Reaktoridynamiikkakoodit ja niiden laskentamenetelmät
Marttila, Jaakko (2022)
Kandidaatintyö
2022
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022042029701
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022042029701
Tiivistelmä
Työssä käsitellään maailmalla kehitettyjä ja käytössä olevia reaktoridynamiikkakoodeja ja niiden laskentamenetelmiä. Dynamiikkakoodeilla mallinnetaan ydinreaktorin käyttäytymistä transienttitilanteissa, joihin kuuluvat reaktorin ylös- ja alasajo sekä häiriö- ja onnettomuustilanteet.
Työssä käydään ensin läpi ketjureaktion käyttäytymistä kuvaava reaktorin kasvutekijä, sekä polttoaineen palama ja sen koostumuksen muuttuminen käyttöjakson aikana. Tästä edetään reaktorin säädön kannalta oleellisiin käsitteisiin, kuten sen mahdollistaviin viivästyneisiin neutroneihin ja lämpötilanmuutosten johdosta ilmeneviin tehon takaisinkytkentöihin.
Reaktoridynamiikka koostuu erikseen neutronien vuorovaikutuksia käsittelevästä kinetiikasta, ja materiaalien ja jäähdytteen ominaisuuksia mallintavasta termohydrauliikasta. Termohydrauliikan avulla mahdollistetaan takaisinkytkentöjen huomioiminen mallinnuksessa.
Kinetiikka perustuu Boltzmannin yhtälöön ja siitä johdettuihin yksinkertaistuksiin. Ratkaisulle on kaksi päähaaraa, deterministiset ja stokastiset menetelmät. Deterministiset menetelmät perustuvat Boltzmannin yhtälön numeeriseen ratkaisuun diskretisointien ja yksinkertaistuksien avulla. Stokastiset, eli tilastolliset menetelmät ovat vasta hiljattain otettu mukaan dynamiikan mallintamiseen tietokoneiden laskentatehon lisääntyessä. Aikaisemmin dynamiikkamallinnus toteutettiin yksinomaan deterministisillä menetelmillä, ja edelleen hyvin monet koodit pohjatuvat näihin.
Termohydrauliikka perustuu erikseen polttoainesauvan lämmönsiirtoon ja jäähdytteen aineen- ja lämmönsiirtoon. Jäähdytteen termodynaamisten ominaisuuksien mallintaminen toteutetaan säilymisyhtälöiden avulla.
Työssä käydään läpi useampi reaktoridynamiikkakoodi, osa koodeista on suurempien reaktorifysiikkakoodipakettien osia, toiset puhtaita dynamiikkakoodeja, ja loput yhdistelmiä erillisistä kinetiikka- ja termohydrauliikkakoodeista.
Työssä havaittiin suurimman osan käytännön koodeista hyödyntävän determinististä menetelmää, jossa tilavuutta käsitellään nodaalimenetelmällä, neutronien energia on jaettu hitaiden ja nopeiden neutronien ryhmiin ja kulmariippuvuus on poistettu diffuusioteorian avulla.
Työssä käydään ensin läpi ketjureaktion käyttäytymistä kuvaava reaktorin kasvutekijä, sekä polttoaineen palama ja sen koostumuksen muuttuminen käyttöjakson aikana. Tästä edetään reaktorin säädön kannalta oleellisiin käsitteisiin, kuten sen mahdollistaviin viivästyneisiin neutroneihin ja lämpötilanmuutosten johdosta ilmeneviin tehon takaisinkytkentöihin.
Reaktoridynamiikka koostuu erikseen neutronien vuorovaikutuksia käsittelevästä kinetiikasta, ja materiaalien ja jäähdytteen ominaisuuksia mallintavasta termohydrauliikasta. Termohydrauliikan avulla mahdollistetaan takaisinkytkentöjen huomioiminen mallinnuksessa.
Kinetiikka perustuu Boltzmannin yhtälöön ja siitä johdettuihin yksinkertaistuksiin. Ratkaisulle on kaksi päähaaraa, deterministiset ja stokastiset menetelmät. Deterministiset menetelmät perustuvat Boltzmannin yhtälön numeeriseen ratkaisuun diskretisointien ja yksinkertaistuksien avulla. Stokastiset, eli tilastolliset menetelmät ovat vasta hiljattain otettu mukaan dynamiikan mallintamiseen tietokoneiden laskentatehon lisääntyessä. Aikaisemmin dynamiikkamallinnus toteutettiin yksinomaan deterministisillä menetelmillä, ja edelleen hyvin monet koodit pohjatuvat näihin.
Termohydrauliikka perustuu erikseen polttoainesauvan lämmönsiirtoon ja jäähdytteen aineen- ja lämmönsiirtoon. Jäähdytteen termodynaamisten ominaisuuksien mallintaminen toteutetaan säilymisyhtälöiden avulla.
Työssä käydään läpi useampi reaktoridynamiikkakoodi, osa koodeista on suurempien reaktorifysiikkakoodipakettien osia, toiset puhtaita dynamiikkakoodeja, ja loput yhdistelmiä erillisistä kinetiikka- ja termohydrauliikkakoodeista.
Työssä havaittiin suurimman osan käytännön koodeista hyödyntävän determinististä menetelmää, jossa tilavuutta käsitellään nodaalimenetelmällä, neutronien energia on jaettu hitaiden ja nopeiden neutronien ryhmiin ja kulmariippuvuus on poistettu diffuusioteorian avulla.