DCK.TCSI ÉRTEKEZÉS T É Z I S E I
KÖNNYŰ VÍZZEL MODERÁLT ATOMREAKTOROKBA*! URALKODÓ NEUTRON-ZAJ LOKÁLIS ÉS GLOBÁLIS KOMPONENSÉNEK ELMÉLETI VIZSGÁLATA KOSÁLY GYÖRGY
BUDAPEST 1576
TUDOMÁNYOS ELŐZMÉNYEK ÉS A FELADAT RÖVID ÖSSZEFOGLALÁSA
Az atomreaktorokban uralkodó neutron-zaj tanulmányozása több mint 30 éves múltra tekinthet vissza.
te
Az első évtizedekben a kutatók elsősorban a zéro-reaktorokban uralkodó u.n. nukleáris-zaj
problémáit vizsgál-
ták. Kutatásaik eredményeképpen egy sor zaj-analízisen
a-
H?
lapuló mérési módszer alakult k i , amelyek mindmáig nap mint nap felhasználásra kerülnek az egyes erőmüvek zéró'modelljeinek tanulmányozásánál. Az elmúlt évtizedben a figyelem egyre inkább a magas teljesítményen üzemelő erőmüvi zónákban uralkodó neutronzaj vizsgálata felé fordu]_. Az erömüvi zónákban a zéró-reaktorokban domináló nukleáris-zaj len
13
természetesen szintén je-
van, azonban a gyakorlatban mindig elhanyagolható. A
neutron-sürüség fluktuációját zajforrások
erőmüvekben u.n. technológiai
/forgalom-ingadozás,
elemek mechanikai rezgése/
fűtőelemek i l l .
szabályozó
a hűtőfolyadék forrása stb./ hoz-
zák l é t r e . Az erőmüvi zajvizsgálatok célja olyan eljárások kifejlesztése, amelyek segitségével a
fluxus-fluktuációjára
vonatkozó mérési eredményekből vissza lehet következtetni a rendszer egyes paramétereinek értékeire, i i l e t v e az esetleges szokatlan eredményekből előre lehet jelezni a rendszer üzemzavari á l l a p o t a i t .
/Zaj-diagnosztika./
Szemben a nukleáris-zaj
jelenségének matematikai le-
i r á s t kihívó tisztaságával az erőmüvekben uralkodó neutronzaj igen bonyolult jelenség. A bonyodalom legfőbb oka a szereplő zajforrások
nagy száma, nehezen azonosítható volta
továbbá az egyes zajforrások
mateira.tikai leírásának nehézsé-
ge. A jelenség bonyolultsága hosszú ideig távoltartotta az elméleti kutatókat a témakörtől, és pusztán empirikus közeledésmódot eredményezett.'
;
fc
m
- 2 -
8*
I I
k-s
A. körülbelül 1O éve megindult elméleti kutatások a legtöbb esetben - a vizsgálatok egyszerüsitése érdekében az erőmű zónájának un. pontkinetikus modelljét használták. Ebben a modellben a neutron-zajt létrehozó perturbációk hatásukat nem közvetlenül fejtik ki, hanem egy, az egész zóna állapotát jellemző paraméter, a reaktivitás aktuális értékét befolyásolják. A reaktivitás ingadozása az után ahhoz vezet, hogy a neutron-fluxus az egész reaktorban azonos fázisban fluktuál. Az persze régóta ismeretes, hogy nagyméretű erőmüvi zónákban a pontkinetikus közelités nem mindig ad kielégitö eredményeket és ezért a reaktorkinetikában ma már magasabbrendü, un. térfüggő modelleket is használnak. Ezen közelitések kiindulópontja azonban mindig a pontkinetikus közelités, a magasabbrendü közelítéseit voltaképpen csak ezt a modellt korrigálják. 1973-ban több kutató végzett in-core méréseket különböző forralóvizes erőmüvekben azonos radiális ámde különböző axiális pozicióban elhelyezett neutron detektorokkal. A mérésekből kiderült, hogy a detektorok jeleinek nagyfrekvenciás komponense közti fáziskülönbség megfelel annak az időnek, amely ahhoz szükséges, hogy a zónában terjedő gőz az alsó detektortól a felsőig érjen. Ezen vizsgálatok szerint mód van a zóna helyi termohidraulikai viszonyainak neutron detektorokkal történő tanulmányozására. A fenti eredmény elméleti jelentőségét megértjük, ha meggondoljuk, hogy az teljesen összeegyeztethetetlen az erőmű pontkinetikus modelljével. A pontkinetikus közelités nem tűr meg semmiféle transzport-időnek megfelelő fáziskülönbséget a neutron detektorok jelei közt. A pantkinetikus koncepción alapuló térfüggö modellek ugyan elvileg csszeegyeztethetSek egy ilyen fáziskülönbséggel, a gyakorlatban azonban soha nem adtak ilyenről szánot. Elméleti szempontból további problémát jelentett az
