripitoisuuteen 5 min päästä annetusta laimennuskäskystä ja laimennus jatkuu 5 min laimennuskäskyn loppuessa. Boorauksessa on arvioitu saman suuruinen viive. Kuitenkin boorin suuresta vaikutuksesta reaktorin reaktiivisuuteen johtuen booraukseen on lisätty 10 min odotusaikaa, jottei boori lisättäisi liikaa aiheuttaen joko laimennuksen tai reaktorin tehon alennuksen/sammumisen. Boorauksessa booria lisätään noin minuutin pulsseissa, jolloin booripitoisuuden muutos näkyy reaktorissa 5 min viiveellä, mutta automaatio ei lisää booria ennen kuin edellä lisätty boori on ehtinyt vaikuttaa reaktorin reaktiivisuuteen 10 min ajan. 4.4 Eri virheiden vaikutus automaatioon Mittausvirheet AO-säätö käyttää laukaisukriteerinään SPND-detektorien tuottamaa AO:ta. Mittausvirhettä tulee detektorien kalibrointimenetelmästä ja niiden tehon alenemisesta, joka alentaa detektorien signaalia. SPND-detektorien rajallisen määrän vuoksi suuret muutokset lokaalissa tehojakaumassa, paikoissa joissa ei ole detektoria, eivät näy yhtä suurena vaikutuksena detektoreissa kuin todellisuudessa koko reaktorissa. Suuret paikalliset tehojakauman muutokset, paikoissa joissa on detektori, näkyvät suurempana vaikutuksena detektoreissa kuin miten ne todellisuudessa vaikuttavat koko reaktorin tehojakaumaan. ACT-säätö käyttää laukaisukriteerinä lämpötilamittausten keskiarvoa. Lämpötila-antureiden mittausvirhe ei kuitenkaan vaikuta ACT-säädön toimintaan, koska säätö reagoi mittauksen muutokseen eikä absoluuttiseen lukemaan. ACT-säätö käyttää kuitenkin lämpötilamittauk-

50 50 sen suodattamiseen voimistus ja viive (eng. lead-lag) suodatusta. Voimistus ja viive suodattimen siirtofunktio on muotoa: missä G Kerroin [-], T lead Voimistuksen aika vakio [-], F = G 1 + s T lead 1 + s T lag (8) T lag Viiveen aika vakio [-]. (Wernecke, 2017, Liite 2.2-6) Differentiaalisessa muodossa tämä on: dy y + T lead dt = Gx + T dx lag dt (9) missä y Suodatettu tulos [-], x Mittaus [-]. (Mathpages, 2018a) Kyseinen suodatin teettää signaaliin ensin muutosta suuremman vaikutuksen, jonka jälkeen palauttaa signaalin mittauksen antamaan lukemaan. Kuvassa 18 on esitetty voimistus ja viive suodatuksen toiminta yhden sekunnin sisällä tapahtuvaan 0,005 muutokseen signaalissa (T lead = 50s ja T lag = 5s).

51 51 Kuva 18. Voimistus ja viive suodatuksen esimerkki. Kuvassa 18 voimistus ja viive suodatus kasvattaa signaalia ensin noin 9 kertaa suuremmaksi kuin mitä mittaus on oikeasti antanut. Tämä tarkoittaa, että noin 0,06 o C muutos mittauksessa voi aiheuttaa ACT-säädön toiminnan tilanteessa, jossa reaktorin teho ei oikeasti ole muuttunut. Lämpöparin mittausvirheen suuruus on noin ±2 o C (riippuen mittarityypistä), mutta virhe ei ole satunnaista kohinaa vaan lämpötilasta riippuvaa virhettä. Lämpöparien tuloksien ajautuminen on myös pahimmillaan 1 o C/h luokkaa, joten ne eivät aiheuta ACT-säädön laukaisukriteeriä. (Anderson, 1979, 24) ACT-säädön laukaisukriteerin voi aiheuttaa 0,06 o C muutos lämpötilassa vaikka laukaisukriteerinä on 0,5 o C, jos muutos tapahtuu sekunnin sisällä. Tämä aiheuttaa ylimääräisiä säätösauvan liikkeitä, joita on vaikea ennustaa, joten ne lisäävät automaation käyttäytymiseen lisää satunnaisuutta. Mittaukset kuitenkin keskiarvoistetaan keskenään, joten signaalin muuttuminen äkillisesti on epätodennäköistä. P-ryhmäsäätö käyttää laukaisukriteerinään säätösauvojen aseman mittausta. Mittauksessa ei kuitenkaan käytetä induktiokäämejä vaan se tehdään ohjelmallisesti laskien automaation tekemät askeleet ja lisäämällä tai poistamalla tehdyt askeleet liikutettujen säätösauvojen asemasta. Mittausvirhettä ei siis systeemissä ole, koska ei ole mittausta. Virhettä voi tapahtua

52 52 laitteiston tasolla, jos esimerkiksi signaali ei mene täysin perille ja automaatio laskee säätösauvan liikkuneen. Tällaiset tapaukset voidaan kuitenkin olettaa erittäin harvinaisiksi ja on myös vaikeata arvioida niiden vaikutusta automaation toimintaa. (Lamminpää, 2018) Logiikkarajoitukset Automaation priorisoinnin vuoksi ACT-säädön toimet menevät kaikkien muiden edelle 11 (Wernecke, 2017, liite ). Tällöin voi tapahtua tilanne, jossa ACT-säätö ei anna AOsäädön tai P-ryhmäsäädön vetää/työntää säätösauvoja ylös/alas tai ACT-säätö ei anna AOsäädön tai P-ryhmäsäädön lisätä booria 12. ACT-säädön estäessä H-ryhmän liikuttamisen ainoastaan AO-säädöllä on mahdollisuus virheeseen. P-ryhmäsäädöllä logiikkavirhettä ei tapahdu, koska ACT-säädön estäessä H-ryhmän liikkumisen ACT-säätö liikuttaa P-ryhmää lähemmäs sen asetusarvoa eli ACT-säätö estäessään P-ryhmäsäädön automaatio toimii silti oikein. AO-säädön kohdalla, jos ACT-säätö estää H-ryhmän liikuttamisen, reaktorin AO on täysin riippuvainen P-ryhmän liikkeistä. Esimerkiksi tilanteessa, jossa P-ryhmän työntäminen alaspäin siirtäisi aksiaalista tehojakaumaa alaspäin, halutaan alentaa reaktorin tehoa; ACT-säätö työntää P-ryhmää alaspäin. Jos tehojakauma on jo ennestään alapainotteinen, ei AO-säätö voi vetää H-ryhmää ylöspäin, koska ACT-säädön priorisointi estää sen. Tällöin tehojakauma siirtyy lisää alaspäin. AO-säädön logiikkavirhe tapahtuu silloin, kun P-ryhmän liikuttaminen siirtää aksiaalista tehojakaumaa sen liikkeen suuntaan. AO-säädön ja P-ryhmäsäädön boorauksen boori määrä on sidottu automaatiossa reaktoriveden keskiarvolämpötilaan. Säätöjen halutessa lisätä booria lisätyn boorin määrä lasketaan boorausta haluavan säädön erosta asetusarvoon ja reaktoriveden keskiarvolämpötilan erosta sen asetusarvoon. Boorauksen määrässä reaktoriveden lämpötilalla on suurempi vaikutus kuin säädön parametrilla eli tilanteessa, jossa säätö haluaa boorata, säädön parametrin eroavaisuus asetusarvostaan lisää booria esimerkiksi 40 kg (Tilanne, jossa AO eroaa asetusarvos- 11 Automaation estäessä jonkin säädön toiminnan reaktoriohjaaja voi aina muuttaa reaktorin tilaa manuaalisesti, jolloin manuaalisesti annettavat komennot ottavat prioriteetin 12 Tilanne tapahtuu silloin, kun säätötoimenpide siirtäisi reaktoriveden keskiarvolämpötilaa poispäin sen asetusarvosta.

53 53 taan 2 prosenttiyksikköä) tähän lisätään vielä reaktoriveden keskiarvolämpötilan eroavaisuus asetusarvosta, joka on kokoluokaltaan ±100 kg. (Jos boorin lisäys on negatiivinen, booripitoisuutta ei muuteta.) (Wernecke, 2017, liite 6.5-6) Reaktorin tehon ollessa alhaisempi kuin sen asetusarvon AO-säätö tai P-ryhmäsäätö eivät voi lisätä boorin määrä elleivät ne eroa suuresti asetusarvostaan. (Laimennusnopeus ei ole riippuvainen reaktoriveden keskiarvolämpötilasta (Wernecke, 2017, liite 6.5-5).) Säätökyvyn riittoisuus OL3 reaktorisydämen keskustassa ei ole yhtään säätävää säätösauvaa, joka tarkoittaa ettei reaktorin keskustan tehojakaumaa voidaan suoraan muuttaa vaan se muuttuu reunoilla olevien säätösauvojen liikkeistä (Lamminpää, 2018). Koska keskustan tehojakauma siirtyy ei keskustassa olevien säätösauvojen vaikutuksesta, on sen tehojakauma erimuotoinen kuin reaktorin osissa joissa on säätävä säätösauva. Erimuotoisen tehojakauman vuoksi keskustan ksenonjakaumakin on erimuotoinen. Koska reaktorin AO lasketaan koko sydämelle ottamatta huomioon eri reaktorin osien tehojakauman eroavaisuutta on mahdollista, että reaktorin keskustan AO siirtyy vastakkaiseen suuntaan muusta reaktorista. Tällaisessä tilanteessa reaktorin osissa on eri AO, jolloin reaktorin AO voi olla pieni, mutta reaktorin osissa AO on suuri vähentäen näin lineaaritehomarginaaleja. (Säätävien säätösauvojen etäisyys reaktorin keskustaan on noin metri, joten ilmiö on itsestään vaimentuva.) Boorin ja laimennuksen viiveestä johtuen säätöjen laukaisukriteerin täyttyessä ne vaikuttavat viiveellä reaktorin tilaan, jolloin reaktorin AO tai P-ryhmä voivat erkaantua enemmän asetusarvostaan kuin laukaisukriteerin raja. Etenkin nopeissa tehonmuutostilanteissa (normaalina nopeutena voidaan pitää 1%/min) AO:n säätöpoikkeama voi kasvaa erittäin suureksi pienessä ajassa. P-ryhmän poikkeama asetusarvostaan ei kasva niin suureksi, koska P-ryhmän asetusarvo on riippuvainen reaktorin tehosta (AO:n asetusarvo pidetään vakiona tehonmuutostilanteessa). Boorin suuresta reaktiivisuusvaikutuksesta johtuen säädön lisätessä booria jää boorausjärjestelmä odottamaan boorin vaikutusta systeemiin ennen kuin se on valmis ottamaan uuden boorauskäskyn vastaan (odotusaika noin 15 min). Tämä tarkoittaa, että nopeassa tehonmuutostilanteessa automaatio lisää booria ensin vähän ja jää odottamaan

