Březen 2014

1. Zkušenosti s provozem palivových vsázek VVER-440 v JE Dukovanyaneb „Co nemohlo být v původním projektu VVER-440“ • Březen 2014 • Josef Bajgl • ved.odd.projektování a bezp.hodnocení vsázek EDU

2. Obsah • Úvod • Základní pojmy • Popis VVER-440 • Palivový cyklus VVER-440 • Výpočty a monitorování AZ • Může se objevit něco nového po X letech provozu? • Místo závěru

3. Úvod – I • „Jadernou energetiku nelze budovat bez velkorysosti.“ • Prof.Ing.Čestmír Šimáně, DrSc. – „čaj o páté – CLM“ • „Nechoď s dělem na vrabce.“ • František Vala • (G M.Budějovice - středoškolský profesor matematiky )

4. Úvod – II • 1865 – Maxwellovy rovnice • 1881 – 1.vodní elektrárna na světě • 1882 – 1.veřejná parní elektrárna na světě • 1889 – 1.veřejná elektrárna v českých zemích (Praha) • 1954 – 1.jaderná elektrárna (Obninsk) • 1972 – spuštění A-1 • 1978 – spuštění 1.bloku V-1 (typ V230) • 1984 – spuštění 1.bloku V-2 (typ V213) • 1985 – spuštění 1.bloku JE Dukovany (typ V213) • 2000 – spuštění 1.bloku JE Temelín

5. Úvod – III • Fyzika je vědní obor, který zkoumá zákonitosti přírodních jevů. • Aplikovaná fyzika → Fyzika jaderných reaktorů • Fyzika jaderných reaktorů (=reaktorová fyzika) je obor, který zkoumá zákonitosti přeměny a přenosu energie v jaderném reaktoru – teoretická, experimentální.

6. Základní pojmy: VVER-440 • lehkou vodou chlazený, lehkou vodou moderovaný energetický reaktor (водо-водянный энергетический реактор) • =>tlakovodní reaktor(PWR) I.O – primární okruh terciární (chladicí) okruh II.O – sekundární okruh

7. Základní pojmyreaktorové fyziky • Jaderná reakce – reakce částice (n, p, γ) s atomovým jádrem. • Štěpná řetězová reakce • neřízená(jaderný výbuch) • řízená(jaderný reaktor). • Okamžité a zpožděné neutrony. • Dceřinná jádra (štěpné trosky).

8. Základní pojmy: Jaderná bezpečnost • Jaderná bezpečnost je schopnost jaderného zařízení a jeho obsluhy • zabránit nekontrolovatelnému rozvoji štěpné řetězové reakce(reaktorová fyzika) • zabránit šíření Ra látek do životního prostředí(bariéry – pokrytí paliva, hermetické prostory) • a omezovat následky nehod. • (zákon č.18/1997 Sb.)

9. Jaderná bezpečnost a aktivní zóna VVER-440 • heterogenní(palivo je odděleno od chladiva) • vodo-vodní energetický reaktor (lehká voda je současně moderátor i chladivo) ==> Požadavky na vlastnosti paliva a chladiva.

10. Jaderná bezpečnost a palivo Požadavky na konstrukci palivové kazety: • neutronově-fyzikální („optimální“ vodo-uranový poměr, nízká neštěpná absorpce neutronů v jednotlivých materiálech kazety =>Zr) • termomechanické (tepelná stálost paliva => UO2 ve formě keramiky) • termohydraulické(zaručený odvod tepla z paliva do chladiva – keramika-plyn-pokrytí-chladivo) • mechanické (tuhost konstrukce, odolnost materiálů proti radiačnímu poškození, dlouhodobá stálost)