- 3-
axiálisan elhelyezett neutron-detektorok jeleinek keresztspektrumában jelentkező különös szerkezet /v.ö. az értekezés 5. ábrájával/, amelynek eredete teljesen megmagyarázhatatlannak tűnt. Az értekezés zömmel már publikált elméleti munkáról számol be. A kutatómunka első fázisában munkatársaimmal olyan elméleti apparátust kívántunk kidolgozni, amely alkalmas a forralóvizes reaktorokban végzett in-core mérések interpretációjára, és ennek érdekében ad hoc feltevésekkel dolgozó fenomenológikus modellt alkottunk. A fenomenológikus modell alapfogalmainak egy része idegen volt az ortodox reaktorkinetika számára, bevezetésüket csak a kisérleti eredmények indokolták. Nem volt világos a modell érvényességi köre sem. A munka második fázisa a modell matematikai levezetése volt. Munkánkban a reaktorkinetika szokásos időfüggő alapegyenleteiből indultunk ki, és igy a levezetés révén a fenomenológikus modellt sikerült beillesztenünk a hagyományos reaktorkinetika gondolatkörébe. A levezetés eredményeképpen a modell finomodott, és tisztázódott alkalmazhatóságának köre is.
AZ ÉRTEKEZÉS ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEI ÍÍSí.
Az értekezés főbb uj tudományos eredményei a következők: 1/ Fenomenológikus modellt alkottunk a forralóvizes reaktorokban végzett in-core mérések interpretációjára. /Wach és Kosály, 1974/ A modell eredeti formájában nem vette tekintetbe a gőzsebesség helyfüggését. Ennek tekintetbevételét egy későbbi munkában, végeztük el. /Kosály, Maróti és Meskó, 1975/ A fenomenológikus modell szerint a neutron-zaj egy lo-
]
1
kális és egy globális komponensből tehető össze. A lokális komponens viselkedését egy adott helyen a gőztartalons helyi fluktuációja határozza meg, mig a globális komponens az egész zőnatérfogatbói gyűjti össze az őt meghatározó perturbációkat. A lokális komponens axiálisan gyorsan változik, és nagy frekvenciákra nyúlik el, a globális komponens lassan változik, és kis frekvenciákra korlátozódik. Néhány Hz alatt a globális komponens uralkodik. A modell alapján bebizonyítottuk, hogy a korrelációs sebességmérést a lokális komponens fellépte teszi lehetővé. Sikerrel interpretáltuk a neutron-zaj keresztspektrumának frekvencia-függésében fellépő szerkezetet. 2/ A termikus reaktorok kinetikájában érvényesnek elismert két-csoport diffúziós egyenleteket megoldva megadtam a termikus fluxus fluktuációjának az adott közelítésben pontos kifejezését, és a megoldásban rámutattam a fenomenclógikus elmélet lokális, illetve globális komponenseinek megfelelő tagokra. A levezetés során bevezettem a lokális effektus érzékenységi hosszának fogalmát, amelynek kiszámítására egyszerű formulát találtam. A formula alapján az érzékenységi hossz vizzel moderált zónában néhány centiméternek adódott, ami megfelel a lokális komponenssel kapcsolatos fizikai elvárásnak. A levezetésből nyilvánvalóvá vált, hogy lokális komponensről csak vizzel moderált reaktorokban lehet beszélni. /Kosály, 1975./ 3 '•&KKf / A lokális komponensre vonatkozó általános eredményeimet forralóvizes erőműre specializálva meghatároztam az axiálisan terjedő goztartalom fluktuáció által indukált neutron-zaj lokális komponensének matematikai alakját. Az elméleti kifejezés diszkussziója a kísérletekkel egyezően adott számot a lokális komponens erős térfűggéséről és magas levágás! frekvenciájáról./Kosály, 1975./
4/ A globális tag vizsgálata során érvényességi krité-
- 5riumot vezettem le a pontkinetikus közelítés alkalmazhatóságára vonatkozóan. Kiderült, hogy a közelítés nagyméretű erőmiivi zónákban a szokásas frekvenciákon nem alkalmazható a neutron-zaj jelenségek
leirására.