54 54 boorin vaikutusta reaktorin tilaan, jolloin reaktorin tehon muutoksesta johtuen ACT-säätö jatkaa P-ryhmän liikuttamista ja AO jatkaa kasvamistaan. AO voi kasvaa erittäin suureksi tässä tilanteessa.

55 55 5 AUTOMAATION MALLINNUS Työn tekemistä varten mallinnettiin reaktorisydämen automaation toiminta erillisellä ohjelmalla, joka käyttää SIMULATE:n tuloksia saadakseen takaisinkytkennän toimintoihinsa. Automaation toiminta mallinnettiin simulointiympäristöön, jotta saatiin mahdollisimman realistista dataa reaktorin toiminnasta ja tilasta. 5.1 Ennen tapauskohtaista mallinnusta tehdyt laskennat Automaatio on tarkoitus mallintaa tehonmuutostilanteissa. Ennen tehonmuutostilanteen simulointia SIMULATE:lla on tehtävä jakson mallintaminen tehonmuutostilanteeseen saakka. 13 Jakson aikana tapahtuvien säätösauvojen asennon muutosten merkitys on arvioitu pieneksi. Säätösauvojen asennot keskiarvoistetaan niin että jakson AO vastaa sille suunniteltua AO:ta. Säätösauvojen asennoissa ei huomioida sekvenssejä. Tämä tarkoittaa, että AO pidetään vakiona siirtämällä jokaista P-ryhmän säätösauvaa. Laskenta-askeleiden pituus jakson aikana on useita täystehopäiviä, joten ksenonpitoisuudet ovat tasapainossa laskennan aikana. 5.2 SPND-detektorien mallinnus ACT-säädön ja P-ryhmäsäädön käyttämien mittausten virheet on arvioitu pieneksi, joten niiden käyttämiä mittauksia ei työssä lähdetty mallintamaan. AO-säädön käyttämät mittaukset mallinnettiin, koska SPND-detektorilla ei voida mitata täydellisesti reaktorin tilaa, joten on oletettavaa että niistä syntyy virhettä. SPND-detektorit mallinnettiin karkeasti ja korkeammalla resoluutiolla. Karkeassa mallinnuksessa ei otettu detektorin sijoittumista polttoainenipun neljänneksessä vaan mallinnuksessa otettiin SIMULATE:n antamista polttoaine-elementtien neljännesten nooditehoista ar- 13 Ennen näitä on jo laskettu INTERPIN:llä ja CASMO:lla jokaiselle polttoainetyypille ja palamalle homogeeniset vaikutusalakirjastot.

56 56 vot detektorille. Detektorit eivät ole myöskään keskellä laskentanoodeja aksiaalisessa suunnassa. Detektorien aksiaalinen sijoittuminen otettiin huomioon painottamalla noodien tehoja osuudella, jonka detektori on noodissa. Detektorin signaali laskettiin yhtälöllä: I f,j = h reaktori /h noodi n=1 P A 1/4 m=1 P noodi (n, m) hdetektori(x, n, m) h noodi (10) missä h reaktori /h noodi Aksiaalisten laskentanoodien määrä [-], P A 1/4 Polttoaine-elementtien neljännesten määrä [-], P noodi (n, m) Laskenta noodin (n,m) teho [-], h detektori (x, n, m) h noodi Detektorin x (1...72) osuus laskentanoodissa (n,m) [m], Laskenta noodin korkeus [m]. Korkeamman resoluution mallinnuksessa hyödynnetään sauvakohtaista rekonstruktiota, jossa SIMULATE:lta saatuja homogeenisiä noodin tehoprofiileja painotettiin CASMO:lta saaduilla heterogeenisillä tehoprofiileilla. Näistä tuloksista lasketaan detektorille siihen osuva teho ottamalla detektorien viereisten polttoainesauvojen tehot ja painottamalla niitä. Kulmassa oleville sauvoille annettiin pienempi painoarvo, koska ne ovat kauempana detektorista. (Detektorivasteen voisi myös mallintaa suoraan CMS-ohjelmistossa, mutta detektorin sijainnin vuoksi se ei ole mahdollista käytössä olevalla ohjelmistolla.) Korkeamman resoluution malli laskee detektorin tehon yhtälöllä: I f,j = h reaktori /h noodi n=1 P A 1/4 ( m=1 1 1 i= 1 j= 1 a(j, i) P sauva (S(k, i, j))) hdetektori(x, n, m) h noodi (11) missä a(j, i) Painotuskerroin; joka on 1, kun i tai j on 0; ja 0.5; i:n ja j:n ollessa erisuuria kuin 0 [-] (eli kauempana sijaitseville polttoainesauvoille pienempi kerroin), P sauva (S(k, i, j)) Polttoainesauvan teho [-], S(k, i, j) Polttoainesauvan koordinaatit antava funktio [-], k Polttoainenipun neljännes, jossa ollaan laskennassa (1...4). Aeroball-detektoreita ei työssä mallinnettu ollenkaan, koska Aeroball-järjestelmän systemaattinen virhe on pieni (±0, 5%) (Haebler, 1969, 4). Aeroball-järjestelmältä haluttu reaktorin tehonjakautuminen oletettiin tarpeeksi tarkaksi. Kalibrointiin ja AO:n laskemiseen tarvittavat tehot otettiin suoraan SIMULATE:n tuloksista reaktorin yläosassa olevien noodien

57 57 tehot saadakseen reaktorin yläosan teho ja reaktorin alaosassa olevien noodien tehot saadakseen reaktorin alaosan teho. Kuvassa 19 on esitetty SPND-detektorien tuloksien erotus karkealla ja korkeammalla resoluutiolla tehdyllä mallilla. Kuva 19. Korkearesoluutioisemman SPND mallinnuksen ero karkeaan mallinnukseen tehonlaskutilanteessa. Kuvasta 19 nähdään, ettei tarkemmasta SPND-detektorien mallinnuksesta ole hyötyä tulosten kannalta. Palama-askelten lukumäärän huomioiden yksittäisissä laskuissa korkearesoluutioinen SPND mallinnuksen tuoma ero on merkitsemätön. Noin kahden promillen virhe on erittäin pieni ja tarkemman mallintamisen tekemiseen menee kohtalaisesti tietokoneresursseja, joten karkea mallintaminen on tarpeeksi tarkka.

58 Mittauksen suodatuksen mallinnus Reaktorisydämen automaatio laskee P-ryhmän ja AO:n säätöpoikkeamille suodatetun arvon, jonka avulla se seuraa pitemmän trendin muutoksia mittauksissa. Suodatukseen käytetään ensimmäisen asteen viivesuodatinta (eng. first-order lag filter), jonka differentiaalinen muoto on: missä τ Aikavakio [s], y Suodatettu tulos [], G Vahvistus kerroin [-], u Mittaustulos []. (Mathpages, 2018b) τ dy dt + y = Gu (12) Ensimmäisen asteen viivefunktion differentiaalimuoto diskretisoitiin ja saatiin yhtälöä pyörittämällä: y = Gu + τ y 0 t t 0 τ t t (13) Viivefunktio diskretisoitiin, koska SIMULATE:n tuloksista on yksinkertaisempaa laskea suodattimen tekemät muutokset syötteeseen. Kuvassa 20 on esitetty ensimmäisen asteen viivefunktion suodatus 0,005 muutokselle (τ = 5000s).

59 59 Kuva 20. Ensimmäisen asteen viive funktion esimerkki. Automaatioon on myös lisätty raja-arvoja viivefunktion syötteelle. P-ryhmän ja asetuspisteen eron ollessa yli 60 askelta sen asemasta viivefunktio laskee suodatetun signaalin ottamalla sisään syötteeksi ±60. AO:n ja asetuspisteen eron ollessa yli 4 prosenttiyksikköä viivefunktio laskee suodatetun signaalin ottamalla sisään syötteeksi ±4 prosenttiyksikköä. Suodattaman signaalin ollessa yli ±69 askelta tai ±3 prosenttiyksikköä erotus tästä arvosta lisätään suodatettuun signaaliin suodattamattomana. (Wernecke, 2017, liitteet ja ) Ensimmäisen asteen viivefunktion toimintaa verrattiin OL3:n simulaattorilla suoritetun tehonmuutostilanteen suodatettuun signaalin, jota voitiin varmistaa suodattimien yhdenvertaisuus. Vertauksen tulokset on esitetty kuvassa 21.

