Dynamisk modellering av kärnreaktor

UPTEC ES07 031 Examensarbete 30 hp December 2007 Dynamisk modellering av kärnreaktor Karin Gillgren

Abstract Dynamisk modellering av kärnreaktor Dynamic modelling of a nuclear reactor system Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box 536 751 21 Uppsala Telefon: 018 471 30 03 Telefax: 018 471 30 00 Hemsida: http://www.teknat.uu.se/student Karin Gillgren The purpose of this thesis has been to develop a tool for modelling and simulating the nuclear plant Ringhals 3. The model should be used to improve the knowledge on the dynamics of the plant. Ringhals 3 is being upgraded to produce more power and a tool for analyzing the new operating conditions is needed. The work in this thesis has consisted of improving and developing an existing model of Ringhals 3 made with the modelling tool Dymola. The model has been validated by comparing the results of a simulated house load transient with data from the actual plant. Validation shows good agreement with data from the real plant. However some differences in model and reality has been detected and has to be remembered when using the model for further analysis. After validation the input data of the model was updated for analyzing the new power level that will soon be implemented. The model was then used for simulating some interesting transients. The simulations show that Ringhals 3 with increased power production will most likely be able to perform a transition from full load to house load or one turbine load without causing a reactor trip even if the dump capacity is limited. If the dump capacity is entirely cut off a reactor trip would be actuated. Simulations also show that with new control settings the reactor can be run lower in coast down than what is made today and still manage a house load transient without tripping. Handledare: Magnus Holmgren, Ringhals AB Ämnesgranskare: Jan Blomgren, Uppsala Universitet Examinator: Ulla Tengblad, Uppsala Universitet ISSN: 1650-8300, UPTEC ES07 031

SAMMANFATTNING Arbetet som ligger till grund för denna rapport har gått ut på att simulera driften av kärnreaktorn Ringhals 3 för att därigenom utöka kunskapen om anläggningens dynamik. Vid Ringhals satsar man just nu flera miljarder kronor på arbete för att höja effekten vid de fyra reaktorblocken så att de kan producera mer el. Effekthöjningen vid Ringhals 3 sker i två steg, varav det första steget redan är utfört och det slutgiltiga steget kommer att genomföras någon gång under 2008. Med hjälp av dynamisk modellering kan reaktorns dynamik analyseras utan att reaktorns drift och säkerhet påverkas under tiden. På så vis kan nödvändig kunskap om reaktorns beteende i drift efter effekthöjningen införskaffas redan innan effekthöjningen genomförts. Examensarbetet har till största delen bestått av förbättring och vidareutveckling av en existerande modell skapad i modelleringsverktyget Dymola. Modellen har sedan validerats, det vill säga att simuleringsresultat från den modellerade reaktorn har jämförts med vad som händer i verkligheten. Detta gjordes genom en simulerad husturbinövergång (generatorerna tappar kontakten med det yttre elnätet och övergår till att enbart förse reaktoranläggningen med el internt) och resultaten från simuleringen jämfördes med lagrad driftdata från tre historiska driftstörningar av samma slag. Slutsatserna från valideringen blir att modellen överlag beskriver den verkliga anläggningen bra. Valideringen av modellen visar också på några punkter där verklighet och modell skiljer sig åt, vilket måste beaktas vid fortsatt simulering. Efter att modellen validerats ändrades en del inställningar så att den kunde användas för att simulera Ringhals 3:s nya effektnivå med ökad elproduktion. Reaktorns dynamik undersöktes närmare genom simulering av fyra olika driftstörningar; husturbinövergång med dumpbegränsning, husturbinövergång i coast down, test av Turbine Runback-skyddet samt enturbintripp med dumpbegränsning. Läs mer om dessa olika störningar nedan. Då reaktorn är i drift styrs generatorernas rotationshastighet av frekvensen i elnätet, normalt 50 Hz. När en husturbinövergång inträffar tappas som tidigare nämnts kontakten med elnätet, och det finns då inte längre något som styr generatorernas rotation. Det medför att turbinerna, som driver runt rotorn i generatorn, börjar accelerera okontrollerat. För att skydda turbinerna stängs inflödet till turbinerna så att ingen ånga kan passera förrän man fått kontroll över turbinens rotation igen. Under tiden som turbinerna är avstängda leds den heta ångan direkt till kondensorerna och kyls där till vatten. Detta sätt att leda ångan förbi turbinerna till kondensorn kallas att ångan dumpas. Vid en husturbinövergång med dumpbegränsning innebär det att dumpventilernas kapacitet begränsas så att all ånga inte kan gå till kondensorerna utan en del blir kvar i ångsystemet. Detta orsakar bland annat att trycket stiger i ångledningarna och att reaktorkylningen minskar. Reaktorn hålls normalt i drift trots att ingen eller bara lite el produceras, men om det t.ex. blir för varmt eller om trycket blir för högt i ledningarna kan den behöva snabbstoppas. Simuleringarna visar dock att anläggningen klarar en husturbinövergång utan att man behöver snabbstoppa ( trippa ) reaktorn, även då dumpningen är begränsad. Coast down innebär att bränslet är så utbränt att man inte längre kan få ut full effekt med styrstavarna fullt utdragna. För att få mer reaktivitet i bränslet sänker man temperaturen på kylvattnet. Bränslet laddas vanligen så att coast down-drift ska inledas ett par veckor innan revisionen som sker årligen, då anläggningen servas och bränslet delvis byts ut.

