Optimising boiling water reactor cores for PCI margins and load follow operation capability

Abstract

Prevailing circumstances in electricity markets have introduced more frequent non-baseload operation to the nuclear reactors of Finland. This master’s thesis discusses some of the factors and reactor physics phenomena surrounding and restricting the flexible operation related power manoeuvring of reactor cores. It includes three studies on potential venues for improvements to flexible operation capability of the two boiling water reactors, Olkiluoto 1 and 2, operated by Teollisuuden Voima, with an emphasised focus on Pellet-Cladding Interaction (PCI), which acts as a prominent reactor physics phenomenon restricting flexible operation. The studies are all performed in the offline calculation environment of the fuel and core calculations team of Teollisuuden Voima, utilising the nodal neutron diffusion core simulator SIMULATE5 in conjunction with other codes.

The first study evaluates the applicability of the reactor core operating manual instructions for power ascension back to full power after a period of load following operation. During the course of the study, issues in the current version are identified, alteration proposals to address said issues are formulated, and the alterations tested with the aim of guiding a future update of the manual. The second study investigates the PCI performance of two commercial fuel types, identifying limiting fuel rods, and altering the nuclear design of fuel bundles. As a result of the study, it is found that bundle design is a potential venue for PCI optimisation. The third and final study examines the potential of control rod sequence design as an enhancer of PCI performance, with the central finding that denser sequences with regard to position interval between control groups improve PCI margins during flexible operation at the cost of less favourable fuel economics during full power operation.

Vallitsevat sähkömarkkinaolosuhteet ovat tehneet perusvoimasta poikkeavan tuotannon Suomen ydinreaktoreilla yleisemmäksi. Tämä diplomityö käsittelee reaktorisydämien tehonsäätöön liittyviä ja sitä rajoittavia tekijöitä sekä reaktorifysikaalisia ilmiöitä. Se sisältää kolme tutkimusta, jotka käsittelevät kahden Teollisuuden Voiman kiehutusvesireaktorin, Olkiluoto 1 ja 2, tehonsäätökykyä mahdollisesti parantavia keinoja. Työssä keskitytään erityisesti PCI:hin, joka on merkittävä tehonsäätöä rajoittava reaktorifysikaalinen ilmiö. Tutkimukset suoritetaan Teollisuuden Voiman polttoainelaskenta ja reaktorivalvonta - organisaation offline-laskentaympäristössä, sydänsimulointiin SIMULATE5- nodaalidiffuusiokoodia sekä muita laskentakoodeja käyttäen.

Tutkimuksista ensimmäinen arvioi reaktorisydämen käyttöohjeen tehonnosto-ohjeen soveltuvuutta täydelle teholle palaamiseen kuormanseurantajakson jälkeen. Tutkimuksessa tunnistetaan ongelmia ohjeen nykyisessä versiossa, laaditaan niiden perusteella muutosehdotuksia, sekä arvioidaan niiden soveltuvuutta. Tutkimuksen tarkoituksena on ohjata ohjeen tulevaa päivitystä. Toisessa tutkimuksessa keskitytään kahden kaupallisen polttoainetyypin PCI-ominaisuuksiin, tunnistetaan rajoittavia polttoainesauvoja ja tehdään polttoainenippujen ydinsuunnittelumalliin muutoksia. Tulosten perusteella voidaan sanoa, että nippusuunnittelua voidaan optimoida PCI:n suhteen. Viimeinen, kolmas tutkimus tarkastelee säätösauvasekvenssin suunnittelulla saavutettavaa PCI-ominaisuusparannusta. Tutkimuksen keskeisenä tuloksena on, että tiheämmillä sekvensseillä, joissa säätävien ryhmien väliset asentovälit ovat pienemmät, saavutetaan parempia PCI-marginaaleja tehonsäädössä, täyden tehon ajolla heikentyvän polttoainetalouden kustannuksella.