11. Jaderná bezpečnost a chladivo Požadavky na chladivo: • neutronově-fyzikální (nízká absorpce neutronů v chladivu => čistá voda bez příměsí) • řídící (H3BO3 – záchyt neutronů na B-10) • chemické (vhodná hodnota pH resp.redox-potenciálu => nutnost neutralizace – VVER – KOH (PWR – LiOH)) • příměsi a korozní produkty (co nejnižší obsah => používání čistých chemikálií, čištění chladiva a I.O)

12. VVER-440 – reaktor Pohony HRK Horké chladivo Blok ochranných trub Studené chladivo Aktivní zóna Dno šachty reaktoru

13. VVER-440 – aktivní zóna • 312 pracovních kazet (PK) • 210 měření teploty na výstupu z kazet (TČ) • 36 měření neutronového toku (SPND/DPZ) • 37 pohybujících se regulačních kazet (HRK) – 6 skupin • palivová a absorpční část spojená vloženou tyčí s pohonem HRK • Palivové proutky – trojúhelníková mříž • Kazeta – šestiúhelník → lze využít 60°symetrie při výpočtech a kontrole palivových vsázek

14. VVER-440 – aktivní zóna – měření teplot 2 TK 06 TK 04 56 52 47 41 1. SMYČKA 6. SMYČKA 59 58 55 51 46 40 34 27 19 1. 4. 3. 1. 19 10 57 54 50 45 39 33 26 18 10 59 TK 07 TK 03 Sektor 27 18 09 53 49 44 38 32 25 17 09 57 58 3 SK SK 1 41 34 26 17 08 48 43 37 31 24 16 08 53 54 55 56 3. 6. 2. 6. 4. 47 40 33 25 16 07 42 36 30 23 15 07 48 49 50 51 52 52 46 39 32 24 15 06 35 29 22 14 06 42 43 44 45 46 47 Kazeta 34/1 56 51 45 38 31 23 14 05 28 21 13 05 35 36 37 38 39 40 41 4. 2. 5. 5. 2. 3. TK 01 TK 09 55 50 44 37 30 22 13 04 20 12 04 28 29 30 31 32 33 34 58 54 49 43 36 29 21 12 03 11 03 20 21 22 23 24 25 26 27 02 13 14 15 16 17 18 59 57 53 48 42 35 28 20 11 02 11 12 19 1. 6. 5. 6. 5. 6. 1. 2. SMYČKA Sk. symetrie 34 5. SMYČKA 10 09 08 07 06 05 04 03 02 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 SK SK 19 18 17 16 15 14 13 12 11 02 02 11 20 28 35 42 48 53 57 59 34/1 TČ 34/2 TČ 34/3 - 34/4 TČ 34/5 - 34/6 TČ 27 26 25 24 23 22 21 20 03 11 03 12 21 29 36 43 49 54 58 TK 10 TK 18 3. 2. 5. 5. 2. 4. 34 33 32 31 30 29 28 04 12 20 04 13 22 30 37 44 50 55 41 40 39 38 37 36 35 05 13 21 28 05 14 23 31 38 45 51 56 47 46 45 44 43 42 06 14 22 29 35 06 15 24 32 39 46 52 4. 6. 2. 6. 3. 52 51 50 49 48 07 15 23 30 36 42 07 16 25 33 40 47 4 6 56 55 54 53 08 16 24 31 37 43 48 08 17 26 34 41 SK SK TK 16 58 57 09 17 25 32 38 44 49 53 09 18 27 TK 12 1. 3. 4. 1. 59 10 18 26 33 39 45 50 54 57 10 19 3. SMYČKA 4. SMYČKA 19 27 34 40 46 51 55 58 59 TK 15 TK 13 41 47 52 56 5