Husturbinövergången i coast down har simulerats för värsta scenariot, då medeltemperaturen i reaktorkylsystemet vid full drift är samma som temperaturen då reaktorn är stoppad och ingen el produceras. Problemet med liten skillnad i temperatur mellan full effekt och ingen effekt är att delar av reaktorns reglering styrs med hjälp av temperaturavvikelser i systemet. Ju mindre temperaturskillnader det handlar om, desto svårare blir det att reglera processen. I den verkliga anläggningen har man vid senaste revisionen infört ny reglering för coast down-drift, för att komma runt dessa problem. Simuleringar har här utförts både med och utan denna nya reglering, för att åskådliggöra de nya inställningarnas inverkan på processen. Resultaten visar att med den nya regleringen kan anläggningen i coast down-drift även i extremscenariot klara en husturbinövergång utan att reaktortripp aktiveras. Utan den nya regleringen trippar reaktorn. T-skyddet är ett av flera reaktorskydd som om det utlöses orsakar ett reaktorsnabbstopp. Skyddet består av två delar, övereffekt T (OP T) och övertemperatur T (OT T). Övereffektskyddet aktiveras om effektutvecklingen i härden per ytenhet blir för stor, i syfte att skydda bränslet så att det inte smälter. För att undvika att reaktorn trippar på grund av att något av T-skydden aktiveras finns ett skydd som ska gå in och styra ned turbineffekten innan det händer, det så kallade Turbine Runback-skyddet. När marginalerna till T-skydden krymper och når ett visst värde (ett för vardera T-skydden) slår det till och minskar ångflödet in till turbinerna. För att testa Turbine Runback-skyddet har en simulering gjorts där ett ångflöde ut ur ångsystemet plötsligt aktiverats, vilket skulle kunna ske t.ex. om en ventil felaktigt öppnar. När mer ånga tas ut kommer reaktorn att öka effekten eftersom kylvattnet blir kallare och reaktiviteten i bränslet ökar. Simuleringarna visar att Turbine Runbackskyddet i det här fallet räddar reaktorn från att trippa genom att minska ångflödet till turbinerna och därigenom signalera till reaktorn att sänka effekten. Den sista simulerade transienten, enturbintripp med dumpbegränsning, beskriver hur det ena turbinsystemet plötsligt stänger igen (trippar) och hur anläggningen därefter klarar av att ha det andra turbinsystemet i normal drift och låta överskottsångan dumpas till kondensorn. Resultaten visar att så länge åtminstone en del av överskottsångan kan dumpas kommer reaktorn att klara sig från tripp, men om dumpningen helt skärs av trippar reaktorn. Nedsatt dumpkapacitet kan t.ex. bero på att havsvattnet som används för att kyla kondensorerna är ovanligt varmt så att kondensorerna får svårt att kyla bort överskottsvärmen. Slutsatserna från arbetet blir att kärnreaktorn Ringhals 3 även med förhöjd effekt bör klara dessa simulerade driftstörningar utan att reaktortripp utlöses. En mindre begränsning av dumpkapaciteten påverkar nästan inte alls förmågan att hålla reaktorn igång under dessa driftstörningar. De förändringar i reaktorns reglersystem som införts för att klara en säkrare coast down-drift gör att reaktorn nu kan köras en betydligt längre tid i coast down än vad som görs idag.

FÖREKOMMANDE BEGREPP OCH FÖRKORTNINGAR BOC BWR Coast down Dump EOC HPPH HT-turbin LPPH LT-turbin LWR MWt MÖH OP T OT T PWR RCP RCS SI SLB T-medel Beginning of cycle, i början av bränslets livscykel Boiling water reactor, kokvattenreaktor Bränslet är så utbränt att full effekt inte längre kan upprätthållas med styrstavarna fullt utdragna och minimal borhalt i RCS. Temperaturen i reaktorn sänks för att på så sätt få upp reaktiviteten och möjliggöra bättre utbränning av bränslet. Ånga som leds direkt från ÅG till kondensorerna, utan att först gå genom turbinerna End of cycle, i slutet av bränslets livscykel High pressure pre-heater, värmeväxlare där ånga från HTturbinerna används till att förvärma matarvatten Högtrycksturbin, ånga passerar genom turbinen under högt tryck Low pressure pre-heater, värmeväxlare där ånga från LTturbinerna används till att förvärma matarvatten Lågtrycksturbin, ånga passerar genom turbinen under lågt tryck Light water reactor, lättvattenreaktor, vatten används både som kylmedel och moderator Mega Watt termisk, enhet för termisk effekt Mellanöverhettare, ångan från HT-turbinen värms innan den går in till LT-turbinerna Övereffekt T, skydd som ska förhindra att effektutvecklingen i härden blir för stor Övertemperatur T, skydd som ska förhindra att temperaturutvecklingen i härden blir för stor Pressurised water reactor, tryckvattenreaktor Reactor coolant pump, reaktorkylpump Reactor coolant system, reaktorkylsystemet Säkerhetsinsprutning, högkoncentrerat borerat vatten trycks in i reaktorn för att minska effektutvecklingen Steam line break, reaktorskydd som ska skydda reaktorn vid brott på ångledning Medeltemperatur i RCS

Turbine Runback ÅG Turbinneddragningar som görs för att skydda reaktorn från tripp på T-skydden Ånggenerator

INNEHÅLLSFÖRTECKNING 1 INLEDNING...3 1.1 BAKGRUND...3 1.2 SYFTE...3 1.3 GENOMFÖRANDE...3 2 RINGHALS KÄRNKRAFTVERK...4 2.1 OM RINGHALS...4 2.2 RINGHALS REAKTORBLOCK...4 2.2.1 Ringhals 1...4 2.2.2 Ringhals 2-4...5 3 TRYCKVATTENREAKTORNS KOMPONENTER...6 3.1 PRIMÄRSYSTEMET...6 3.1.1 Reaktortanken...6 3.1.2 Reaktorkylsystemet...7 3.1.3 Tryckhållaren...8 3.1.4 Ånggeneratorerna...8 3.2 SEKUNDÄRSYSTEMET...9 3.2.1 Ångsystemet...9 3.2.2 Turbinsystemet...10 3.2.3 Kondensorn...10 3.2.4 Kondensat- och matarvattensystemet...10 4 MODELLERING...11 4.1 INLEDNING...11 4.2 MODELICA...11 4.3 DYMOLA...11 5 BESKRIVNING AV MODELLEN...12 5.1 MODELLFUNKTIONER...12 5.2 KOMPONENTER...12 5.2.1 Reaktorn...12 5.2.2 Tryckhållaren...13 5.2.3 Ånggeneratorerna...13 5.2.4 Turbinsystemen...13 5.2.5 Kondensorerna...14 5.2.6 Kondensat- och matarvattensystemen...14 5.2.7 Reglersystemet...14 5.2.8 Förbättringar av modellen...14 6 VALIDERING AV MODELLEN...16 6.1 METOD...16 6.2 HUSTURBINÖVERGÅNG...16 6.3 RESULTAT...17 6.4 SLUTSATSER...25 7 SIMULERING AV TRANSIENTER...26 7.1 SYFTE...26 7.2 GENOMFÖRANDE...26 7.3 HUSTURBINÖVERGÅNG MED DUMPBEGRÄNSNING...26 7.3.1 Beskrivning av transienten...26 1

7.3.2 Resultat...26 7.3.3 Slutsatser...29 7.4 HUSTURBINÖVERGÅNG I COAST DOWN...30 7.4.1 Beskrivning av transienten...30 7.4.2 Resultat...30 7.4.3 Slutsatser...34 7.5 TEST AV TURBINE RUNBACK-SKYDDEN...34 7.5.1 Beskrivning av transienten...34 7.5.2 Resultat...35 7.5.3 Slutsatser...38 7.6 ENTURBINTRIPP MED DUMPBEGRÄNSNING...39 7.6.1 Beskrivning av transienten...39 7.6.2 Resultat...39 7.6.3 Slutsatser...43 8 DISKUSSION OCH SLUTSATSER...44 9 REFERENSER...45 2

