VÝCHODISÁ ÁVRHU METODIY JADROVEJ BEZPEČOSTI OTAJEROV VYHORETÉHO PALIVA THE METHODOLOGY PROPOSAL BASIS OF SPET FUEL COTAIERS UCLEAR SAFETY Ptr SCHREIBER, Pavol TAUŠA, Pavol VAŽA, Miroslav BOŽI Autori: Pracoviská: Adrsy: E-mail: Doc. Ing. Ptr Schribr, CSc., Doc. Ing. Pavol Tanuška, PhD., Doc. Ing. Pavol Važan, PhD., Ing. Miroslav Božik Ústav aplikovanj informatiky, automatizáci a matmatiky, Matriálovotchnologická fakulta STU, Paulínska 6, 97 24 Trnava ptr.schribr@stuba.sk, pavol.tanuska@stuba.sk, pavl.vazan@stuba.sk, miroslav.bozik@javys.sk Abstract V článku opisujm aktuálny stav v prukazovaní radiačnj bzpčnosti kontajnrov na prpravu vyhortého paliva a súčasn rámcovo navrhujm altrnatívny spôsob pr toto prukazovani. Altrnatíva spočíva v urční radiačnj bzpčnosti kontajnra na základ fyzikálno-tplných výpočtov z namraných údajov. Tnto spôsob vyplynul z požiadavik Úradu jadrového dozoru na duplicitné prukazovani a ovrovani vštkých paramtrov, ktoré vplývajú na spoľahlivosť a bzpčnosť systémov používaných v jadrovj nrgtik. Mtodika j prdmtom rišnia projktu APVV-0308-07, rišného v spolupráci MTF STU (zastúpnj UIAM) a VUJE a.s. Trnava. A dscription of an actual status of documntation of nuclar safty of containrs for burnd-down ful transport is givn in this articl. An altrnativ fram for this documntation is givn at th sam tim, too. Th altrnativ consists of physical-thrmal computations of containr nuclar safty from masurd data. This mthod has rsultd from uclar Rgulatory of Slovak Rpublic rquirmnts. Th organization rquirs th duplicat proving of all rliability and safty paramtrs of systms usd in nuclar powr nginring. Th suggstd mthodic is a topic of an APVV-0308-07 projct, solvd in co-opration of MTF STU (rprsntd by Institut of Applid Informatics, Automation and Mathmatics) and Rsarch Institut of Powr Plants (VUJE), joint stock company Trnava. kontajnr, vyhorté jadrové palivo, bzpčnosť containr, spnt nuclar ful, safty y words
Úvod V mdzinárodných a slovnských lgislatívnych dokumntoch (Th IAEA Safty Standards Sris TS-R-, Zákon o mirovom využívaní jadrovj nrgi č. 54/2004, Vyhláška ÚJD č. 57/2006 o požiadavkách pri prprav rádioaktívnych matriálov a iné) sú okrm iného stanovné aj podminky pr používani kontajnrov vyhortého jadrového paliva (VJP). Sú dfinované paramtr, ktoré j potrbné sldovať a prukázatľn dokladovať. Limitné a bzpčnostné paramtr kontajnrov sú stanovované analýzami a výpočtami. Použité postupy, mtódy a programy vychádzajú z výkonových (jadrovo-fyzikálnych) pomrov a sú schválné komptntnými inštitúciami. Prvádzkovatľom prpravných zariadní j JAVYS, a.s. Snahou prvádzkovatľa j vrifikovať z pohľadu bzpčnosti rozhodujúc paramtr obalov na základ mraní a altrnatívnych výpočtov. Prdmtom tohto článku j náčrt mtodiky, ktorá umožní ovriť prsnosť výpočtových jadrovo-fyzikálnych postupov na určni zostatkového výkonu VJP prpravovaného v kontajnroch. Mtodika j založná na vytvorní matmatického modlu kontajnra ako tplnj sústavy. Po namraní rlvantných vličín na kontajnri bud pomocou modlu možné určiť zostatkový výkon aj na základ fyzikálno-tplných výpočtov a tým vrifikovať dotraz používanú mtodiku. Tchnické rišni kontajnra Súčasný stav a základ rozhodnutia vlády SR o privatizácii Slovnských lktrární, a.s., rozhodnutiach FM SR a po splnní vštkých podminok. apríla 2006 prvzala spoločnosť JAVYS zodpovdnosť za prvádzkovani jadrovj