15. 41 40 39 38 37 36 35 05 13 21 28 05 14 23 31 38 45 51 56 VVER-440 – aktivní zóna – měření n-toku (DPZ) IV 01 56 52 47 41 1. SMYČKA 02 6. SMYČKA 59 58 55 51 46 40 34 27 19 1. 4. 3. 1. 03 18 19 10 57 54 50 45 39 33 26 10 59 • 36 kanálů • 7 detektorů/kanál • 1 fónový vodič 04 27 18 09 53 49 44 38 32 57 25 17 09 58 05 54 55 56 41 34 26 17 08 48 43 37 31 16 08 24 53 3. 6. 2. 6. 4. 06 23 49 51 52 47 40 33 25 16 07 42 36 07 30 15 48 50 07 22 42 44 45 43 46 47 52 46 39 32 24 15 06 35 06 29 14 08 36 37 38 39 40 41 56 51 45 38 31 23 14 05 28 13 05 21 35 4. 2. 5. 5. 2. 3. 09 12 31 32 30 33 34 55 50 44 37 30 22 13 04 28 20 04 29 10 11 22 23 24 25 26 27 58 54 49 43 36 29 21 12 03 03 20 21 11 02 13 14 15 16 17 18 59 57 53 48 42 35 28 20 11 02 11 12 19 1. 1. 6. 5. 6. 5. 6. I 12 2. SMYČKA 5. SMYČKA III 01 05 06 07 08 09 10 10 09 08 07 06 05 04 03 02 02 03 04 13 11 02 35 42 48 53 57 59 19 18 17 16 15 14 13 12 11 02 20 28 14 03 11 21 29 36 43 49 54 58 27 26 25 24 23 22 21 20 03 12 3. 2. 5. 5. 2. 4. 15 12 04 20 22 30 37 44 50 55 34 33 32 31 30 29 28 04 13 16 17 47 46 45 44 43 42 06 14 22 29 06 15 24 32 39 46 52 35 4. 6. 2. 6. 3. 18 52 51 50 49 48 07 15 23 30 36 42 07 16 25 33 40 47 19 56 55 54 53 08 16 24 31 37 43 48 08 17 26 34 41 20 58 57 09 17 25 32 38 44 49 53 09 18 27 1. 3. 4. 1. 21 59 10 18 26 33 39 45 50 54 57 10 19 22 3. SMYČKA 4. SMYČKA 19 27 34 40 46 51 55 58 59 23 41 47 52 56 24 26 28 30 32 34 36 38 40 46 48 50 52 54 56 58 60 62 42 44 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 II

16. DIV III DIV II DIV I LoP A LoP B LoP A LoP B LoP A LoP B HL 18 03 10 19 02 11 LL 17 06 09 22 01 14 24 23 04 21 05 20 07 08 17 16 12 13 VVER-440 – EX-CORE měření – ionizační komory IV BS 01 02 01 03 56 52 47 41 02 59 58 55 51 46 40 34 27 19 4. 1. 3. 1. 03 22 18 19 10 57 54 50 45 39 33 26 10 59 04 27 18 09 53 49 44 38 32 57 25 17 09 58 05 54 55 56 41 34 26 17 08 48 43 37 31 16 08 24 53 4. 6. 6. 3. 2. 06 23 49 51 52 47 40 33 25 16 07 42 36 07 30 15 48 50 07 22 42 44 45 43 46 47 52 46 39 32 24 15 06 35 06 29 14 08 36 37 38 39 40 41 56 51 45 38 31 23 14 05 28 13 05 21 35 06 2. 2. 4. 3. 5. 5. 09 12 31 32 30 33 34 55 50 44 37 30 22 13 04 28 20 04 29 10 11 22 23 24 25 26 27 58 54 49 43 36 29 21 12 03 03 20 21 11 02 13 14 15 16 17 18 59 57 53 48 42 35 28 20 11 02 11 12 19 1. 6. 6. 1. 5. 5. I 6. III 19 01 05 06 07 08 09 10 10 09 08 07 06 05 04 03 02 02 03 04 13 11 02 35 42 48 53 57 59 19 18 17 16 15 14 13 12 11 02 20 28 14 03 11 21 29 36 43 49 54 58 27 26 25 24 23 22 21 20 03 12 4. 3. 2. 2. 5. 5. 15 12 04 20 22 30 37 44 50 55 34 33 32 31 30 29 28 04 13 18 16 13 21 28 14 31 38 23 45 51 56 41 40 39 38 37 36 35 05 05 17 06 22 29 35 15 32 39 24 46 52 47 46 45 44 43 42 06 14 6. 6. 3. 4. 2. 18 52 51 50 49 48 07 15 23 30 36 42 07 16 25 33 40 47 09 19 Zbývající kanály 56 55 54 53 08 16 24 31 37 43 48 08 17 26 34 41 20 05, 07, 13, 15, 21, 23 - komory MP pro účely diagnostiky 58 57 09 17 25 32 38 44 49 53 09 18 27 4. 1. 1. 3. 10 21 59 10 18 26 33 39 45 50 54 57 10 19 04, 08, 12, 16, 20, 24 - kanály bez instrumentace 22 19 27 34 40 46 51 55 58 59 11 23 15 41 47 52 56 14 24 26 28 30 32 34 36 38 40 46 48 50 52 54 56 58 60 62 42 44 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 II