1 INLEDNING 1.1 Bakgrund Ringhals genomgår just nu den största förvandlingen i svensk kärnkraftshistoria. Totalt investeras 13 miljarder kronor i rejält förnyade anläggningar och ökad elproduktion. Investeringsprogrammet inleddes 2002 och pågår fram till 2012. Ytterligare 12 miljarder beräknas investeras efter 2012. Satsningarna innebär en modernisering av tekniken, förbättrad säkerhet och bättre miljöegenskaper, och en ökad elproduktion. När investeringarna är genomförda kan Ringhals producera 4 TWh mer än idag. Det är ungefär lika mycket el som en stad av Göteborgs storlek använder på nio månader. Totalt handlar det om 300 olika projekt som tillsammans ska öka Ringhals elproduktion till 32 TWh årligen. [1] Ett av de största och mest långtgående effekthöjningsprojekten på Ringhals är GREAT, GRadual Energy Addition unit Three. Projektet startade med Ringhals 3, men omfattar numera också en planerad ombyggnad av turbinanläggningarna vid Ringhals 4. Effekthöjningen på Ringhals 3 sker i två steg. När alla tillstånd är klara kan reaktoreffekten höjas med 13 procent. Det ger en ökning av den elektriska effekten med drygt 155 MW el. [1] Inom kärnkraftsbranschen används modellering ofta som en hjälp vid analyser. Mycket av det som kan inträffa i reaktoranläggningen kan av förklarliga skäl inte testköras, som ofta görs inom industrin, då det skulle kunna orsaka så väl stor fara som mycket stora skador. Inkomstbortfallet orsakat av utebliven elproduktion växer snabbt till stora summor om en reaktor tvingas ha en eller båda sina generatorer bortkopplade från nätet. Därför är det viktigt att det finns dynamiska modeller som är så lika verkligheten som möjligt och som kan användas för att ge kunskap om hur anläggningen beter sig vid olika driftfall. 1.2 Syfte Syftet med arbetet som ligger till grund för den här rapporten var att ta fram ett verktyg för att simulera driften av kärnreaktorn Ringhals 3 och att genomföra simuleringar av olika transienter för att utöka kunskapen om anläggningens dynamik. 1.3 Genomförande En befintlig datormodell av Ringhals 3, skapad i modelleringsverktyget Dymola, har förbättrats och vidareutvecklats för att så bra som möjligt beskriva kärnreaktorn Ringhals 3 i drift. Modellen har validerats med hjälp av driftdata från den verkliga anläggningen och sedan uppgraderats till en högre effektnivå i enlighet med det effekthöjningsprogram som pågår på den verkliga anläggningen och som kommer att slutföras någon gång under år 2008. Modellen har därefter använts för att simulera några intressanta transienter och resultaten har analyserats med fokus på marginal till skydd samt jämförts med analyser utförda av reaktorleverantören Westinghouse. 3

2 RINGHALS KÄRNKRAFTVERK 2.1 Om Ringhals Ringhals ligger på västkusten, cirka sex mil söder om Göteborg, i Varbergs kommun. Ringhals ägs av Vattenfall (70,4 %) och E.ON (29,6 %). Ringhals kärnkraftverk (Figur 2-1) har fyra reaktorblock och är Sveriges största kärnkraftverk. Ringhals producerar årligen ca 20 % av all el som konsumeras i Sverige. Det första reaktorblocket vid Ringhals kärnkraftverk började byggas 1969. På Ringhals pågår just nu arbete med att uppgradera reaktoreffekten på Ringhals 3 och Ringhals 4. Ringhals 3 har höjt effekten ett steg och kommer att göra ytterligare en uppgradering till år 2008. Uppgraderingen av Ringhals 4 väntas pågå till år 2011. [1] Figur 2-1 Ringhals kärnkraftverk [1] 2.2 Ringhals reaktorblock 2.2.1 Ringhals 1 Ringhals 1 (R1) har reaktoreffekt på 2540 MW och nettoeffekt (turbineffekt) på 857 MW. R1 togs i kommersiell drift i januari 1976 och är en kokvattenreaktoranläggning (BWR). [1] I en BWR kokar reaktorvattnet av den energi som frigörs i reaktorhärden under fissionsprocessen. Den ånga som bildas leds direkt till turbinerna. Efter turbinerna kondenseras ångan och pumpas in i reaktortanken igen (se förenklad bild av huvudprocessen i Figur 2-2 nedan). Reaktortanken är placerad i en reaktorinneslutning; ett tryckupptagande och gastätt utrymme som också fungerar som strålskydd. Inneslutningens uppgift är att motstå det övertryck som kan uppstå vid haveri och att stänga inne klyvningsprodukter så att inte radioaktivitet sprids till omgivningen under ett haveri. [2] Figur 2-2 Förenklad bild av huvudprocessen i en BWR 4

2.2.2 Ringhals 2-4 Ringhals 2 (R2) har reaktoreffekt 2652 MW och nettoeffekt på 867 MW el. R2 var första reaktorn vid Ringhals som togs i kommersiell drift, i maj 1975. Ringhals 3 (R3) är det största blocket med 2992 MW reaktoreffekt (3135 efter uppgradering) och 1040 MW el nettoeffekt. Ringhals 4 (R4) har reaktoreffekt 2775 MW (samma som R3 före effekthöjningen) och nettoeffekt 907 MW el. R3 och R4 togs i kommersiell drift 1981 respektive 1983. Samtliga reaktorblocken har reaktorer av typen tryckvattenreaktor (PWR). [1] I tryckvattenreaktorn sker ingen kokning i reaktortanken utan ångproduktionen sker istället i stora värmeväxlare, ånggeneratorer (ÅG). Detta medför att i en PWR är ångan inte radioaktiv eftersom ångan inte kommer i kontakt med vattnet som cirkuleras genom reaktorn. För att ingen ångbildning ska ske i reaktorn är reaktortrycket mer än dubbelt så högt i en PWR som i en BWR. Reaktorinneslutningen hos en PWR-anläggning är betydligt större än hos en BWR, för att den ska rymma utöver reaktortanken, även ånggeneratorerna och tryckhållaren. [2] Figur 2-3 visar en förenklad bild av huvudprocessen i en PWR. Dess komponenter beskrivs mer ingående i kapitel 3. Figur 2-3 Förenklad bild av huvudprocessen i en PWR 5