A ponckinetikus közelítés érvényességi kritériumát megadó analitikus kifejezés nem volt ismeretes az irodalomban. A közelítés érvényességét eddig numerikus és k í s é r l e t i utón vizsgálták. A pontkinetikus közelítéssel kapcsolatos
vizsgálata-
im szemléletükben i s erősen különböznek a korábbi kutatásoktól.
Az irodalomban mindig az egész fluxus időbeli
viselke-
déséről volt ugyanis szó, evvel szemben vizsgálataim eredményeképpen kiderült, hogy ez a közelítés még érvényessége esetén is csak a globális komponens leirására alkalmas. /Behringer, Kosály és Kostic, 1976/ 5/ Viszonylag egyszerű térfüggő módszert adtunk az erőmüvekben fellépő globális zajkomponens számítására. Eredményünket forralóvizes erőmüvekre alkalmazva sikerült számot adnunk a terjedő gőztartalom-ingadozás á l t a l indukált neutron-zaj globális komponensének lassú axiális változásáról és alacsony levágás! frekvenciájáról.
/Behringer, Kosály és Kostic, 1976/
6/ A lokális komponens fellépte a neutron-zajban uj lehetőségeket nyit meg a zaj-analízis
számára. Ha sikerül a lo-
kális komponenst a globálistól elválasztani, és külön megmérn i , lehetőség van a forralóvizes erőmüvek helyi termohidraulikai viszonyainak vizsgálatára neutron-detektorok segítségével. A lokális és globális komponens levágási
frekvenciái
közti nagyságrendi különbség miatt a lokális komponens rálása, egyszerű frekvencia-szűréssel
szepa-
megvalósítható. Az érte-
kezés ezen jelentős gyakorlati konzekvenciaju megállapítása az elméleti eredmények következménye. 7/ A kísérletekkel való közvetlen összehasonlítás kedvéért elméleti formulát vezettünk le a forralóvizes erőmü-
&S32^!^33H5^^^««FWÍ^^^I^.53%"W^^
- 6 -
vekben végbemenő lokális neutron-fluktuáció autó-spektrumára. Eredményünk birtokában módszert javasoltunk a lokális effektus érzékenységi hosszának kísérleti meghatározására. /Kosály és Meskó, 1976./ A würgasseni forralóvizes erőművön végzett mérések igazolták formulánk - és ezen keresztül egész modellünk - érvényét. Az érzékenységi hosszra vonatkozó kísérleti eredmények megfelelnek az elméleti várakozásnak.
AZ EREDMÉNYEK HASZNOSÍTÁSA Az értekezésben foglalt eredményeket a világon többhelyen hasznosítják a gőzsebesség és gőztartalom lokális értékeinek meghatározására forralóvizes erőmüvek zónájában. Az eredmények nyomottvizes erőmüvekre való alkalmazása jelenleg több kutatóintézetben folyamatban van. Siker esetén az eredmények szerephez juthatnak a nyoraottvizes erőmü-tipuson alapuló hazai atomenergia programban. Ami az adott diszciplína belső fejlődését illeti, az értekezés eredményei a zajtér térfüggését demonstráló legújabb kísérletek elméleti interpretációját szolgáltatják.
&*?re&$!™^
'
- 7 -
AZ ÉRTEKEZÉS ANYAGÁBÓL KÉSZÜLT PUBLIKÁCIÓK LISTÁJA Behringer K., Kosály Gy. and Kostic L. /1977/ "Theoretical Investigation of the Local and Global Components of the Neutron-Noise Field in a Boiling Water Reactor". Nuclear Science and Engineering 63_, 306 /1977/ Kosály Gy. /1975/ "Investigation of the Local Component of Power-Reactor Noise via Diffusion Theory", Report of the Central Research Institute for Physics KFKI-75-27 Kosály Gy., Maróti L. and Meskó L. /1975/ "A Simple Space Dependent Theory of the Neutron Noise in a Boiling Water Reactor", Annals of Nuclear Energy 2_, 313 Kosály Gy. and Meskó L. /1976/ "Theory of the Autospectrua of the Local Component of Fower-Reactor Noise", Annals of Nuclear Energy, 3_, 233 Wach D. and Kosály Gy. (1976/ "Investigation of the Joint Effect of Local and Global Driving Sources in Ir.ccre-neurron Measurements", Atoinkernenergie, 2_3, 2-i4.
m
^
Kiadja a Központi Fizikai Kutató Intézet Felelős kiadó: Gyimesy Zoltán Szakmai lektori Szatmári•Zoltán Példányszám: 420 --/ Törzsszám: 78-S82 Készült a KFKI sokszorositó üzemében Budapest, 1973. július hó
-**~