17. Palivový cyklus - přehled minulost budoucnost Začátek provozu Gd-2M+ Gd-2M Gd-1 3.82% 1.6, 2.4, 3.6% Gd-2 4-letá kazeta 5-letá kazeta Gd-2+ 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015

18. Typy palivových kazet I neprofilovaná (1.6, 2.4, 3.6 %)(1985) profilovaná (3.82 %)(1998) 4.0 %U235 (84) 3.6 %U235 (24) 1.6/2.4/3.6 %U235 (126) 3.3 %U235 (18) centrální trubka centrální trubka

19. 4.4 %U235 (84) 4.0 %U235 (30) 4.0 %U235+ 3.35 %Gd2O3 (6) 3.6 %U235 (6) 4.6 %U235 (84) centrální trubka 4.0 %U235 (30) 4.0 %U235 + 3.35 %Gd2O3 (6) 3.6 %U235 (6) centrální trubka Typy palivových kazet II Gd-2 (4.25 %)(2005) Gd-2M (4.38 %)(2009) – pro 105% Nnom

20. VVER-440 – palivo I • Palivové kazety • pracovní (stabilní) • regulační (pohyblivé) • Kazeta se skládá • ze 126 palivových proutků Φ 9,1mm – trubka ze Zr • v nich jsou tabletky UO2Φ 7,6mm s centrálním otvorem Φ1,2mm • obálky a distančních mřížek – Zr • hlavice a patice – nerezová ocel

21. VVER-440 – palivo – změny I (historie) • Cílem změn je zlepšit fyzikální vlastnosti aktivní zóny • - snížit parazitní absorpci neutronů a zlepšit tzv.vodo-uranový poměr: • materiál distančních mřížek – ocel → Zr • tloušťka obálky kazety – 2,0mm → 1,5mm • výška palivového sloupce – 242cm → 248cm (+ 6kgU/kazeta) • rozteč proutků – 12,2mm → 12,3mm

22. VVER-440 – palivo – změny II (2014)

23. Palivový cyklus ČEZ, a.s. • zajištění kontraktu na palivo • licencování paliva • nákup paliva • doprava paliva na JE Přední část PC(Centrála) • plánování a bezpečnostní hodnocení pal.vsázek • evidence JM • manipulace s palivem • provozování palivových vsázek Střední část PC(OREF) • nakládání s použitým jaderným palivem (po vyvezení z MSVP) • trvalé uložení PJP Zadní část PC(Centrála)

24. Palivový cyklus obecně Palivový cyklus Bezpečnost Hospodárnost • Licencování paliva • Bezpečnostní analýzy • Výpočetní aparát • Monitorovací systém • Sledování provozu • Plánování cyklů • Optimalizace palivových vsázek (OPTIMAL/OPTIMAX, ATHENA)

25. Palivový cyklus - podpora jaderné bezpečnosti (best-estimate analýzy, zpřesňování modelů apod.) (zpřesňování modelů apod.) (poproutkové výpočty, Monte-Carlo, zpřesňování modelů apod.) (subkanálová analýza, CFD, zpřesňování modelů apod.)