60 60 Kuva 21. Simulaattorin suodattama signaali ja RCAS-ohjelman suodattama signaali raakadatasta. Käyrien eroja ei kuvasta näe, koska ne ovat niin pieniä (virheen keskiarvo 0,10 askelta ja virheen maksimi arvo 0,32 askelta). Todelliseksi arvoksi simulaattorin suodatin antaa keltaisen ja punaisen käyrän summan. Kuvan 21 tuloksista nähdään, että viivefunktion diskretisointi ei aiheuta minkäänlaista erotusta signaalissa. 5.4 Booripitoisuuden muutoksen mallinnus Boorausjärjestelmä mallinnettiin erilliseen funktioon, koska AO- ja P-ryhmäsäätö käyttävät sitä. Boorausjärjestelmän boorausfunktio katsoo ensin onko edellisestä laskenta-askeleesta jäljellä boorauksen muutosta (boorauksen viiveestä johtuen). Jos edellisestä laskenta-askeleesta on jäljellä boorausta, funktio muuttaa haluttua booripitoisuutta boorauksen verran, jos se on mahdollista suorittaa laskenta-askeleen sisällä (boorauksen viive on 5 min aloitukseen ja 10 min vaikutuksen odotteluun). Jos boorausta ei voida suorittaa laskenta-askeleen sisällä, estetään uuden boorauksen alkaminen ja odotetaan seuraavan laskenta-askeleen alkamista. Jos booraus voidaan suorittaa laskenta-askeleen sisällä, muutetaan haluttua booripitoisuutta ja ilmoitetaan ohjelmalle, että se voi syöttää uuden boorauskäskyn. Ellei edellisestä laskenta-askeleesta ole jäljellä boorausta, tarkistetaan voidaanko pyydetty booraus tehdä laskenta-askeleen sisällä. Jos ei voida lisätään jäljelle jäänyt booraus seuraavaan laskenta-

61 61 askeleeseen. Laimennus toimii samalla tavoin kuin booraus, mutta viive on lyhempi (5 min alkamisesta ja 5 min lopetuskäskyn saapumisesta). Laimennuksessa päivitetään myös laimennusnopeutta AO:n tai P-ryhmän erotuksen asetusarvoon muuttuessa. Boorausjärjestelmän mallinnuksessa on otettu huomioon pitkien laskenta-askelien mahdolliset useat booraus/laimennuskäskyt ottamalla laskenta-askeleen pituus ja laskemalla siitä kuinka monta boorausta/laimennusta voidaan askeleessa suorittaa. Lisätyn boorin määrä lasketaan AO:n tai P-ryhmän erotuksesta niiden asetusarvoon. Booria lisätään 20 kg per prosenttiyksikön ero asetusarvoon tai 2 kg per P-ryhmän erotus asetusarvoon. Laimennusnopeus laskettiin lineaarisella sovitteella 14 : q ml = 1, 4 + 8, 6 x ero x min x max x min (14) missä x ero Parametrin erotus asetusarvoonsa [-], x min x max Parametrin minimiarvo (2 prosenttiyksikköä tai 30 askelta), Parametrin maksimiarvo (10 prosenttiyksikköä tai 150 askelta). Booripitoisuuden muutos lisätyn boorin tai laimennuksen johdosta laskettiin olettamalla primääripiirin jatkuva täydellinen sekoittuminen, jolloin booripitoisuus voidaan ratkaista ensimmäisen asteen differentiaaliyhtälöllä. Valmiiksi pyöritetyssä muodossa tämä yhtälö on: P P M 1 = P P M kon P P M kon P P M 0 e mv/mpp (15) missä m v Lisätyn veden määrä [kg]. (Bürger, 2017, 2) 14 Minimi laimennusnopeus on 1,4kg/s ja maksimi on 10 kg/s (Lamminpää, 2015, 53).

62 Säätölogiikoiden mallinnus RCAS-ohjelma (Reactor Core Automation Script) toimii SIMULATE:n ohella suorittaen reaktorisydämen automaation toimintoja SIMULATE:n tuloksista riippuen. Ohjelman vuokaavio on esitetty kuvassa 22. Kuva 22. RCAS-ohjelman vuokaavio. Syöte: RCAS-ohjelma ottaa syötteekseen erillisen tiedoston, joka sisältää alustavan SIMU- LATE-laskun, askeleiden kestot (ja parametrit), AO:n asetusarvon ja P1-ryhmän asetusarvon. Alustavaksi SIMULATE-laskuksi on laitettava toimiva SIMULATE-lasku, joka antaa ohjelmalle lähtötilanteen, josta se lähtee etenemään. Askeleiden parametreilla voidaan muuttaa haettua tehoprosenttia, reaktoriastian painetta tai primäärivirtauksen suuruutta.

63 63 Alustava SIMULATE-lasku: RCAS-ohjelma suorittaa alustavan SIMULATE-laskun ja ottaa ylös siitä säätösauvojen aseman, booripitoisuuden ja tehoprosentin. Alustava lasku sisältää ensimmäiset askeleet laskusta, jotka SIMULATE laskee ilman automaation tekemiä muutoksia. Uuden askeleen SIMULATE-lasku: RCAS-ohjelma suorittaa syötteen mukaisen askeleen edellisen askeleen säätösauvojen asennoilla. Konvergoitumisen tarkistus: Laskennan konvergoituminen vaatii kolmen kriteerin täyttymistä. Ensimmäinen on, ettei iterointikertojen välillä tapahdu säätösauvojen liikkumista. Toinen on, ettei booripitoisuuden ero haluttuun booripitoisuuteen ole yli 1 ppm (laskennassa ei muuteta reaktorin tehoa vaan booripitoisuutta, joten booripitoisuuden eroa sen asetusarvoon voidaan pitää tehon erona haluttuun tehoon). Kolmas, ettei booraus- tai laimennusjärjestelmä tule muuttamaan booripitoisuuden asetusarvoa kyseisellä askeleella. (Laskennassa muutetaan booripitoisuuden asetusarvoa, koska ACT-säätö hakeutuu siihen.) ACT-säätö: Säätö vertaa askeleen laskennasta saatua booripitoisuutta haluttuun booripitoisuuteen. Haluttu booripitoisuus on aluksi edellisen askeleen booripitoisuuden asetusarvo, mutta asetusarvo voi muuttua AO-säädön tai P-ryhmäsäädön toiminnoista. Halutun booripitoisuuden ja askeleen booripitoisuuden erotuksesta saadaan P-ryhmän liikkeen suunta ja erotuksen suuruudesta saadaan askeleiden määrä. ACT-säätö vertaa booripitoisuuksia toisiinsa, koska SIMULATE:lla mallinnuksessa on suositeltavaa käyttää vakiotehoa ja laskea booripitoisuus iteratiivisesti (laskenta on nopeampaa ja reaktiivisuudessa on vähemmän virhettä) eli SIMULATE laskee sen hetkiselle teholla ja säätösauvojen asennoille booripitoisuuden, jolla reaktori on kriittinen (Lamminpää, 2018). Booripitoisuuden ollessa pienempi kuin edellisen askeleen (samoilla säätösauvan asennoilla) reaktorin teho olisi myös pienempi ellei booripitoisuutta olisi muutettu. Booripitoisuus on siis oletettu laskennassa vastaavan reaktorin tehon muutoksen suuntaa. Booripitoisuus valittiin iteroitavaksi parametriksi kasvutekijän sijaan, koska painevesireaktoreiden mallinnuksessa on tapana seurata booripitoisuuden eroa mallinnettuun tapaukseen (ja kiehutusvesireaktoreissa on tapana seurata kasvutekijän kehittymistä).

64 64 ACT-säätö lopettaa P-ryhmän liikuttamisen booripitoisuuden erotuksen ollessa alle 0,5 ppm ja seuraavaan askeleen ollessa eri suuntaan kuin edellinen. AO-säätö: Säätö vertaa askeleen AO:ta sen asetusarvoon. Säädöllä on kaksi eri laukaisukriteeriä. Ensimmäinen on, jos AO:n suodatettu säätöpoikkeama on yli 2 prosenttiyksikköä. Toinen on, jos AO:n ja sen asetusarvon erotus on yli 5 prosenttiyksikköä. Laukaisukriteerin täyttyessä säätö katsoo säätölogiikkansa syvimmän säätösauvaryhmän asennosta. Jos syvin säätösauvaryhmä on reaktorin alaosassa, liikuttaa säätö H-ryhmää. AO-säätö ei kuitenkaan voi toimia ACT-säädön vastaisesti, joten ACT-säädön vetäessä/työntäessä säätösauvoja ylös/alas AO-säätö ei työnnä/vedä H-ryhmää alas/ylöspäin 15. Syvimmän säätösauvaryhmän ollessa reaktorin yläosassa säätö laskee boorin lisäysmäärän tai laimennusnopeuden AO:n ja asetusarvon erotuksesta. Booraus ja laimennus muuttavat haluttua booripitoisuutta. P-ryhmäsäätö: Säätö vertaa edellisen askeleen ja nykyisen askeleen haluttuja tehoprosentteja. Säädöllä on kaksi eri laukaisukriteeriä. Ensimmäinen on, jos P-ryhmän suodatettu säätöpoikkeama on yli 30. Toinen on, jos P-ryhmän ja sen asetusarvon erotus on yli 99. Laukaisukriteerin täyttyessä säätö katsoo säätölogiikkansa syvimmän säätösauvaryhmän asennosta. Jos syvin säätösauvaryhmä on reaktorin yläosassa, liikuttaa säätö H-ryhmää aina, kun ACT-säätö haluaisi liikuttaa alinta säätösauvaryhmää poispäin asetusarvostaan eli säätö korvaa ACT-säädön tekemät säätösauvaliikkeet H-ryhmän liikkeillä. Jos ACT-säätö ei liikuta säätösauvoja iteraatiokierroksella, P-ryhmäsäätö liikuttaa H-ryhmää P-ryhmän säätöpoikkeaman vastakkaiseen suuntaan. Syvimmän säätösauvaryhmän ollessa reaktorin alaosassa säätö laskee boorin lisäys määrän tai laimennusnopeuden P-ryhmän ja asetusarvon erotuksesta. Booraus ja laimennus muuttavat haluttua booripitoisuutta. 15 ACT-säädön lopettaessa P-ryhmän liikuttamisen AO-säätö pääsee liikuttamaan H-ryhmää. Näin ei välttämättä tapahtuisi oikeasti, mutta sekundäärimallin puutteesta johtuen ACT-säätöä on yksinkertaistettava.