3 TRYCKVATTENREAKTORNS KOMPONENTER 3.1 Primärsystemet Figur 3-1 Primärsystemets uppbyggnad [4] 3.1.1 Reaktortanken Figur 3-1 ovan visar en förenklad bild av primärsystemet i en PWR där reaktortanken är i centrum och förser tre identiska ånggeneratorer med hett vatten. Alla svenska kärnkraftverk är av typen lättvattenreaktorer (LWR), vilket innebär att vatten används både som kylmedel och moderator. Figur 3-2 nedan visar reaktortankens uppbyggnad. Reaktortanken innehåller härden och härdens bärande konstruktion. Reaktorhärden består av ett stort antal bränslestavar, där urandioxid formats till små cylindriska kutsar och förpackats i 4 m långa rör som är igenpluggade i ändarna så att de blir helt täta. Bränslet omges av moderatorn, i detta fall alltså vatten. När kärnklyvning sker frigörs neutroner med hög energi. För att öka sannolikheten att dessa neutroner orsakar fortsatta kärnklyvningar måste de bromsas ned, vilket är moderatorns roll. Vatten är en bra moderator eftersom det innehåller många lätta vätekärnor. För att reglera reaktoreffekten krävs en absorbator som absorberar neutroner och därmed styr fissionsraten. I en PWR finns två typer av absorbatorer; styrstavar och borlösning i moderatorn. Styrstavarna används till att reglera reaktoreffekten genom att de förs in i eller dras ut ur härden. Styrstavarna manövreras med en innesluten drivmekanism monterad i reaktortanklocket. Fördelen med att styrstavarna går in i härden uppifrån är att stavarna alltid kan släppas ned i härden och stoppa reaktorn om det behövs. Borlösning kan också blandas i moderatorn för att styra reaktoreffekten. I en PWR är borhalten högst i början av driftcykeln och minskas (filtreras bort) allteftersom mängden klyvbart material i bränslet minskar. I en BWR är det inte möjligt att använda löst bor för normal effektreglering, då boret skulle fälla ut över bränslet när kylvattnet kokar och stoppa klyvningsprocessen. 6

Figur 3-2 Reaktortankens uppbyggnad [4] Härden i en PWR har naturligt stabila effektregleregenskaper. Om belastningen på turbingeneratorn ökar, kommer värmeuttaget på ånggeneratorernas sekundärsida att öka och temperaturen på primärsidan sjunker, vilket innebär att moderatortemperaturen sjunker. Den lägre moderatortemperaturen höjer kylvattnets densitet så att det blir fler vätekärnor per volymenhet. Det medför en ökning av reaktiviteten. Reaktoranläggningen är utrustad med ett antal reglerfunktioner/skydd som skall borga för att reaktoreffekt hålls inom föreskrivna gränser. Om dessa regler/skyddsfunktioner inte skulle klara att hålla reaktor inom dessa gränser, t.ex. i samband med bortfall av bägge turbinerna, utlöses snabbstopp av reaktorn vilket innebär att styrstavarna släpp in i härden som snabbt tar ner effekten reaktorn trippar. Det finns även händelser då det inte räcker med att styrstavar släpps in i reaktorn, t.ex. vid ett ångledningsbrott. Denna typ av mycket ovanlig händelse kräver, utöver styrstavsinskjutning, att högkoncentrerat borerat vatten trycks in i reaktorn för att minska effektutvecklingen på ett snabbt sätt. Det kallas att säkerhetsinsprutning (SI) initieras. 3.1.2 Reaktorkylsystemet Reaktorkylsystemet (RCS) består av tre identiska värmeöverföringsloopar som är parallellt anslutna till reaktortanken. Varje loop består av en reaktorkylpump (RCP) och en ånggenerator (ÅG). Dessutom innehåller systemet en tryckhållare som är ansluten på loop 2, en avblåsningstank, anslutande rörledningar och nödvändig instrumentering för kontroll och styrning av systemet. Röranslutningen från reaktortanken till ÅG kallas varma benet, röret mellan ÅG och RCP mellanbenet och från RCP till reaktortanken kalla benet. Varma benet bär vatten vid en temperatur runt 320 C. Efter att vattnet avgett sin värme i ÅG är det ca 285 C. En viktig parameter i reaktorn är T-medel som beräknas enligt följande: T medel T kalla benet 2 T varma benet 7

Kylvattnet kommer in i reaktortanken via inloppsrör och strömmar nedåt på båda sidor om det termiska skyddet i området mellan moderatortank och reaktortank. Det vänder i botten och strömmar upp genom härden jämnt fördelat. Efter att ha passerat härden leds kylvattnet ut genom utloppsrör. Alla in- och utloppsrör är belägna ovanför härdens övre kant i händelse av rörbrott i kylkretsen. För att vattnet inte ska börja koka är systemet trycksatt till ett tryck över mättnadstryck vid fullasttemperatur i varma benet. En extra säkerhetsmarginal finns också för att tillåta högre temperaturer vid laständringar etc. Vid normala driftförhållanden råder 154,1 bar övertryck. 3.1.3 Tryckhållaren Tryckhållarens uppgift är att reglera reaktortrycket och undvika att störande tryckvariationer uppstår i ledningarna när temperaturen i RC-systemet varierar. Tryckhållaren består av en tank som under stabil drift är fylld till ca 50 % med vatten och resterande 50 % ånga. I botten av tryckhållaren sitter en expansionsledning som förbinder tryckhållaren med det varma benet på RC-loop 2. När trycket i RCsystemet blir för högt pressas RC-vatten in i tryckhållaren. Det förhöjda trycket gör att ånga i tryckhållaren kondenseras till vatten. Eftersom vatten tar mindre plats än ånga så sänks trycket i tanken. Tryckhållarens tryck och nivå mäts och regleras noggrant för att rätt förhållanden i tryckhållaren ska kunna upprätthållas. Elektriska värmare i botten av tryckhållaren håller vattnet vid mättnadstemperatur och ser till att inte trycket blir för lågt. Vid högt tryck sprayas vatten från kalla benet in i tanken. Vid kraftiga trycktransienter finns luftmanövrerade avblåsningsventiler som leder ånga från tryckhållaren till en avblåsningstank, där ångan kondenseras. Konstant nivå i tryckhållaren är väldigt svårt att upprätthålla när temperaturen i RC-systemet förändras, så istället regleras nivån utifrån ett nivåprogram som beror av T-medel. Differensen mellan nivåns ärvärde och börvärde går till en PID-regulator som reglerar hur mycket vatten som tillförs RC-systemet samtidigt som ett flöde med konstant storlek hela tiden tappas av. 3.1.4 Ånggeneratorerna Ånggeneratorerna är stora värmeväxlare där värmen som bildats i reaktorhärden överförs från primärsystemet till sekundärsystemet. Vattnet från RC-kretsens varma ben leds i tuber genom ånggeneratorn och värmen överförs genom tubväggen till matarvattnet på sekundärsidan. Eftersom trycket är lägre i sekundärsystemet förångas det uppvärmda vattnet. Den bildade ångan avfuktas och leds sedan ut i ångsystemet. Figur 3-3 nedan visar ånggeneratorns uppbyggnad. 8

Figur 3-3 Ånggeneratorns uppbyggnad [4] 3.2 Sekundärsystemet Figur 3-4 Sekundärsystemets uppbyggnad [3] 3.2.1 Ångsystemet Figur 3-4 ovan visar en förenklad bild av sekundärsystemet i en PWR. Ångsystemet leder ångflödet från ÅG till högtrycksturbinerna och mellanöverhettarna, samt till kondensorerna vid dumpning. Ångsystemet består i själva verket av tre ångledningar, en från varje ÅG, som möts i den gemensamma 9

