Development of an automatic loading pattern optimization tool for Loviisa VVER-440 reactors

Abstract

In-core nuclear fuel management involves determining the optimal fuel arrangement of hundreds of fuel assemblies in the reactor core. It is very significant from an economic and safety point of view. As an optimization problem, however, it is a very difficult problem due to the complicated physics and the huge search space. The problem has been widely researched over the past decades. Recently, the focus has been on stochastic search routines due to the increased computational capacity. Despite the significant efforts, a definitive solution has not been found.

This thesis describes the development of an automatic loading pattern optimization tool called ALPOT especially designed for Loviisa VVER-440 reactors. The code utilizes three different optimization methods. The first method is the imitation of the equilibrium pattern that is the optimized pattern in case the cycle length and the operation conditions are constant and the same shuffling pattern is repeated from cycle to cycle. The imitation provides initial patterns for the guided binary search and the burnup kernel method. The former is a modified version of the standard binary search. The latter utilizes burnup kernel functions to estimate burnup variations that are required to achieve desired changes. Moreover, the user can modify these methods with several optimization options, which makes ALPOT a versatile optimization tool.

The performance of ALPOT was tested and validated extensively. It is able to find feasible loading patterns even in minutes and full optimization takes a couple of hours. The quality of the found patterns is equal or better compared to the manually designed loading patterns. Furthermore, the structure of the code makes adding new stochastic search routines rather easy, which helps with the possible future development.

Ydinpolttoainetalouteen kuuluu optimaalisen järjestyksen määrittäminen reaktorissa sadoille polttoainenipuille. Se on hyvin merkittävä asia sekä laitoksen talouden että turvallisuuden kannalta. Optimointiongelmana se on kuitenkin hyvin haastava, koska laskenta vaatii monimutkaisen fysikaalisen mallin ja optimointiavaruus on valtava johtuen nippujen suuresta määrästä. Ongelmaa on tutkittu laajasti kirjallisuudessa viime vuosikymmenien aikana. Tietokoneiden laskentakapasiteetin kasvettua painopiste on siirtynyt yhä vahvemmin stokastisiin optimointimenetelmiin..

Tämä työ kuvaa automaattisen optimointityökalun ALPOT kehitystä. Se on erityisesti suunniteltu Loviisan VVER-440-tyypin reaktoreille. Koodi hyödyntää kolmea erilaista optimointimenetelmää. Ensimmäinen imitoi tasapainolatauksen käyttövuosijakaumaa. Tasapainolataus on optimoitu lataus tilanteessa, jossa jakson pituus ja olosuhteet pysyvät jatkuvasti vakioina ja sama nippujen siirtokaavio toistuu jokaisen jakson jälkeen. Imitointialgoritmi tarjoaa alkulatauksia kahdelle muulle optimointimenetelmälle, jotka ovat ohjattu binäärihaku ja palamakernelimenetelmä. Näistä ensimmäinen on muokattu versio normaalista binäärihausta. Jälkimmäinen puolestaan hyödyntää eräänlaisia kernelifunktioita, joiden avulla voidaan arvioida haluttuihin muutoksiin vaadittavia palamamuutoksia.

Työssä ALPOT-koodin suorituskyky testattiin ja validoitiin. Käytännössä koodi pystyy hakemaan toteutuskelpoisia latauksia muutamassa minuutissa ja lopullinen optimointi vie aikaa pari tuntia. Löydettyjen latauksien laatu on yleensä jopa parempi verrattuna normaalisti suunnitteluinsinöörin tekemiin latauksiin. Lisäksi koodin rakenne mahdollistaa uusien optimointimenetelmien lisäämisen melko vaivattomasti, mikä auttaa mahdollisessa jatkokehityksessä.