26. Vývoj palivového cyklu v EDU • Projektový tříletý cyklus • schéma out-in-in • průměrně 116 kazet • Čtyřletý cyklus • schéma in-in-in-out (L3P – LowLeakageLoadingPattern) • zavedení profilovaných kazet s obohacením 3.82% U-235 • průměrně 87 kazet • Přechod na pětiletý cyklus • od roku 2003 kazety s gadoliniem 4.38% U-235 (2005 4.25% U-235) • průměrně 72 kazet

27. Typy vsázek tříletá čtyřletá pětiletá čerstvá 1.6 % 2. rokem 2.4 % 3.6 % 3. rokem 3.82 % 4. rokem 4.38 % 5. rokem

28. Výpočetní nástroje • Neutronově-fyzikální výpočty:- MOBYDICK (1980) (ŠJS: V.Krýsl, M.Lehmann, J.Šůstek a kol.)- jazyk FORTRAN, počítače – od Tesla 200 po servery s OS HP-UX- diferenční řešení difúzní rovnice (hrubá a jemná síť)- nodální řešení difúzní rovnice (ve vývoji – ZČU) • Optimalizace palivových vsázek:- OPTIMAL/OPTIMAX (1994) (ÚJV Řež: M.Lehmann)- jazyk FORTRAN, počítače – vícejádrové servery s OS HP-UX, pseudoparalelizace- NF řešič – MOBYDICK; ad hoc optimalizační algoritmy • Optimalizace palivových vsázek:- ATHENA (2004) (ZČU: R.Čada)- jazyk C, počítače – vícejádrovépočítače, pseudoparalelizace- NF řešič – MOBYDICK; optimalizační algoritmy

29. Optimalizace palivových vsázek (OPTIMAL/OPTIMAX)

30. NF výpočty – poproutkové rozložení výkonu Pozice 54

31. NF výpočty – rozložení výkonu v kazetě č.54

32. NF výpočty – poproutkové rozložení vyhoření

33. Využití výpočtu poproutkového rozložení výkonu

34. Navržené vsázky 1444 MWth Navržená vsázka 23 1444 MWth Realizované vsázky Relativní fluence neutronů na TNR

35. Navržené vsázky 1444 MWth Navržená vsázka 23 1444 MWth Realizované vsázky Relativní měrná fluence neutronů na TNR

36. Monitorování stavu aktivní zóny • Spouštění:- ANMS (VÚJE Trnava: M.Sedláček, M.Eľko, M.Minarčín a kol.)- on-line sběr dat, vyhodnocování jednotlivých spouštěcích úloh • Monitorovací systém SCORPIO-VVER:- 1996; ÚJV Řež + ŠJS Plzeň, IFE Halden, Chemcomex Praha, VÚJE Trnava- moduly: DAM, IDATP, 3DREC, SIM, CHECK, LOG, KRITEX, PES- on-line sběr a vyhodnocování dat; rekonstrukce rozložení výkonu v AZ- programy – MOBYDICK, TH-BLOK(C) • Databáze provozních stavů :- XGBASE (1993) (ÚJV Řež: M.Pecka)- jazyk C, server HP-UX – obsahuje historii celého provozu EDU- on-line sběr vybraných měřených dat- grafický komunikační modul

37. Kauza „Nesymetrie teplotních měření“ – zjištění ~1994 Nesymetrie: δ(i) = Tmax(i) – Tmin(i) ≥0 i … sk.symetrie

38. Kauza „Nesymetrie teplotních měření“ BOT – dolní deska termočlánky KAZ škrticí clony DŠR – horní deska • Nesymetrie zůstávají dlouhodobě na stejných pozicích, nestěhují se s kazetami • => Priorita analýz: • Termočlánky • Kazety • Průtok kazetami (VČR)