65 Ohjelman oletukset ja yksinkertaistukset Alustavassa SIMULATE-laskussa oletetaan tilanteen lähtevän ksenontasapainotilanteesta eli oletetaan, ettei tehossa ole tullut muutoksia vähään aikaan. Oletus tarkoittaa, ettei laskenta ota huomioon ennen alustavaa SIMULATE-laskua tapahtuneita tehonmuutoksia, jos ne ovat tapahtuneet juuri ennen alustavaa SIMULATE-laskua. Paineistimen veden boorikonsentraatio muuttuu hitaammin kuin muun reaktorin primääripiirin veden, koska paineistimessa ei ole läpivirtausta vaan vain yksi yhde primääripiiriin (ja kolme yhdettä, joita käytetään höyrypintan alentamiseen, mutta tämän tilavuusvirta on pieni.). Ilman läpivirtausta paineistimessa olevan veden booripitoisuuden hidas muutosnopeus tarkoittaa, että koko primääripiirin booripitoisuus muuttuu vielä kauan boorauslaitteiston sammutuksen jälkeen. Paineistimen tilavuus on kuitenkin pienehkö verrattuna koko primääripiirin tilavuuteen, joten sen vaikutus jätettiin huomioimatta. Boorauksen määrään vaikuttaa jäähdytteen lämpötila. Vaikutus on pahimmassa tapauksessa monta kertaa AO:n tai P-ryhmän erotuksen asetusarvoon lisäämä boorin määrä. Jäähdytteen lämpötilan mallintaminen ei kuitenkaan onnistu, koska se kytkeytyy sekundääripiirin toimintaan. Tämän vuoksi on oletettava, että boorausmäärät ovat samat pitkän ajan kuluttua. Oletus voidaan tehdä, koska reaktori hakeutuu reaktiivisuustasapainoon pitkällä aikavälillä. (Lamminpää, 2018) ACT-säädön mallintamista yksinkertaistettiin simulointiympäristön rajallisuuden vuoksi. ACTsäädön tarkempi mallintaminen vaatisi turbiinin mallintamista prosessiin. Tämän vuoksi ACT-säädön priorisoinnin estämät AO-säädön ja P-ryhmäsäädön H-ryhmän liikkeet jätettiin mallintamatta. Laskennassa on oletettu primääripiirin täydellinen sekoittuminen jatkuvasti booripitoisuuden suhteen. Veden kiertonopeus on nopea verrattuna laskennan aikaskaalaan. Laskennassa tehdyt tehonmuutostilanteet ovat tarpeeksi hitaita, jolloin AO-säätö pystyy liikuttamaan H-ryhmää tehonmuutoksen aikana. (RCAS-ohjelmaan tehtiin komento, jolla tä-

66 66 män voi kumota.) Laskennassa on myös oletettu, että laskennan aika-askeleet ovat pidempiä kuin P-ryhmän liikkeisiin vaadittava aika eli yli yhden minuutin. Säätösauvoja voidaan liikuttaa 75 askelta minuutissa. 5.7 Automaatiomallin toiminta Aika-askeleen pituuden vaikutus Kuvissa 23, 24 ja 25 on esitetty RCAS-ohjelman toiminta tilanteessa, joka on tehonlasku 60% ja palaaminen täydelle teholle alkujaksosta eri aika-askelien pituuksilla. (Tilanne alkujaksosta. Käytössä sekvenssi 1.) Kuva 23. RCAS-ohjelma mallintama tehonmuutostilanteen AO eri laskennan aika-askelille.

67 67 Kuva 24. RCAS-ohjelma mallintama tehonmuutostilanteen booripitoisuudet eri laskennan aikaaskelille. Kuva 25. RCAS-ohjelma mallintama tehonmuutostilanteen säätösauvojen summa eri laskennan aikaaskelille. *Säätösauvojen summa lasketaan summaamalla jokaisen säätösauvan syöttöaskeleet yhteen.

68 68 AO:n arvoissa on eniten heittoa tuloksissa eri aika-askelten välillä. Ero pysyy kuitenkin noin prosenttiyksikön tasolla koko ajan ja AO:n kehittymissuunta on jokaisella tapauksella melkein aina sama (pienillä vaihe-eroilla). SIMULATE:n palamamallista johtuen aika-askeleen muuttaminen vaikuttaa ksenonjakaumaan, jolloin pienet erot laskennan alussa alkavat kerääntymään eivätkä vastaukset ole täysin samat. 15 min aika-askeleen tuloksissa on jonkin verran eroa muihin aika-askeliin. 5 min ja 2,5 min aika-askelilla ei ole merkittävää eroa, joten 5 min valittiin käytettäväksi aika-askeleeksi laskennoissa Simulaattoriin vertaus OL3 simulaattorilla ajettiin tehonmuutostilanne, jonka tuloksia verrattiin RCAS-ohjelman tuloksiin. Simulaattorin käyttämä simulointiympäristö eroaa SIMULATE:sta jonkun verran, koska simulaattorilla lasketaan erittäin lyhyellä aika-askeleella ja tämän vuoksi simulaattorin sydänmalli on SIMULATE:n sydänmallia yksinkertaisempi. Simulaattorin sydänmalli on myös tehty kuvitteelliselle n-jaksolle eikä ensimmäiselle jaksolle, jota käytetään tällä hetkellä SIMULATE:lla, koska SIMULATE:lla on käytössä vain ensimmäinen jakso. (Lamminpää, 2018) Ensimmäinen jakso on käyttäytymiseltään n-jaksoa epästabiilimpi, joten on oletettavaa etteivät tulokset vastaa täysin toisiaan. Kuvissa 26, 27 ja 28 on esitetty simulaattorin ja RCAS-ohjelman tulokset tehonmuutostilanteesta. (Tilanne loppujaksosta. Käytössä sekvenssi 1.)

69 69 Kuva 26. Simulaattorilla ja RCAS-ohjelmalla tehtyjen tehonmuutostilanteiden AO:t. Kuva 27. Simulaattorilla ja RCAS-ohjelmalla tehtyjen tehonmuutostilanteiden booripitoisuudet.

70 70 Kuva 28. Simulaattorilla ja RCAS-ohjelmalla tehtyjen tehonmuutostilanteiden säätösauvojen summat. Simulaattorin tuloksiin verratessa RCAS-ohjelma käyttäytyy suhteellisen samalla tavalla, kun otetaan huomioon ensimmäisen jakson ero n-jaksoon. Eniten eroa on booripitoisuuksissa. Simulaattorin booripitoisuus muutokset ovat erittäin lyhyitä ja jäävät pienemmiksi kuin RCAS-ohjelman tekemät muutokset. Muutosten eri suuruus johtuu todennäköisesti simulaattorin eri jaksosta, koska ensimmäisellä jaksolla on oletettavasti tehtävä enemmän booripitoisuuksien muutoksia. Simulaattorilla laimennukset muuttavat booripitoisuutta diskreetisti, vaikka laimennus olisi kokoajan päällä. Tämä johtuu signaalinkäsittelystä, jossa pienet muutokset booripitoisuudessa eivät muuta signaalia esittävää signaalin arvoa välittömästi, vaan muutoksen on oltava ennalta määriteltyä kynnystä suurempi ennen kuin arvo muuttuu (Lamminpää, 2018). RCAS-ohjelma ennustaa AO:n jyrkän tippumisen tehonnoston jälkeen, kun simulaattori ennustaa AO:n pysymistä lähes vakiona. Johtuuko ilmiö RCAS-ohjelman hitaammasta boorauksesta vai sydänmallien eroavaisuudesta on vaikea arvioida. Tämän vuoksi simulaattorin tilanne suoritettiin kaksi kertaa suuremmilla boorinlisäysmäärillä. Kuvissa 29, 30 ja 31 on esitetty simulaattorin, RCAS normaali toiminnan ja RCAS kaksinkertaisen boorauksen tulokset.