ångsamlingslådan. Från ångsamlingslådan utgår två huvudångledningar, en till respektive turbinsträng. Ångledningarna går även till kondensorn, för att ånga ska kunna dumpas till kondensorn vid snabbstopp och vissa andra driftfall. 3.2.2 Turbinsystemet Turbinsystemets uppgift är att omvandla ångans termiska energi till mekaniskt arbete för drivning av generatorn, och att genom avtappningssystemet förvärma matarvattnet innan det går in i ÅG. Turbinsystemet har två turbinsträngar. Varje turbinsträng består av en högtrycksturbin (HT-turbin), tre lågtrycksturbiner (LT-turbiner), en generator och en matare (se Figur 3-4 ovan). När ångan går in till HTturbinen är den av god kvalitet. Efter HT-turbinen har ångtrycket sjunkit och fukthalten ökat. Fuktavskiljare och mellanöverhettare (MÖH) skiljer bort fukten och överhettar ångan innan den förs vidare till lågtrycksturbinerna. Fuktavskiljningen och överhettningen minskar risken för erosionsskador på turbinbladen och höjer anläggningens verkningsgrad. När ångan passerar turbinen minskar trycket och volymen ökar. Ett kilo av ångan som leds till HTturbinen har volymen 30 liter. Efter LT-turbinerna har volymen ökat till 30 m 3. Det skulle behövas en enormt stor turbin för att ta hand om denna expansion, och det är därför konstruktionen består av en HT-turbin och tre LT-turbiner. Före HT-turbinen har ångan en temperatur på ca 280 C och ångtryck strax under 6 MPa. Efter LT-turbinerna har temperaturen sjunkit till ca 30 C och trycket till drygt 5 kpa. 3.2.3 Kondensorn Kondensorns huvuduppgifter är att kondensera turbinens avloppsånga och dumpånga. Kondensorn är en värmeväxlare där värmen leds bort med havsvatten som pumpas genom ett stort antal tuber. Den kondenserade ångan, kondensatet, samlas i botten av kondensorn. Vid kondenseringen minskar ångans volym och blir ca 35 000 gånger mindre. Detta skapar ett undertryck i kondensorn. Skillnaden i ångtryck före och efter turbinerna ökar och ångans energiinnehåll utnyttjas då bättre. En PWRanläggning har två identiska kondensorer, en till varje ång-/matarvattenkrets. 3.2.4 Kondensat- och matarvattensystemet Kondensat- och matarvattensystemets uppgift är att förvärma, trycksätta och transportera kondensatet/matarvattnet från kondensorn till ÅG. Kondensatet pumpas från kondensorerna med kondensatpumpar, normalt två pumpar i drift och en i reserv. Efter pumparna finns en kondensatreningsanläggning där upp till 50 % av kondensatet kan renas. Vid normal drift behövs dock ingen rening. Vid låg last avleds kondensat för att kyla LT-turbinhusen, och en del kondensat avleds också till spärrsystemet där det används för tätning i pumpar och ventiler. Kondensatet förvärms i två identiska strängar, där en sträng består av dränagekylare samt fyra lågtrycksförvärmare i serie. Förvärmningen sker med avtappningsånga från LT-turbinerna. Efter LTförvärmarna samlas de båda kondensatsträngarna i en gemensam ledning och delas sedan upp i tre delar som var och en ansluter till en matarvattenpump. Normalt är två matarvattenpumpar i drift och den tredje hålls som reserv. Matarvattenpumparna är varvtalsstyrda centrifugalpumpar. Varvtalsstyrningen har till uppgift att dels hålla ett lagom differenstryck över reglerventilerna för ÅG, dels att hålla kondensornivåerna lika i båda kondensorerna. Efter matarvattenpumparna går matarvattenledningarna samman till en gemensam ledning för att sedan delas upp på två förvärmarsträngar. Vardera strängen innehåller två förvärmare där ånga som avtappats från HT-turbinen används för att förvärma matarvattnet ytterligare ett steg. Efter HT-förvärmningen går matarvattenledningarna återigen samman för att i matarvattenlådan delas upp på tre matarvattenloopar som för matarvatten till de tre ÅG. Kondensat- och matarvattensystemets utseende och placering i sekundärsystemet syns i Figur 3-4. 10

4 MODELLERING 4.1 Inledning På Ringhals har tidigare en modell av R3 utvecklats för att beskriva specifika transienter. I detta examensarbete har modellen förbättrats för att kunna beskriva ytterligare ett antal drifttransienter. Modellen är skapad i modelleringsverktyget Dymola som bygger på programmeringsspråket Modelica. 4.2 Modelica Modelica är ett fritt tillgängligt objektorienterat programmerings- och modelleringsspråk skapat för modellering av stora, komplexa och inhomogena fysikaliska system. [6] Exempel på system där Modelica passar bra är t.ex. system som innehåller mekaniska, elektriska, elektroniska, hydrauliska eller termiska beståndsdelar. Ideella Modelica Association ligger bakom utveckling och marknadsföring av modelleringsspråket. Modelica har många likheter med objektorienterade programmeringsspråk som C++ och Java, men skiljer sig på två viktiga punkter. För det första är Modelica ett modelleringsspråk och inte ett programmeringsspråk. Det finns flera simuleringsverktyg som hanterar Modelicamodeller, i det här fallet har Dymola använts. Läs mer om Dymola i avsnitt 4.3 nedan. Den andra skillnaden mellan Modelica och vanliga programmeringsspråk ligger i ekvationerna. I t.ex. Java beskriver en ekvation en uppgift, ett kommando. I Modelica fokuseras istället på likheten. Ekvationerna bildar ekvationssystem. Ekvationerna kan skrivas utan inbördes ordning, då Modelicakompilatorn själv avgör vilka parametrar som är givna och vilka som måste beräknas. 4.3 Dymola Dymola är ett objektorienterat modellerings- och simuleringsverktyg som tillhandahålls av Dynasim AB i Lund. [7] Dymola är ett grafiskt gränssnitt som möjliggör modellering och simulering samt presentation av simuleringsresultaten i grafisk form. Programmeringsspråket som används är Modelica, se avsnitt 4.2 ovan. I Dymola finns ett Modelicabibliotek med ett stort utbud av färdiga klasser som får användas och ändras fritt. Med hjälp av dessa klasser kan mer komplexa modeller enkelt skapas genom drag & drop -metoden. Simuleringsresultaten sparas som MAT-filer, datafiler som kan öppnas i MATLAB. MAT-filerna kan också laddas i Dymola för grafisk presentation, och det finns också möjlighet att plotta flera sparade MAT-filer i samma fönster i Dymola. 11

