Updated Control Rod Burnup Model in SIMULATE-3

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2013
Major/Subject
Ydin- ja energiatekniikka
Mcode
Tfy-56
Degree programme
Language
en
Pages
vii + 63
Series
Abstract
Control rods in a nuclear reactor have to be replaced if they reach their nuclearendoflife or crack. Both of these depend on the depletion of the control rod, which in turn is tracked by simulation codes. In this work the BWR control rod depletion tracking model of SIMULATE-3 (S3) was updated for TVO. The old S3 depletion tracking model (OS3) is based on the assumption that control rod depletion is more or less correlated with the energy produced in the adjacent fuel assemblies. The produced energy is then transformed to the absorber material depletion with a constant of unit %/GWd/tU. The updated depletion tracking model, the SF model, is based on modelling the reaction rates in the control rod absorber region. The effect of lattice design, prior depletion fraction of the control rod and void were taken into account in the reaction rates. This was achieved by means of a lattice code CASMO-4E. The OS3 and SF depletion tracking models were statistically and visually benchmarked to SIMULATE-5 (S5). The methodology of S5 is highly sophisticated and therefore its results were used for benchmarking. The comparison between the models revealed that the SF model is highly accurate and consistent with S5, except for the uppermost parts of the control rods. It is, however, unclear how accurate the S5 is in reality in the uppermost parts as the number of experimentally measured control rod depletions are very few and the upper part of a control rod has difficult neutronic phenomena from the modelling point of view. On the other hand it could be concluded that the OS3 model was inaccurate in many occurrences and its errors were found to increase with the newer control rod designs. In addition, the OS3 and SF models were used to determine depletion thresholds for control rod cracks. The assessment was based on the existing data of the cracked control rods in Olkiluoto 1 and Olkiluoto 2 reactors. The cracked rods are mainly older rod types and therefore both OS3 and SF predicted similar cracking thresholds. For example one control rod design was found to crack when its B-10 depletion reached 20% and by 40% depletion virtually every such rod had suffered from a crack.

Säätösauvat ydinreaktorissa tulee korvata uusilla mikäli ne saavuttavat niiden ydinteknisen käyttöiän tai säröilevät. Molemmat ovat verrannollisia säätösauvojen palamaan, jota seurataan reaktorisydämen simulointiohjelmistoilla. Tämän työn tarkoituksena oli päivittää kiehutusvesireaktoreiden säätösauvojen palamaseurantaan tarkoitettua SIMULATE-3 (S3) koodia TVO:lle. Vanha S3:n palamamalli (OS-3malli) perustuu oletukseen, että säätösauvojen palama korreloi sen vieressä sijaitsevien polttoainenippujen tuottaman energian kanssa. Tämä tuotettu energia muutetaan palamaksi yksinkertaisen vakion avulla, jonka yksikkö on %/GWd/tU. Päivitetty S3 palamamalli (SF-malli) perustuu reaktionopeuksien mallintamiseen säätösauvojen absorbaattorimateriaalissa. CASMO-4E hilakoodin avulla reaktionopeuksien laskemisessa pystyttiin ottamaan huomioon polttoaineen hilasuunnittelu, säätösauvojen aiempi palama sekä aukkoosuus. OS3- sekä SF-mallin tuloksia verrattiin SIMULATE-5 (S5) antamiin tuloksiin. S5:n mallinnus on monella tapaa hienostuneempi kuin kahdessa muussa vertailukoodissa, joten tämän työn puitteissa sen tuloksia pidettiin tarkkoina. Kolmen mallin välinen vertailu paljasti, että SF-malli on tarkka S5-malliin nähden pois lukien säätösauvojen kärjen alue. On kuitenkin hieman epäselvää, kuinka tarkka S5 on tässä tapauksessa. Tämä johtuu sekä kokeellisesti mitattujen palama-arvojen puutteesta että vaikeasti mallinnettavien ilmiöiden esiintymisestä tällä alueella. Toisaalta OS3:n tuloksista voitiin päätellä, että malli on epätarkka monessa tilanteessa ja virhe kasvaa uudempien säätösauvamallien kanssa. OS3- ja SF-mallia käytettiin myös säätösauvojen säröilyn ennustamiseen palaman funktiona. Säröilyaineisto perustui Olkiluoto 1 ja Olkiluoto 2 reaktoreista kerättyyn tietoon. Aineistosta käy ilmi, että säröilyä on havaittu ensisijaisesti vanhoissa säätösauvatyypeissä ja näin ollen molemmat palamamallit ennustivat konsistentteja palamarajoja niille. Eräälle säätösauvatyypille voitiin säröilyn todeta alkavan kun booripalama jossain sauvan kohdassa ylitti n. 20%. Lisäksi n. 40% palamalla käytännössä kaikki tämän tyyppiset sauvat olivat säröilleet.
Description
Supervisor
Salomaa, Rainer
Thesis advisor
Kumpula, Jussi
Ranta-aho, Anssu
Keywords
burnup, säätösauva, depletion, palama, control rod, SIMULATE, control rod cracking, säätösauvan säröily, IASCC
Other note
Citation