71 71 Kuva 29. Simulaattorilla, RCAS-ohjelma ja RCAS-ohjelma kaksinkertaisella boorauksella tehtyjen tehonmuutostilanteiden AO:t. Kuva 30. Simulaattorilla, RCAS-ohjelma ja RCAS-ohjelma kaksinkertaisella boorauksella tehtyjen tehonmuutostilanteiden AO:t.

72 72 Kuva 31. Simulaattorilla, RCAS-ohjelma ja RCAS-ohjelma kaksinkertaisella boorauksella tehtyjen tehonmuutostilanteiden AO:t. Kuten RCAS-ohjelman teossa oli oletettu boorausnopeuden muuttamisella ei ole suurta vaikutusta booripitoisuuksiin. Boorausnopeuden ollessa korkeampi automaatio booraa harvemmin, joten booripitoisuus reaktorissa ei muutu tapausten välillä merkittävästi. AO:n kehitykseen boorauksella on suurempi vaikutus. Boorausnopeuden ollessa suurempi AO ei tipu läheskään niin alas kuin pienemmällä boorausnopeudella. Boorausnopeus pidettiin samana, koska tämä nopeus on parhaan arvion mukainen ja samalla konservatiivisempi kuin kaksinkertainen boorausnopeus. Liitteessä 1 on esitetty boorausmäärän lisäyksen vaikutus tehdyille tehonmuutostilanteille.

73 73 6 AKSIAALISEN TEHOJAKAUMAN POIKKEAMAN SÄÄ- DÖN ARVIOINTI 6.1 SPND-detektorien kalibroinnista johtuva AO:n virhe SPND-detektoreista tehdyllä mallilla tutkittiin detektorien virheiden suuruutta, suuntaa ja syytä. Kuvassa 32 on esitetty karkean SPND-detektorimallinnuksen tulokset verrattuna SI- MULATE:n AO:hon. (Tilanne loppujaksosta. Käytössä sekvenssi 1) Liitteessä 3 on esitetty kaikkien sekvenssien SPND-detektorien tulokset. Kuva 32. SPND-detektorien signaali verrattuna SIMULATE:n AO:hon tehonmuutostilanteessa. Kuvassa 32 on esitetty SPND-detektorien kalibroinnista aiheutuva virhe. Tehon ollessa alempi kuin kalibrointihetkellä ollut teho SPND-detektorien antama AO on melkein aina suurempi kuin reaktorin SIMULATE:n AO. Tehon palatessa samalle tasolle kuin kalibrointihetkellä ollessa, SPND-detektorien virhe pienenee selkeästi ja virheen suunta vaihtelee. SPND-detektorien virheen syytä tutkittiin reaktorin AO:n jakautumisesta radiaalisessa suun-

74 74 nassa. Jakautuminen laskettiin SIMULATE:n tuloksista ottamalla jokainen polttoainenippu erikseen ja laskemalla yhtälöllä 1 AO. Näitä arvoja verrattiin toisiinsa asettamalla arvojen keskiarvo referenssitasoksi. Kuvassa 33 on esitetty AO:n jakautuminen radiaalisesti reaktorissa sekvenssillä 1 loput sekvenssit on esitetty liitteessä 2. Kuva 33. AO:n erot radiaalisesti reaktorissa sekvenssillä 1. Kuvassa vasemmalla on tilanne tehon ollessa 100% (ja samalla tilanne, jossa SPND-detektorit on kalibroitu) ja oikealla tilanne, jossa teho on 60%. Sinisellä on esitetty kohdat joissa aksiaalinen tehojakauman on alapainotteisempi kuin koko reaktorin keskiarvo ja punaisella on esitetty kohdat joissa aksiaalinen tehojakauman on yläpainotteisempi kuin koko reaktorin keskiarvo. Kuvassa 33 on käytössä sekvenssi 1, jossa säätävät säätösauvat ovat kaukana SPND-detektoreista. Reaktorin ollessa 100%:n teholla AO:n erot reaktorissa ovat pieniä. Tehon muuttuessa 60%:n poikkeamien erot kasvavat suuremmiksi. SPND-detektorien kannalta sekvenssissä 1 jokainen SPND-detektori jää joko yläpainotteiseen kohtaan tai kohtaan jossa ei ole suurta eroa AO:n keskiarvoon. Taulukossa 1 on esitetty eri tilanteiden SPND-detektorien keskimääräinen virhe.

75 75 Taulukko 1. SPND-detektorien tuottaman AO:n virheet eri sekvensseillä alku- ja loppujaksosta. Kaikki luvut ovat prosenttiyksikköä eroa AO:sta. Ensin taulukossa esitetään koko tehonmuutostilanteen SPND-detektorien virheen keskiarvo ja maksimivirhe. Sen jälkeen taulukossa esitetään virheen keskiarvo ja maksimivirhe tehon ollessa 60% ja tehon ollessa 100%. Sekvenssi Sekvenssi Alkujakso Loppujakso Keskiarvo 0,9 0,9 1,3 0,8 Keskiarvo 0,8 0,6 0,9 0,7 Maksimi 3,1 3,3 4,5 3,3 Maksimi 3,2 2,7 3,3 2,3 60 % Keskiarvo 2,0 1,8 3,4 1,5 60 % Keskiarvo 1,6 0,8 1,8 1,3 60 % Maksimi 2,7 3,0 4,5 2,6 60 % Maksimi 3,2 2,7 3,3 2,3 100 % Keskiarvo 0,6 0,6 0,7 0,6 100 % Keskiarvo 0,5 0,5 0,6 0,6 100 % Maksimi 3,1 3,3 2,3 3,3 100 % Maksimi 1,2 1,2 1,3 1,3 Tehon ollessa 100% ei sekvenssillä tai jaksonajalla ole merkittävää vaikutusta virheen keskiarvoon. Tehon ollessa 60% sekvenssillä on suurempi vaikutus virheeseen. Sekvenssi 3 on selkeästi huonoin virheen kannalta ja on alkujaksosta yli prosenttiyksikön verran huonompi kuin muut sekvenssit. Sekvenssien 2 ja 4 virheet ovat sekvensseistä pienimpiä. Alkujaksosta tehdyssä tehonmuutoksessa SPND-virhe on noin puoli prosenttiyksikköä suurempi kuin loppujaksosta tehdyssä tehonmuutostilanteessa. Sekvenssien erot johtuvat niiden säätävien säätösauvojen sijoittumisesta SPND-detektoreihin nähden. Kuvassa 34 on esitetty SPND-sondien numerointi ja kuvissa 35 ja 36 on esitetty eri sondien virheitä sekvenssillä 1. Tilanne loppujaksosta.

76 76 Kuva 34. SPND-sondien numerointi detektorien virheen tarkastelussa. Kuva 35. Sondien 1, 2 ja 3 virheet sekvenssillä 1.

77 77 Kuva 36. Sondien 4, 5 ja 6 virheet sekvenssillä 1. Sondien 1, 3, 5 ja 6 virheiden profiilit ovat saman muotoiset keskenään. Pienenä poikkeuksena on sondi 6, joka näyttää 60% teholla kokoajan liian suurta AO:ta. Syy sondien virheiden samankaltaisuuteen on niiden sijoittuminen reaktorin reunoille. Sondit 1, 3 ja 5 ovat suhteellisen lähellä säätösauvoja, joten säätösauvojen liikkumiset vaikuttavat niihin enemmän kuin muihin sondeihin. Sondien 2 ja 4 virheiden profiilit ovat myös keskenään samanmuotoisia. Sondit 2 ja 4 ovat sijoitettu reaktorin keskustaan ja tästä syystä virheprofiilit ovat samanmuotoisia. Liitteessä 4 on esitetty sondien virheet eri sekvensseillä. Tehon alentuessa SPND-detektorit näyttävät aksiaalisen tehojakauman olevan yläpainotteisempi kuin todellisuudessa, koska yksikään detektori ei ole säätävän säätösauvan lähellä. Virheen vähentämiseksi SPND-detektorien kalibroinnin voisi tehdä tehon laskun jälkeen, jolloin kalibraatio on tehty alhaisemman tehon tehojakaumalla. Kuvassa 37 on esitetty SPNDdetektorien virhe tilanteessa, jossa kalibrointi tehdään heti tehonmuutoksen jälkeen.

78 78 Kuva 37. SPND-detektorien eri hetkellä tehty kalibraatio. Kalibraatiohetken muuttamisesta tehon laskun jälkeen ei ole kuitenkaan paljoa hyötyä. Juuri ennen tehon nostoa takaisin SPND-detektorien signaali on erittäin lähellä SIMULATE:n AO:ta, mutta tehon palatessa takaisin täydelle teholle alhaisella teholla tehty kalibraatio eroaa reilusti enemmän SIMULATE:n AO:sta kuin täydellä teholla tehty kalibraatio. SPND-detektorien virhe vaikuttaa myös automaation toimitaan, koska virheen suuruus ei ole vakio vaan muuttuu jatkuvasti. Kuvissa 38, 39 ja 40 on esitetty tehonmuutostilanne ilman SPND-mallintamista ja sen kanssa.

79 79 Kuva 38. Ilman SPND-mallinnusta ja sen kanssa tehdyn tehonmuutostilanteen AO:t. Kuva 39. Ilman SPND-mallinnusta ja sen kanssa tehdyn tehonmuutostilanteen booripitoisuudet.