5 BESKRIVNING AV MODELLEN 5.1 Modellfunktioner Modellens grunduppgift är att modellera reaktorsidan av Ringhals 3 och att beskriva vad som händer vid olika transienter. Tack vare Dymolas välutvecklade möjligheter att presentera simuleringsresultaten kan händelseförloppet i varje ingående komponent noggrant följas för att säkerställa att anläggningen klarar av de händelser som kan förekomma. Modellen av R3 som använts i detta projekt skapades ursprungligen 2004 och utvecklades vidare av en annan examensarbetare våren 2006. [8] Efter det arbetet föreslogs flera förbättringar på modellen som nu har genomförts. Bland annat har tryckhållarnivåreglering och matarvattenpumpreglering förbättrats och några skyddssystem har lagts till. Den tidigare modellen hade heller ingen kondensor, denna hade förenklats kraftigt, men vid en del transienter spelar kondensorn en stor roll och därför har en särskild kondensormodell skapats och infogats i huvudmodellen. Figur 5-1 nedan visar huvudmodellen som används för att modellera och simulera R3. Varje komponent med streckad ram är en undermodell. Blå låda i modellen är en ingång för flöde till en undermodell, vit låda är ett utflöde. De olika undermodellerna kopplas samman genom anslutningar som dras mellan utgångar och ingångar. Lila lådor är bussar där reglersignaler som inte är konkreta flöden skickas. Blå linjer symboliserar vatten- eller ångflöden. Rödstreckade linjer innebär signalledningar. Figur 5-1 Översikt över modellen 5.2 Komponenter 5.2.1 Reaktorn Modellens reaktor innehåller en reaktorhärdmodell och tre identiska värmeöverföringsloopar parallellt anslutna till reaktortanken (Figur 5-2 nedan). Härdmodellen kan beskrivas som en punktkinetisk modell; det vill säga att härden beskrivs som en punkt (endimensionellt istället för tredimensionellt). Reaktortanken är modellerad som ett rör med värmeöverföring. Röret är indelat i mindre, idealt omblandade volymer. Energiflödet från härden till kylvattnet är jämnt fördelat över reaktortanken. Reaktoreffekten bestäms av kylvattnets densitet, styrstavarnas läge (som i sin tur regleras baserat på impulskammartryck, neutronflöde och T-medel) samt Dopplereffekten (U-238 får förbättrad neutroninfångningsförmåga när temperaturen ökar, pga. breddad resonanstopp). 12

Figur 5-2 Reaktormodellen De tre RC-looparnas varma ben representeras av tre rör. Rörens längder är beräknade så att volymerna ska bli rätt. Reaktorblocket innehåller också tre stycken RC-pumpar placerade efter respektive kalla ben, men de har ingen volym i modellen och dess volymer har därför lagts till på de kalla benen. Det är viktigt för modellens korrekthet att den totala RCS-volymen blir rätt och att delvolymerna fördelas ungefär rätt i systemet. Därför har volymer i reaktortanken, före och efter härden, placerats i kalla respektive varma benen. Från kalla benet på loop 2 tappas vatten av som sprayas in i tryckhållaren. 5.2.2 Tryckhållaren Tryckhållarmodellen är inkopplad mellan reaktormodellen och ÅG-2. Tryckhållaren innehåller en tvåfastank som under stabil drift är till ca 50 % fylld med vatten och resterande 50 % är ånga. Tryckhållarens tryck och vattennivå mäts och regleras för att rätt förhållande mellan vattenvolym och ångvolym ska kunna upprätthållas. För nivåregleringen tappas 5 kg vatten/s av från systemet samtidigt som ett flöde på 2-10 kg/s förs in i systemet. Hur mycket som tillförs beror på hur nivån står i förhållande till referensvärdet och regleras med hjälp av en PID-regulator. Tryckhållarmodellen innehåller också en sprayledning och en avblåsningstank som används för tryckreglering. 5.2.3 Ånggeneratorerna Modellen har tre identiska ånggeneratormodeller. Här överförs värmen till sekundärsystemet. I ÅGmodellen beskrivs värmeöverföringen och självcirkulationen i ånggeneratorerna. ÅG-modellen har också ett hjälpmatarvattensystem. 5.2.4 Turbinsystemen Modellen har två identiska turbinsystem. Ångan från de tre ånggeneratorerna leds ihop till ett flöde, och delas sedan på två så att hälften av ångan går till turbinsystem 1 och häften till turbinsystem 2. Turbinsystemmodellen innehåller inga modeller av turbiner utan endast randvärden. Modellen bestämmer hur mycket ånga som går till kondensorn från turbinerna samt hur mycket som dumpas direkt till kondensorn. Flödena till turbin respektive dump kan begränsas med hjälp av ventiler. 13

5.2.5 Kondensorerna Modellen har två identiska kondensorer. Här kommer ånga in från turbiner och/eller dump och kyls med hjälp av havsvatten. Värmeöverföringen sker tvärströms genom ett antal värmeöverföringselement för att representera hur havsvattnet gradvis värms upp i kontakt med den värmeöverförande ytan i tuberna. 5.2.6 Kondensat- och matarvattensystemen Modellen har två identiska kondensat- och matarvattensystem. Kondensatpumpar pumpar ut vattnet ur kondensorn. Kondensatet värms därefter i två steg. Matarvattenpumparna som sköter cirkulationen i matarvattensystemet regleras utifrån tryckskillnad över ÅG-reglerventilerna och nivåskillnad i kondensorerna. Vid dumpning tappas kondensatvatten av för att kyla dumpångan. Ett vattenflöde motsvarande fuktavskiljningen och det ånguttag från turbinerna som används till mellanöverhettning och förvärmning av kondensatet i högtrycksförvärmarna är anslutet till huvudmatarvattenledningen efter lågtrycksförvärmarna. Figur 5-3 Matarvattensystemet 5.2.7 Reglersystemet I reglersystemet finns alla komponenter för reglering. Regleringen är modellerad som en exakt kopia av den verkliga regleringen. En reaktorregleringsmodell bestämmer styrstavarnas hastighet och ger ev. signal om dumpning av ånga. Annat som regleras är matarvattenpumparnas varvtal, matarvattenventilernas öppningsgrad och tryckhållarens tryck och nivå. Reglersystemmodellen innehåller också inställningar för skydd och möjlighet att programmera in händelseförlopp vid olika transienter. 5.2.8 Förbättringar av modellen Följande förändringar har gjorts i den tidigare modellen: - Förbättrad tryckhållarnivåreglering - Mer korrekt fördelning av vattenvolymerna i RCS - En kondensormodell har skapats och införts i huvudmodellen - SLB-skydd (Steam Line Break) och Turbine Runback-skydd har infogats - Matarvattenpumpregleringen har kompletterats med kondensornivåbalansering 14

- Speciell dumpreglering för Coast Down-drift har införts - Speciella toppmodeller för husturbinövergång, lastramp, enturbintripp samt test av Turbine Runback-skydden har skapats 15