39. Kauza „Nesymetrie teplotních měření“ • Prověření kvality tepelného kontaktu termočlánků • Působením HO3 • Působením HO3 - povytažení termočlánků • Odstavení HO1 (20%Nnom) • Odstavení HCČ (50%Nnom) • Měření při změně pHPK • Sledování míst výskytu nesymetrií • Vizuální kontroly VČR

40. Kauza „Nesymetrie teplotních měření“ Působením HO3 povytažené termočlánky

41. Koncovka kazety Ø 96 Dno koše AZ Ø 105 Ø 50 H8 M 85 Ø 76 Kauza „Nesymetrie teplotních měření“ Škrticí clona Dno šachty reaktoru

42. Kauza „Nesymetrie teplotních měření“ Vliv odstavení a připojení HCČ

43. Kauza „Nesymetrie teplotních měření“ Pro kalibraci přípravku byla použita 1. clona Pro kalibraci přípravku byla použita maketa clony Pro kalibraci přípravku byla použita maketa clony Stav po „čištění” kalibrem

44. Kauza „Podkritičnost“ - popis • Tzv. kritický experiment (= uvedení aktivní zóny do stavu, při němž lze udržovat požadovaný výkon – jedná se o standardní provozní stav reaktoru) je součástí každého spouštění po výměně paliva. Spouštěcí aparaturou je kontrolována míra podkritičnosti AZ odvozená ze signálů ionizačních komor: (1) kde n(t) – signál IK n0 – hodnota signálu IK na počátku experimentu ρ0 – počáteční podkritičnost Ci – hustota mateřských jader i-té skupiny zpožděných neutronů β, λi – podíl zpožděných neutronů a rozpadová konstanta pro i-tou skupinu mateřských jader Λ – střední doba života neutronů

45. Kauza „Podkritičnost“ - teorie Závislost převrácených četností na hmotnosti U-235 v aktivní zóně Zdroj neutronů (ZN) – je umístěn ve středu AZ 1,2– IKje umístěna příliš blízko k ZN 3 – IKje umístěna ve „správném“ místě 4 až 8 – IKje příliš daleko od ZN 8 – IKje umístěna v reflektoru

46. Kauza „Podkritičnost“ – co se stalo - příklad Očekávané chování

47. Kauza „Podkritičnost“ - vysvětlení • Protože se křivky z našich experimentů začaly chovat nelineárně, bylo možno učinit na základě teorie závěr, že IK je příliš blízko ke zdroji neutronů.Jestliže však uvážíme, že pozice IK jsou dány projektem reaktoru a chování podkritičnosti u mnoha předchozích vsázek bylo takřka ideální, lze dovodit, že se muselo stát něco se zdrojem neutronů. • ZN se musel přesunout k okraji AZ ! • Poslední palivové vsázky byly typu L3P, což znamená, že palivo na okraji AZ má vyšší vyhoření (tedy také vyšší obsah transuranů) než předchozí palivové vsázky. • Signál IK tedy obsahuje neutrony ze štěpné řetězové reakce, kterou sledujeme, a neutrony ze spontánního štěpení transuranů (tzv.nezávislý vnější zdroj neutronů). •  Je třeba najít korekci.

48. Kauza „Podkritičnost“ • Lze zavést korekci ve tvaru poměru • a rozdílu (=korekce signálu IK) Za předpokladu, že po dosazení dostaneme korekci, kterou odečteme od měřené hodnoty signálu IK a n*(t) dosadíme do rovnice (1)

49. Kauza „Podkritičnost“ – výsledek I s korekcí bez korekce

50. Kauza „Podkritičnost“ – výsledek II s korekcí bez korekce