80 80 Kuva 40. Ilman SPND-mallinnusta ja sen kanssa tehdyn tehonmuutostilanteen säätösauvojen summat. Kuvasta 38 nähdään, että SPND-detektorien virhe vähentää SIMULATE:n AO:n heilahteluita AO:n kasvaessa. Tämä johtuu AO virheen suunnasta. Koska SPND-detektorit antavat yläpainotteisempaa tehojakaumaa kuin todellisuudessa, AO-säätö liikuttaa H-ryhmää jo ennen kuin SIMULATE:n AO poikkeaa paljoakaan asetusarvostaan. 12,5 tunnin kohdalla on tilanne, jossa SIMULATE:n AO poikkeaa asetusarvostaan enemmän kuin SPND-signaali. Tämä voi johtaa tilanteeseen, jossa todellinen AO on paljon suurempi kuin mittauksissa eikä automaatio reagoi siihen. Liitteessä 5 on esitetty SPND-virheen vaikutus automaatioon eri sekvensseillä. 6.2 ACT-säädön priorisoinnin aiheuttama AO:n kasvu RCAS-ohjelmaa käyttäessä huomattiin, ettei AO reagoi P-ryhmän liikkeisiin aina samalla tavalla eri jaksonkohdissa. Myöhemmin jaksolla tehdyissä tapauksissa, P-ryhmän ollessa reaktorin alaosassa, AO:n muutoksen suunta ei ollut samansuuntainen kuin P-ryhmän liikkeet vaan vaihteli riippuen P-ryhmän asemasta. AO-säätö käyttää H-ryhmää P-ryhmän ollessa reaktorin alaosassa. ACT-säätö ei kuitenkaan

81 81 salli säätösauvojen vetämistä/työntämistä, jos reaktorin teho on alle/yli asetusarvonsa. Tämän vuoksi syntyy tilanteita, joissa AO ylittää nopean laukaisukriteerin raja-arvot väliaikaisesti. Kuva 41. AO:n muutos P-ryhmän liikkuessa alaspäin eri jaksonajoilla ja eri tilanteissa. Kuvassa 41 on esitetty AO eri jaksonajoilla eri P-ryhmän asemilla eri tilanteissa. Ksenonin muutosta ei oteta huomioon kahdessa tilanteessa, koska ksenonin pitoisuudet muuttuvat helposti riippuen tilanteesta ennen säätösauvojen liikettä. Vaihtuva booripitoisuus -tilanne kuvaa vakio teholla olevaa booripitoisuuden muutosta, joka johtuu AO-säädön tai P-ryhmäsäädön tekemästä booripitoisuuden muutoksesta, jolloin ACT-säätö liikuttaa P-ryhmää. Muuttuva palama ja ksenontasapaino -tilanteet kuvaavat tehonmuutostilannetta, jossa ACT-säätö liikuttaa P-ryhmää saavuttaakseen halutun teho tason. Ksenontasapaino-tilanteessa ei oteta huomioon ksenonin vaikutusta. Ksenontasapainotilanteesta saadaan pelkästään P-ryhmän vaikutus AO:hon. Jokaisessa tilanteessa aksiaalinen tehojakauma siirtyy lähemmäs reaktorin pohjaa P-ryhmän liikkuessa alaspäin silloin, kun P-ryhmä koostuu vain P1-ryhmästä. Alkujaksosta P-ryhmän

82 82 vaikutus AO:hon on aina sen liikkeen suunnan mukainen (lukuun ottamatta pientä aluetta reaktorin keskiosassa, jossa poikkeaman muutos on vähän positiivinen). Muilla jaksonajoilla poikkeaman muutoksen käyttäytyminen on erilaista riippuen tilanteesta. Tehon muuttuessa aksiaalinen tehojakauma alkaa siirtyä ylöspäin P1-ryhmän ollessa reaktorin alimman neljänneksen alapuolella. P-ryhmän ollessa reaktorin toiseksi alimmassa neljänneksessä AO:n muutos on positiivinen. Ksenonin huomioimatta jättäminen ei vaikuta muutokseen suuntaan vain sen suuruuteen. Tehon pysyessä samana ja booripitoisuuden muuttuessa P-ryhmän vaikutus AO:hon kasvaa. Etenkin loppujaksosta P-ryhmän liikkuminen alaspäin jatkuvasta booripitoisuuden laimennuksesta lisää AO:ta pahimmillan prosenttiyksikön per 20 säätösauvan askelta. Kuvassa 42 on esitetty AO eri jaksonajoilla eri P-ryhmän asemilla eri sekvensseillä. Kuva 42. AO:n muutos P-ryhmän liikkuessa alaspäin eri sekvensseillä tehonmuutostilanteessa (vaihtuvan palama tilanteessa). (Sekvenssin 2 ja 4 tulokset ovat erittäin lähellä toisiaan) Kuvasta 42 nähdään, ettei sekvenssillä ole suurta vaikutusta ilmiöön. Eri sekvensseillä ilmiön suuruus vaihtelee, mutta sekvenssi ei vaikuta AO:n kehittymisen suuntaan.

83 83 Ilmiön syytä tutkittiin reaktorin tehojakauman suhteellisesta muutoksesta säätösauvojen liikkeeseen. Kuvassa 43 on esitetty tehojakauman suhteellinen muutos P-ryhmän liikkuessa alaspäin. Kuva 43. Suhteellinen tehojakauman muutos P-ryhmän liikkuessa 10 askelta alaspäin. Tilanne alkujaksosta. Tilanteessa, jossa P-ryhmä liikkuu 250->240, P-ryhmä koostuu vain P1-ryhmästä. Tilanteessa, jossa P-ryhmä liikkuu 190->180, P-ryhmä koostuu P1- ja P2-ryhmästä. Tilanne on jakson alkupäästä. Alkujaksosta tehojakaumassa on vain yksi huippu ja se sijaitsee vähän reaktorin keskikohdan alapuolella. Alkujaksosta P1-ryhmän asema on aina lähempänä huippua, joten sen vaikutus tehojakaumaan on suurempi. P1-ryhmän ollessa huipun yläpuolella nostaa se huipun kohdalla olevaa tehoa. P1-ryhmän ollessa huipun kohdalla P2-ryhmän vaikutus kumoaa P1-ryhmän vaikutuksen reaktorin alaosan tehoon. Poikkeuksena on tilanne, jossa P2-ryhmä ei ole vielä liittynyt P-ryhmään, jolloin P1-ryhmän siirtyessä alaspäin tehojakauman alaosan teho pienenee ja siirtää tehoa reaktorin yläosaan. Tämä ilmiö nähdään kuvassa 41 pienenä huippuna.

84 84 Kuva 44. Suhteellinen tehojakauman muutos P-ryhmän liikkuessa 10 askelta alaspäin. Tilanne loppujaksosta. Tilanteessa, jossa P-ryhmä liikkuu 250->240, P-ryhmä koostuu vain P1-ryhmästä. Tilanteessa, jossa P-ryhmä liikkuu 190->180, P-ryhmä koostuu P1- ja P2-ryhmästä. Kuvassa 44 on esitetty tehojakauman suhteellinen muutos P-ryhmän liikkuessa alaspäin. Loppujaksosta tehojakaumassa on kaksi huippua. Toinen on reaktorin yläosassa ja toinen alaosassa. Tämän vuoksi, P1-ryhmän aseman ollessa reaktorin keskiosassa ja P2-ryhmän aseman ollessa yläosassa, P2-ryhmä vaikuttaa tehojakaumaan enemmän kuin P1-ryhmä, koska P2-ryhmän liikkeet vaikuttuvat tehon huipun alueella ja P1-ryhmän liikkeet tehon kuopassa. Tästä syystä P-ryhmän liikkuessa alaspäin aksiaalinen tehojakauma voi muuttua kumpaankin suuntaan. P1-ryhmän ollessa huipun kohdalla ja P2-ryhmän ollessa kuopan kohdalla P1-ryhmän vaikutus on suurempi jolloin tehojakauma siirtyy reaktorin yläosaa kohti. 6.3 AO-säädön kyky hallita reaktorin keskiosaa OL3:n reaktorissa säätävät säätösauvat on asetettu reaktoriin kehälle. Reaktorin keskustassa ei ole yhtään säätävää säätösauvaa. Työssä tutkittiin säätävien säätösauvaryhmien kykyä hallita reaktorin keskustan AO:ta. Kuvassa 45 on esitetty koko reaktorin AO:n ero keskimmäisen polttoaine-elementin AO:hon. (Tilanne loppujaksosta. Käytössä sekvenssi 1.)

85 85 Kuva 45. Koko reaktorin ja keskimmäisen Polttoaine-elementin (PA-elementin) AO tehonmuutostilanteessa. Keskimmäisen PA-elementin AO eroaa ensin yli 5 prosenttiyksikköä koko reaktorin AO:sta, mutta 20 tunnin päästä tehonlaskusta keskimmäisen PA-elementin AO on lähes sama kuin koko reaktorin ja reagoi samalla tavalla kuin koko reaktori. Tehon noustessa takaisin täydelle teholla keskimmäisen PA-elementin AO erkanee taas koko reaktorin AO:sta, mutta ero pysyy alle 2:ssa prosenttiyksikössä. Keskimmäisen PA-elementin AO eroaa noin 2% ksenonin ollessa tasapainossa ja reaktorin ollessa täydellä teholla. Liitteessä 6 on esitetty kahden peräkkäisen tehonmuutoksen vaikutus keskimmäisen PA-elementin hallintaa.