6 VALIDERING AV MODELLEN 6.1 Metod För att verifiera att R3-modellen beskriver den verkliga anläggningen tillräckligt bra för att kunna användas som ett verktyg vid manöverbarhetsanalys har simuleringsresultat från modellen vid husturbinövergång jämförts med driftdata från några verkliga husturbinövergångar. Mätdata från de tidpunkter då anläggningen råkat ut för HT-övergång har hämtats från programmet Aspen Process Explorer. Med hjälp av det programmet kan alla mätdata för Ringhals reaktorer hämtas på ett smidigt sätt genom att välja mätsignal och ange tidsintervall. Mätdataserien kan sedan kopieras in i t.ex. Excel och plottas i samma program eller i MATLAB. Valideringsresultaten har här plottats i MATLAB för bästa grafiska presentation. Det är förstås önskvärt att datormodellen av Ringhals 3 är så lik verkligheten som möjligt, men i vissa fall går det inte att få modellen att bete sig exakt som den verkliga anläggningen eftersom modellen är en förenklad bild av verkligheten. Dock går det även då resultaten avviker att göra antaganden om hur den verkliga reaktorn kommer att bete sig, genom att vid validering studera hur mycket som skiljer mätdata och simuleringsresultat åt. Det viktigaste för att kunna göra en korrekt jämförelse är att det som händer, t.ex. tryck- eller nivåökningar, kommer samtidigt i tiden i både modell och mätdata. 6.2 Husturbinövergång Husturbinövergång sker när generatorerna tappar förbindelsen med det yttre elnätet. Den plötsliga lastminskningen får turbinerna att accelerera. För att skydda turbinsystemet stängs ventilerna till högtrycksturbinen och ångan dumpas till kondensorn. Turbinfrekvensregulatorn reglerar sedan in turbinerna till normalt varvtal genom att öppna ventilen till högtrycksturbinen ca 5-7 % så att anläggningen kan förses med den el som förbrukas internt. När turbinerna accelererar ökar generatorns frekvens. Den ökade frekvensen på elnätet påverkar RCpumparna så att RC-flödet ökar. När kylflödet ökar minskar temperaturen i reaktorn och reaktoreffekten stiger initialt, för att sedan minska när impulskammartrycket i turbinerna minskar och styrstavarna skjuts in i härden med full fart. När ventilerna till högtrycksturbinerna stängs, ca 0,35 s efter att HT-övergången påbörjas, stiger trycket i ÅG. Temperaturen i ÅG ökar, och följaktligen blir det också varmare i RC-systemet. Temperaturökningen i RCS får nivån och trycket i tryckhållaren att öka och hjälper även till att minska effekten på reaktorn. Impulskammartrycket i turbinerna sätts i modellens reglersystem och består av turbinernas sammanlagda tryck i procent av dess nominella värde. I Figur 6-1 nedan visas hur impulskammartryckssignalen ser ut vid husturbinövergången. Det har inte gjorts några försök att beskriva oscillationerna hos de uppmätta impulskammartryckssignalerna vilka beror på turbinens varvtalsreglering (turbinen är som tidigare nämnts inte modellerad i modellen). 16

Figur 6-1 Impulskammartryck 6.3 Resultat Figur 6-2 Reaktoreffekt Modellen beskriver reaktoreffekten bra, vilket syns i Figur 6-2. Det hade varit önskvärt att bättre kunna beskriva effekttoppen som kommer direkt vid HT-övergången, men detta har ej kunnat åstadkommas. Reaktoreffekten beror i modellen av kylvattnets temperatur och styrstavarnas läge. Modellen beskriver som väntat också styrstavarnas läge (Figur 6-3) och T-medel (Figur 6-4) på ett bra sätt. 17

Figur 6-3 Styrstavsläge När impulskammartrycket i turbinerna sjunker minskar referensvärdet till T-medel. Styrstavarna börjar då skjutas in i härden med en hastighet proportionell mot skillnaden mellan referensvärdet och aktuellt värde för T-medel. Figur 6-4 T-medel Också temperaturen i varma benet beskrivs väl, vilket indikerar att reaktormodellen är väl implementerad (Figur 6-5). 18

Figur 6-5 Temperatur i varma benet När turbinventilerna stänger ökar trycket i ÅG kraftigt samtidigt som nivån sjunker. Det leder till att temperaturen i primärsystemet initialt ökar eftersom kylningen i ÅG minskar. När dumpventilerna öppnas återupptas kylningen av ÅG och temperaturen sjunker åter. Figur 6-6 nedan visar hur temperaturen i RC-kretsarnas kalla ben förändras efter HT-övergången. Den initiala uppgången i temperatur beskrivs bra. Ungefär 50 s efter HT-övergången sjunker temperaturen kraftigt. Modellen lyckas inte beskriva denna nedgång speciellt bra, simuleringsresultaten avviker från mätdata med ca 2 C. Kalla benets temperatur är känslig för trycket i ÅG. Figur 6-6 Temperatur i kalla benet 19

Figur 6-7 Dumpbehov När impulskammartrycket sjunker aktiveras dumpen. Till att börja med hålls dumpventilerna fullt öppna för att sedan gradvis stängas när T-medel - och därmed också ångflödet - minskar. Simuleringsresultatet stämmer bra med data (Figur 6-7). Figur 6-8 Tryck i tryckhållaren Trycket i tryckhållaren, och därmed i hela RC-systemet, beskrivs hjälpligt men inte helt korrekt (Figur 6-8). Den initiala tryckökningen är ca 40 % lägre vid simulering än vid mättillfällena, och trycket sjunker sedan flera bar lägre än mätdata innan det återigen börjar stiga runt 75 s. Trots relativt stora avvikelser från mätdata är marginalerna till reaktortripp goda. Att modellen överdriver tryckökningar och tryckfall är inget stort problem så länge den beter sig ungefär likadant som den riktiga anläggningen, det vill säga att variationer kommer ungefär samtidigt i tiden och går i samma riktning. I de fall då valideringen visar på större tryckökningar/tryckfall etc. vid verkliga transienter än vid simulering är det viktigt att detta noteras då det finns risk att sådana avvikelser kommer igen vid senare simuleringar. Modellen kan då antyda att reaktorn klarar en transient väl, medan den verkliga anläggningen som i det här fallet upplever en tryckökning som är nästan dubbelt så stor som förväntats. 20

Figur 6-9 Nivå i tryckhållaren Trots att modellen fått förbättrad tryckhållarnivåreglering visar den en tendens att överdriva både toppar och dippar i nivån vid snabba förändringar (Figur 6-9 ovan). Det är dock aldrig någon risk för reaktortripp orsakad av för hög tryckhållarnivå, vilket inträffar om vattennivån överskrider 70 % av mätområdet. Figur 6-10 Tryck i ÅG Trycket i ÅG beskrivs bra av modellen. Simuleringen ger inte samma initiala topp som vid HTövergången 2005, men stämmer bra med de andra tillfällena. Runt 50 s syns en ganska djup dipp i trycket som inte beskrivs helt exakt av modellen. Överlag ser det bra ut (Figur 6-10 ovan). 21

