Fuel performance modelling in the Loviisa nuclear power plant with TRANSURANUS

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis

Authors

Date

2014-08-19

Department

Major/Subject

Teknillinen fysiikka

Mcode

F3005

Degree programme

Teknillisen fysiikan ja matematiikan koulutusohjelma

Language

en

Pages

74+21

Series

Abstract

The Loviisa nuclear power plant consists of two VVER-440 units, which are Russian-type pressurized light water nuclear reactors. The basic operating and safety principles of LWRs apply to the Loviisa units. The compliance to safety regulations is shown with a number of measures which include computational methods. One of these methods is the analysis of the nuclear fuel rods with a fuel performance code. In this work, the behaviour of the VVER-440 rods in the Loviisa NPP is analysed with the fuel performance code TRANSURANUS. TRANSURANUS is implemented through the selection of input parameters and justification of physical calculation models, using the theoretical background of nuclear fuel behaviour as the basis. The characterization of the fuel rods through input values and physical models serves as preparation for the calculations, which are carried out for realistic operating histories, statistical cases and the linear heat rate limit. In proving that the operation of the fuel rods is safe and that the models are valid for the Loviisa reactors, the results of the calculations are analysed and attention focused on differences between TRANSURANUS output and prior results. In addition, the prediction of gas gap radioactivity is explored by implementing the ANS-5.4-2011 gaseous fission product release model. Lastly, suggestions for further TRANSURANUS analyses at Fortum are specified. This thesis reproduces the results which demonstrate that the operation of the Loviisa fuel rods is safe with regards to fuel performance. In realistic cases, the fuel temperatures stay at 1000 oC and below and in the statistically most extreme case at 1250 oC. Additionally, in all cases rod internal pressure is kept well below the coolant pressure and fission gas release fractions at their typically low levels of a few percent or less. The release fractions of radioactive gaseous fission products are very low, measured in thousandths, and correspond to prior results. The axial elongation of the fuel rods matches measurements well with a rate of ~0.1 %/10 MWd/kgU, while the radial creep still requires more analysis.

Loviisan ydinvoimala koostuu kahdesta VVER-440 -yksiköstä, jotka ovat venäläistyyppisiä painevesireaktoreita. Kevytvesireaktoreihin pätevät tavanomaiset käyttö- ja turvallisuusperiaatteet ovat voimassa myös Loviisan yksiköissä. Turvallisuusrajoissa pysyminen voidaan osoittaa eri keinoin, joihin lukeutuvat laskennalliset menetelmät. Eräs menetelmistä on laskenta polttoaineen käyttäytymistä mallintavan koodin avulla. Tässä työssä analysoidaan Loviisan VVER-440 -ydinpolttoainesauvojen käyttäytymistä TRANSURANUS-koodin avulla. TRANSURANUS-koodin käyttöönotto toteutetaan valitsemalla lähtöarvoparametreja sekä perustelemalla eri laskentamallien käyttöä. Valintaprosessissa lähtökohtana pidetään polttoainesauvojen teoreettista käyttäytymistä. Sauvojen kuvaaminen lähtöarvoilla ja laskentamalleilla luo pohjan polttoainelaskuille, joita tehdään realistisille käyttöhistorioille, tilastollisille tapauksille sekä lineaaritehorajan tapaukselle. TRANSURANUS-tuloksia analysoidaan keskittyen niiden ja aiempien tulosten eroihin sekä todistaen, että Loviisan polttoaineen käyttö on turvallista ja että laskentamallit pätevät Loviisan yksiköille. Lisäksi kaasurakoaktiivisuutta tutkitaan ottamalla käyttöön ANS-5.4-2011 -malli radioaktiivisten kaasumaisten fissiotuotteiden vapautumislaskuja varten. Lopuksi työssä eritellään mahdollisia sovelluskohteita TRANSURANUS-laskuille Fortumilla. Tässä työssä vahvistetaan tulokset, joiden mukaan Loviisan polttoaineen käyttö on turvallista sauvojen käyttäytymisen osalta. Realistisissa tapauksissa polttoaineen lämpötilat pysyvät 1000 oC:ssa ja sen alapuolella ja ääritapauksissakin alle 1250 oC:ssa. Lisäksi kaikissa tapauksissa sauvan sisäinen paine jää jäähdytteen painetta pienemmäksi ja fissiokaasujen vapautuminen tyypillisen matalalle muutaman prosentin tasolle ja sen alle. Radioaktiivisten kaasumaisten fissiotuotteiden vapautumisasteet ovat hyvin matalia, vain tuhannesosia, ja vastaavat aiempia tuloksia. Polttoaineen piteneminen vastaa myös mittaustuloksia kasvunopeudella ~0.1 %/10 MWd/kgU, joskin säteittäinen viruminen vaatii lisätutkimuksia.

Description

Supervisor

Tuomisto, Filip

Thesis advisor

Kekkonen, Laura

Keywords

TRANSURANUS, fuel performance analysis, VVER-440, nuclear fuel safety, ANS-5.4, polttoainelaskenta, ydinpolttoaineturvallisuus

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201408292531

Collections

[dipl] Perustieteiden korkeakoulu / SCI