86 86 7 JOHTOPÄÄTÖKSET Rakenteilla olevaan ydinreaktoriin on suoritettava analyysejä ilman ensikäden tietämystä reaktorin toiminnasta. Tällaisten analyysien teko onnistuu vain parhaiden arvioiden mukaan eivätkä analyysit tule koskaan olemaan täysin vastaavia reaktorin toimintaan. Analyyseillä voidaan kuitenkin ennakoida ja välttää ongelmatilanteita. Automaation mallinnus on onnistunut RCAS-ohjelmalla parhaan arvion mukaisesti. Simulaattorin tuloksiin verrattuna RCAS-ohjelma antaa hyviä tuloksia. Ottaen huomioon simulaattorin ja simulointiympäristön eroavaisuudet. Jokaisessa tehdyssä tehonmuutostilanteessa RCAS-ohjelma ennustaa AO:n jyrkän tippumisen tehon palatessa täydelle teholla. Ilmiö johtuu boorausviiveestä ja boorausmäärästä. Boorausmäärää ei voida kuitenkaan arvioida tarkasti, joten ilmiön suuruutta todellisuudessa on vaikea arvioida. SIMULATE:n rajallisesta mallinnuksesta johtuen boorin lisäysmäärä oli arvioitava P-ryhmän tai AO:n erotuksesta niiden asetusarvoon, kun todellisuudessa OL3:n automaatio lisää tähän vielä reaktoriveden keskiarvolämpötilasta saadun boorimäärän. RCASohjelman lisäämää booria on hyvä päivittää OL3:n käynnistyttyä vastaamaan paremmin automaation tekemiä toimintoja mahdollistaen nopeiden muutosten tarkemman analyysin. Tämä työ tarkasteli AO-säädön virhettä sen ongelmatilanteita ja rajoituksia. AO-säädön käyttämästä neutronivuomittauksesta löydettiin virhettä sen kalibraatiotavasta ja SPND-detektorien rajallisesta määrästä johtuen. Virheen suuruus on erikokoinen eri sekvensseillä ja on jaksonkohdasta riippuvainen. Sekvensseillä 2 ja 4 virheen suuruus oli pienemmillään johtuen sekvenssien säätävien säätösauvojen läheisyydestä detektoreihin. Virheen suuruus on tehonlaskussa suurempi kuin täydellä teholla, mutta AO:n raja-arvot ovat myös suuremmat kuin täydellä teholla, joten virhe ei teetä toimenpiteitä. Alemmalla teholla voitaisiin teettää uusi kalibrointi, mutta kalibroinnin tekeminen alhaisella teho tasolla aiheuttaa virheen siirtymisen täydelle teholla, jossa AO:n raja-arvot ovat kapeammat. AO:n virhe muuttaa kuitenkin automaation toimintaa, joten se pitää huomioida ennakkolaskuissa.

87 87 Automaation toiminnasta havaittiin logiikkarajoitus, jossa ACT-säädön priorisointi estää muiden säätöjen toiminnan mahdollistaen näin AO:n kasvamisen. ACT-säädön priorisointi ei kuitenkaan aiheuta ongelmia, koska tehonmuutostilanteissa P-ryhmän vaikutus AO:hon on noin prosenttiyksikön luokkaa. Tasaisella teholla ilmiö tapahtuu P-ryhmäsäädön tekemästä laimennuksesta. Ilmiö tulee olemaan muutaman prosenttiyksikön luokkaa pahimmillaan, koska P-ryhmäsäätö lopettaa laimentamisen P-ryhmän liikkuessa lähemmäs asetusarvoaan. Boorauksessa ilmiötä ei tarvitse huomioida, koska boorauksessa automaatio jää odottamaan boorin vaikutusta, jolloin AO-säätö pystyy siirtämään H-ryhmää. Ilmiö tapahtuu vain alennetulla tehotasolla, jolloin AO:n raja-arvot ovat suuremmat. ACT-säädön priorisoinnin aiheuttamaa ongelmaa ei voida kuitenkaan demonstroida RCAS-ohjelmalla rajoittuneen ACTsäädön mallinnuksen vuoksi. Työtä aloittaessa epäiltiin OL3:n automaation kykyä hallita reaktorin keskustan aksiaalista tehojakaumaa, koska yhtään säätöön osallistuvaa säätösauvaa ei ole sijoitettu reaktorin keskustaan. Reaktoriin tulee säätösauvojen reunoille sijoittamisesta AO:n radiaalista vaihtelua. Keskimmäisen PA-elementin ja koko reaktorin AO:t eroavat toisistaan pahimmillaan 5 prosenttiyksikköä, mutta tämä tapahtuu tehonlaskussa. Täydelle teholle noustessa keskimmäisen PA-elementin ja koko reaktorin AO:t eroavat toisistaan keskimäärin 1 prosenttiyksikön verran. OL3:n automaatio on siis kykenevä hallitsemaan koko reaktorin AO:ta reunoille sijoittuvilla säätösauvoilla. AO-säädön virheet tapahtuvat tehon laskiessa täydeltä teholta. Virheiden suuruus on useita prosenttiyksiköitä. Alhaisella teholla AO:n raja-arvot ovat kuitenkin suuremmat, joten virheen vaikutus ei ole niin suuri. Tehon ollessa 60% AO:n alaraja muuttuu -9 prosenttiyksikköä ja yläraja 6 prosenttiyksikköä. (Reaktori saa myös ylittää nämä rajat tunnin ajaksi ennen kuin automaatioilta vaaditaan toimintoja.) (Zaruba, 2017, ) SPND-detektoreista aiheutuva virhe on maksimissaan ±4,5 prosenttiyksikköä ja ACT-säädön priorisointi aiheuttaa maksimissaan -5 prosenttiyksikön AO:n säätöpoikkeaman. Tämä tarkoittaisi sitä, että automaation AO:n asetusarvo pitäisi laittaa <5,5 prosenttiyksikön päähän TTKE:n täyden tehon rajoista. AO:n asettaminen näin lähelle sen raja-arvoja ei ole suositeltavaa, koska tällöin raja-arvot voivat ylittyä jo automaation normaalista toiminnasta reaktorin ollessa täydellä teholla.

88 88 8 YHTEENVETO Tässä työssä tutkittiin OL3:n reaktorisydämen automaation virhettä. Virheen arviomiseksi tehtiin automaatiota simuloiva liitännäinen reaktorisimulointiympäristöön. Reaktorisimulointiympäristönä toimi diffuusioteoriaa käyttävä nodaalikoodi, jonka tarkkuutta on parannettu laskemalla kuljetusteoriaa käyttävällä ohjelmalla ekvivalentti parametrit. Tehdyn ohjelman toimintaa verrattiin OL3:n simulaattoriin. Ohjelman tuloksista tutkittiin mahdollisten aksiaalisen tehojakauman poikkeaman säädön virheitä ja niiden suuruuksia. Ohjelman todettiin toimivan parhaan arvion mukaisesti. Simulaattorin tuloksiin ohjelma antoi kokoluokaltaan eri tuloksia, mutta trendeiltään samoja tuloksia. Ottaen huomioon simulaattorin ja reaktorisimulointiympäristön eroavaisuudet, tuloksia pidettiin tarpeeksi hyvinä. Ohjelmalla tehdyistä tehonmuutostilanteista arvioitiin mittausvirhettä, automaation logiikkarajoituksia ja automaation säädön rajallisuutta. Tehon ollessa alhainen mittausvirheet todettiin kohtalaisen suureksi, mutta tehon noustessa takaisin täydelle teholle mittausvirheet olivat pienet. Alhaisella teholla olevat mittausvirheet eivät aiheuttaneet ongelmia, koska reaktorin aksiaali tehojakauman poikkeaman sallittu alue kasvaa alhaisemmalla teholla. Automaation logiikkarajoitukseksi havaittiin reaktorin tehoa ylläpitävän säädön priorisointi, joka aiheutti aksiaalisen tehojakauman poikkeaman kasvamisen suureksi tehonmuutoksen aikana tai boorausjärjestelmän laimentaessa reaktorivettä. Ilmiö tapahtui kuitenkin vain alhaisella teholla, jolloin aksiaalisen tehojakauman poikkeaman raja-arvot ovat myös laajemmat. Työssä todettiin myös OL3:n automaation kykenevän hallitsemaan reaktorin keskustan aksiaalista tehojakaumaa, vaikka reaktorin keskustassa ei ole yhtään säätöön osallistuvaa säätösauvaa.