Figur 6-11 Nivå i ÅG Efter HT-övergången stiger trycket snabbt i ÅG vilket syntes i Figur 6-12. Detta leder till voidkollaps i ÅG, ångbubblorna i vatten/ångblandningen pressas samman och vattennivån minskar. När reaktoreffekten minskar sjunker nivån i ÅG tills nivåregleringen tvingar upp den igen. (Figur 6-11) Ånggeneratorernas nivå beskrivs nöjaktigt men inte helt bra i modellen. Det är lite oklart vad detta beror på, då de flesta andra parametrar rörande ÅG beskrivs bra. När nivån sjunker kraftigt, efter ca 50 s, blir nivåminskningen ca 40 % större i den verkliga anläggningen än vid simulering. Detta måste beaktas vid fortsatt simulering, att nivån vid nivåminskningar i verkligheten kan gå lägre än vad simuleringsresultat visar. Figur 6-12 Ångflöde ut ur ÅG Ångflödet från ÅG stämmer mycket bra med uppmätta data, se Figur 6-12 ovan. Det initialt drastiskt minskade ångflödet beror på att dumpventilerna ännu inte hunnit öppnas. När dumpventilerna öppnar ökar ångflödet igen. Med tiden minskar ångflödet eftersom reaktoreffekten minskar. 22

Figur 6-13 Matarvattenflöde in i ÅG Matarvattenflödet in till ÅG stämmer bra med verkligheten fram till ca 100 s efter HT-övergången. Mellan 100 och 200 s sjunker flödet snabbare enligt mätdata än vad simuleringsresultaten visar. Efter 200 s överensstämmer kurvorna bra igen (Figur 6-13). Figur 6-14 Varvtal matarvattenpumparna Figur 6-14 visar matarvattenpumparnas varvtal på matarvattenstråk 1. Simuleringsresultatet stämmer bra överens med mätdata fram till ca 110 s efter transienten. Därefter ligger varvtalet något högt fram till ca 230 s. 23

Figur 6-15 Tryck i kondensorn Figur 6-15 visar trycket i kondensorerna. Det som syns är att trycket genomgående ligger för lågt i förhållande till de verkliga driftdata. Högst troligt är att kondensorns värmeöverföringstal i modellen är för högt, dvs. att kylningen i modellen är för effektiv jämfört med i den riktiga anläggningen. Havsvattentemperatur påverkar också kurvans utseende, dock inte i lika hög grad. I valideringskörningen är havsvattentemperaturen satt till 10 C. Lägre havsvattentemperatur ger en lägre pik efter HT-övergången enligt modellen. Vid HT-övergången i januari 2005 var emellertid havsvattentemperaturen endast 8 C och i juli 2002 hela 17 C, och tryckkurvorna för dessa två tillfällen följer varandra mycket bra. Figur 6-16 Nivå i kondensorn Nivåförändringen i kondensorn efter HT-övergång enligt Figur 6-16 ovan ser vid första anblicken inte så bra ut, men vid närmare kontroll avslöjas att det är något genomgående fel i mätdata. Den stora dippen i nivå ett par sekunder efter HT-övergången går nämligen inte att få då kondensatpumparna omöjligt kan pumpa ut så mycket vatten så snabbt. Vad som orsakat felmätningarna är ej klarlagt men troligt är att tryckändringarna i kondensorn stör nivåmätningen som sker genom differenstrycksmätning. 24

6.4 Slutsatser I det stora hela beskriver modellen den verkliga anläggningen bra. Tryckhållarens tryck och nivå avviker en del från mätdata, trots förbättrad nivåreglering. RC-systemets volymer kan förmodligen beskrivas och fördelas mer exakt och därigenom ge bättre tryckhållarförhållanden. Kondensormodellen är ganska enkelt konstruerad och verkar ha ett något för högt värmeöverföringstal. Kondensormodellen är inte tillräckligt bra för att ge trovärdiga resultat vid vissa transienter där kondensorns kapacitet sätts på prov, t.ex. husturbinövergång med hög temperatur på havsvattnet. Inför simulering av en sådan transient behöver kondensormodellen utvecklas för att påfrestningar på kondensorn i den verkliga anläggningen ska kunna bedömas. Vad som bör beaktas vid fortsatt användning av modellen är att tryckökningar i RCS riskerar att bli större i verkligheten än vad modellen visar, samt att nivån i ÅG vid nivåminskning riskerar att gå lägre i den verkliga anläggningen än vad simuleringar visar. 25

7 SIMULERING AV TRANSIENTER 7.1 Syfte Syftet är att ge en bättre förståelse för anläggningens dynamik och hur anläggningens förmåga att klara olika drifttransienter påverkas av olika driftförhållanden. 7.2 Genomförande Samtliga transienter har simulerats med modellen inställd på 3144 MW termisk effekt (3135 MW reaktoreffekt samt 9 MW effekt från RC-pumparna), förutom husturbinövergången i coast down (se avsnitt 7.4 nedan). Vid valideringskörningen var modellen inställd på BOC, beginning of cycle, syftande på att bränslet var relativt nytt och mer reaktivt än i slutet av dess livscykel. Denna inställning valdes eftersom den stämde bäst överens med mätdata. Vid analys av det nya effektläget har modellen istället varit inställd på EOC ( end of cycle ) eftersom det ger mer extrema resultat och således är av större intresse då marginalerna till reaktorskydden minskar. 7.3 Husturbinövergång med dumpbegränsning 7.3.1 Beskrivning av transienten Husturbinövergång för det nya effektläget har simulerats i två olika körningar, en körning där allting fungerar som det ska och en körning med 20 % dumpbegränsning. Dumpbegränsning kan inträffa t.ex. när havsvattnet som används för att kyla kondensorn är så varmt att trycket i kondensorerna skulle bli för högt om all ånga gick till dumpen. Dumpbegränsning innebär att mängden ånga som kan dumpas till kondensorerna begränsas. Vid 20 % begränsning kommer således dumpventilerna endast kunna öppnas till 80 %. 7.3.2 Resultat Initialt ökar trycket i ÅG då ångflödet till turbinerna skärs av, se Figur 7-1. I fallet med dumpbegränsning öppnas sedan dumpventilerna till endast 80 %, vilket får trycket att öka ytterligare en bit. Vid för högt tryck i ÅG öppnas avblåsningsventiler, men marginalen till avblåsning är stor för bägge transienterna. Kurvan över ÅG-tryck med full dumpkapacitet är mycket lik motsvarande kurva från valideringskörningen. Den högre effektnivån ser inte ut att påverka ÅG-trycket mycket alls. Figur 7-1 Tryck i ÅG 26

Figur 7-2 Nivå i ÅG Nivån i ÅG sjunker initialt pga. voidkollaps samt att tryckökningen gör det tungt för matarvattenpumparna att pumpa in vatten i ÅG (Figur 7-2). Tryckökningen är som redan nämnts större vid dumpbegränsning och helt i linje med detta sjunker ÅG-nivån i det fallet också snabbare. Ca 100 s efter HT-övergången har skillnaderna i nivå mellan de olika transienterna utjämnats helt. Figur 7-3 T-medel T-medel, medeltemperaturen i RCS ökar initialt pga. tryckökningen i ÅG. Temperaturen stiger mer då dumpbegränsning råder, eftersom trycket ökar mer i ÅG. (Figur 7-3) Figur 7-4 Reaktoreffekt 27