89 89 LÄHDELUETTELO Anderson L. R THERMOCOUPLE ERROR ANALYSIS IN THE DESIGN OF LAR- GE ENGINEERING EXPERIMENTS. Oak Ridge: Oak Ridge National Laboratory. Saatavilla: 10/488/ pdf Bahadir Tamer CMSLINK5 User s Manual Rev 8. Studsvik Scandpower. Julkaisematon. Bell I. George & Glasstone Samuel Nuclear Reactor Theory. New York: Litton Educational Publishing, Inc. ISBN-13: Bougeant Olivier FSAR OL3 XENON OSCILLATIONS ANALYSIS AND MANA- GEMENT Rev C. AREVA NP & SIEMENS AG. Julkaisematon. Bürger Ch Adjust RCS boron concentration Rev F. AREVA NP & SIEMENS AG. Julkaisematon. Covington J. Lorne SIMULATE-3 Advanced Three-Dimensional Two-group Reactor Analysis Code Rev 3. Studsvik Scandpower. Julkaisematon. Cronin T. James, Smith S. Kord & Ver Planck M. David SIMULATE-3 Methodology Advanced Three-Dimensional Two-Group Reactor Analysis Code Rev 0. Studsvik Scandpower. Julkaisematon. Desmaison Vincent OL3 CORE START-UP TESTS FUNCTIONAL REQUIREMENTS OF THE CALIBRATION MODULE. AREVA NP & SIEMENS AG. Julkaisematon. Duderstadt J. James & Hamilton J. Louis NUCLEAR REACTOR ANALYSIS. Kanada: John Wiley & Sons, Inc. ISBN

90 90 Edenius Malte, Ekberg Kim, Forssén H. Bengt & Knott Dave CASMO-4 A FUEL ASSEMBLY BURNUP PROGRAM User s Manual Rev 0. Studsvik Scandpower. Julkaisematon. Haebler V. D Aeroball System for PWR s. Vienna: International Atomic Energy Agency. Saatavilla: RN: Hagrman T. Daniel INTERPIN-3 Studsvik CMS Fuel Performance Code Rev 1. Studsvik Scandpower. Julkaisematon. Hassinen Mika Boori- ja lisävesijärjestelmä KBC koulutus. Eurajoki: TVO. Julkaisematon. Kiiski Harri Reaktorin säätösauvojen toimilaitteet JDA koulutus. Eurajoki: TVO. Julkaisematon. Knott Dave, Forssén H. Bengt & Edenius Malte CASMO-4 A FUEL ASSEMBLY BURNUP PROGRAM Methodology Rev 0. Studsvik Scandpower. Julkaisematon. Lamminpää Tommi REAKTORISYDÄMEN VALVONTAJÄRJESTELMÄ Ver 1. TVO. Julkaisematon. Lamminpää Tommi Suullinen tiedonanto. Mathpages. 2018a. Lead-Lag Frequency Response. [Verkkodokumentti]. Viitattu: Saatavilla: Mathpages. 2018b. Frequency Response of First-Order Lag. [Verkkodokumentti]. Viitattu: Saatavilla: htm Mekmouche A EPR-OL3 Design Report Section 1: Description, Functional Require-

91 91 ments and Material Properties Rev C. AREVA NP & SIEMENS AG. Julkaisematon. Paajanen Matti In Core Fuel Management luento. LUT. TVO Perustietoa Olkiluoto 3:sta Toimintaperiaato, käyttö, turvallisuus.[verkkodokumentti]. Viitattu: Saatavilla: perusesite_2009_fi_final.pdf Wernecke Bernd RCSL I&C Functions Specification Rev O. AREVA NP & SIE- MENS AG. Julkaisematon. United States Nuclear Regulatory Commission U.S. EPR Application Documents. [Verkkodokumentti]. Viitattu: Saatavilla: new-reactors/design-cert/epr/reports.html Yoshiaki Oka Nuclear Reactor Kinetics and Plant Control. Tokyo: Springer. ISBN Yoshiaki Oka Nuclear Reactor Design. Tokyo: Springer. ISBN Zaruba Alexander OL3 Technical Specifications - Bases. AREVA NP & SIEMENS AG. Julkaisematon.

92 LIITE 1: Boorin määrän muutoksen vaikutus RCAS-ohjelman tuloksiin 92 Kuva 46. RCAS-ohjelman AO eri boorin lisäysmäärillä. Selkein eroavaisuus tapauksissa on tehon muutostilanteen jälkeen, kun reaktori on palannut täydelle teholle. 13 tunnin kohdalla P-ryhmä on siirtynyt reaktorin yläosaan ja P-ryhmäsäätö alkaa käyttämään H-ryhmää P-ryhmän nostamiseen ylöspäin. Tämä aiheuttaa AO:n suuren muutoksen jolloin AO-säätö alkaa lisätä booria. 1xBo nähdään, että normaalilla RCAS-ohjelman booraus määrällä AO ehtii tippua -12% ennen kuin boori alkaa vaikuttaa. 2xBo nähdään, että booraus määrä on hyvin optimi tilanteeseen. AO ei heilahtele paljoa ja pysyy pienenä. 3xBo nähdään, että booria lisätään liikaa jolloin booraus ei ole jatkuvaa vaan tapahtuu sykleissä. Tällöin AO heilahtelee ylös ja alas syklien välillä. Vaikka 2xBo antaa selkeästi parhaimmat tulokset tapauksista, ei sitä voida valita käytettäväksi ennen kuin OL3 on käynnistynyt, koska parhaat tulokset eivät tarkoita niiden olevan todellisia tuloksia.

93 93 Kuva 47. RCAS-ohjelman booripitoisuudet eri boorin lisäysmäärillä. Booripitoisuudet pysyvät muutaman ppm sisällä toisistaan. 3xBo on selkeästi muita boorauksia portaikkomaisempi. Kuva 48. RCAS-ohjelman säätösauvojen summat eri boorin lisäys määrillä. Säätösauvojen summissa ei ole tapauksien välillä suurta eroa.

94 LIITE 2: AO erot täydellä teholla ja alennetulla teholla eri sekvensseillä 94 Kuva 49. AO:n erot radiaalisesti reaktorissa sekvenssillä 1. Sekvenssillä 1 puolet detektoreista mittaava säätösauvojen lähellä olevia alueita. Kuva 50. AO:n erot radiaalisesti reaktorissa sekvenssillä 2. Sekvenssillä 2 puolet detektoreista mittaava säätösauvojen lähellä olevia alueita.

95 95 Kuva 51. AO:n erot radiaalisesti reaktorissa sekvenssillä 3. Sekvenssillä 3 vain 2 detektoria mittaava säätösauvan lähellä olevaa aluetta, 2 detektoria ovat pienen matkan päästä säätösauvasta ja loput detektorit ovat kauempana säätösauvasta. Kuva 52. AO:n erot radiaalisesti reaktorissa sekvenssillä 4. Sekvenssillä 4 puolet detektoreista mittaava säätösauvojen lähellä olevia alueita.

96 LIITE 3: SPND virheet täydellä teholla ja alennetulla teholla eri sekvensseillä 96 Liitteen kuvista nähdään, että sekvenssit 2 ja 4 antavat parempia tuloksia AO:n trendin ollessa ylöspäin ja sekvenssit 1 ja 3 antavat parempia tuloksia AO:n trendin ollessa alaspäin. Virheen suuruus on alaspäin mennessä pienempi ja tämän vuoksi sekvenssien 2 ja 4 tulokset ovat parempia. Kuva 53. SPND virheet sekvenssillä 1. Tilanne loppujaksosta.

97 97 Kuva 54. SPND virheet sekvenssillä 2. Tilanne loppujaksosta. Kuva 55. SPND virheet sekvenssillä 3. Tilanne loppujaksosta.

98 98 Kuva 56. SPND virheet sekvenssillä 4. Tilanne loppujaksosta. Kuva 57. SPND virheet kaikilla sekvensseillä.

99 LIITE 4: SPND-detektorien virheet täydellä teholla ja alennetulla teholla eri sekvensseillä 99 Liitteen kuvista nähdään, että sondien virhettä on erittäin hankala ennustaa. Tämä johtuu siitä että virhe on täysin riippuvainen kalibraatiohetken tehojakaumasta. Jokaisella sekvenssillä on kuitenkin selkeästi parempia sondia ja huonompia. Sekvenssin 1 parhaat sondit ovat 2, 4 ja 5. Sekvenssin 2 paras sondi on 2. Sekvenssin 3 parhaat sondit ovat 2, 4 ja 5. Sekvenssi 4 paras sondi on 2. Kuva 58. SPND-detektorien virheet sekvenssillä 1. Tilanne loppujaksosta.

100 100 Kuva 59. SPND-detektorien virheet sekvenssillä 2. Tilanne loppujaksosta. Kuva 60. SPND-detektorien virheet sekvenssillä 3. Tilanne loppujaksosta.

101 Kuva 61. SPND-detektorien virheet sekvenssillä 4. Tilanne loppujaksosta. 101

102 LIITE 5: SPND-detektorien virheen vaikutus automaatioon täydellä teholla ja alennetulla teholla eri sekvensseillä 102 Liitteen kuvista nähdään, että sekvenssien 2 ja 4 tulokset ovat muuttuneet huomattavasti vähemmän kuin sekvenssien 1 ja 3. Sekvensseissä ei ole merkittävää eroa täydelle teholle palatessa. Kuva 62. SPND-detektorien virheen vaikutus automaatioon sekvenssillä 1. Tilanne loppujaksosta.

103 103 Kuva 63. SPND-detektorien virheen vaikutus automaatioon sekvenssillä 1. Tilanne loppujaksosta. Kuva 64. SPND-detektorien virheen vaikutus automaatioon sekvenssillä 1. Tilanne loppujaksosta.

104 Kuva 65. SPND-detektorien virheen vaikutus automaatioon sekvenssillä 1. Tilanne loppujaksosta. 104

105 LIITE 6: Kahden peräkkäisen tehonmuutoksen vaikutus keskimmäisen polttoaine-elementin AO:hon. 105 Kuva 66. Kahden peräkkäisen tehonmuutoksen vaikutus keskimmäisen polttoaine-elementin AO:hon. Tilanne loppujaksosta. Kuvasta nähdään, että tehon ollessa alhaalla keskimmäisen polttoaine-elementin AO eroaa usean prosenttiyksikön koko reaktorin AO:sta, mutta täydelle teholle palatessa AO-erot pienenevät, vaikka kyseessä on vaikea tehonmuutostilanne.

106 106 LIITE 7: Radiaalisen tehojakauman profiilin laskenta. Kuva 67. Radiaalinen tehojakauma on laskettu laskemalla seitsemän polttoaine-elementin keskiarvo jokaiselle profiilin pisteelle ja piirtämällä profiili reaktorin leveimmästä kohdasta.