lktrárn V-, vyraďovani jadrových zariadní, nakladani s rádioaktívnymi odpadmi a vyhorným jadrovým palivom. a prpravu vyhortého jadrového paliva pr palivo VVER-440 boli určné obalové súbory (kontajnry) C-30. ontajnr j určný pr transport a manipuláciu so zásobníkmi vyhorných kazit. Pr JAVYS, tda vlastníka a prvádzkovatľa kontajnrov sú stanovné podminky ich používania. JAVYS v súčasnosti disponuj 4 kontajnrmi typu C-30. Tlso kontajnra j charaktrizované masívnym tvarom s vonkajším axiálnym rbrovaním v tvar uzavrtj valcovj nádoby (bližší opis v []). Hmotnosť prázdnho kontajnra ( s vkom a tiniacou doskou) 67 300 kg Hmotnosť vka 5 500 kg Hmotnosť plného kontajnra (VJP + voda): - so zásobníkom Z -48 84 600 kg - so zásobníkom T-2 80 260 kg - so zásobníkom T-3 (8 pal. kazit) 79 50 kg Clková výška kontajnra bz záchytnj hlavic vka 4 267 mm Clková výška kontajnra so záchytnou hlavicou vka 4 367 mm Vonkajší primr 2 500 mm Vnútorný primr 475 mm 2
Vnútorný objm 6 000 l Maximálny prvádzkový tlak 0,7 Mpa Skúšobný tlak,05 Mpa Prvádzková tplota -40 až 00 C Transportná a skladovacia poloha kontajnra a P vrtikálna Obr.. ontajnr vyhortého paliva C-30 Transportný kontajnr C-30 sa používa na prpravu palivových kazit VVER-440 uložných buď v kompaktnom zásobníku Z-48 albo v zásobníku T-2, rsp. ntsných kazit v zásobníku T-3. ompaktný zásobník Z-48 môž obsahovať maximáln 48 palivových kazit. azty pozostávajú z prútikov tvorných tabltami UO 2 a povlakom zo zirkóniovj zliatiny a sú v zásobníku usporiadané do trojuholníkovj mrižky. Hmotnosť uránu v kazt nsmi prkročiť 22,7 kg, čo j hodnota použitá pri prukazovaní bzpčnosti kontajnra voči kritičnosti. Z dôvodov dodržania hraničných tplôt nsmi clkový zostatkový výkon prvážaného paliva prkročiť 24 kw, pričom výkon každj kazty musí byť nižší ako 605 W. Splnni norim na dávkové príkony žiarnia zasa vyžaduj, aby clková intnzita zdrojov nutrónov bola nižšia ako 7,95.0 9 nutrónov/s a zdrojov gama-žiarnia nižšia ako,65.0 7 fotónov/s. Únik rádioaktivity z kontajnra nprvýši dovolné hodnoty, ak clková aktivita prvážaného paliva nprsiahn 2,35.0 7 Bq. 3
Zásobník T-2 môž obsahovať maximáln 30 palivových kazit raktora VVER-440, rovnakých ako v prdchádzajúcom prípad. Clkové hodnoty výkonu a aktivity paliva sú taktiž rovnaké. Zásobník T-3 môž obsahovať maximáln 8 hrmtických puzdir, z ktorých každé obsahuj kaztu VVER-440. Vzhľadom na podobnosť konštrukci a mnší počt prpravovaných kazit hodnoty pr zásobník T-2 platia aj pr zásobník T-3. Výpočty fyzikálnych paramtrov ávrhové hodnoty fyzikálnych paramtrov invntára kontajnra C30 s kompaktným zásobníkom Z-48 albo so zásobníkom T-2 sú dosiahnutľné po určitom čas od skončnia ožarovania paliva v raktor. Vyhorné kazty sa po odstavní bloku vyvzú z aktívnj zóny raktora bazénov skladovania, kd prbiha ich postupné dochladzovani. Súčasn s poklsom zostatkového výkonu dochádza aj k znižovaniu intnzity zdrojov žiarnia i aktivity štipnych produktov v paliv. Z dôvodov obmdznj kapacity bazénov skladovania j maximálna doba dochladzovania paliva limitovaná v závislosti od produkci paliva v jdnotlivých kampaniach raktora. Tnto počt s rastúcim obohatním paliva klsá a tým sa maximálna doba dochladzovania prdlžuj. Analýzy vykonané pr palivo súčasnj konštrukci ukázali, ž jdnotlivým obohatniam zodpovdajú nasldujúc maximáln doby pobytu kazit v bazénoch skladovania: 3,6 % - 4 roky, 4,0 % - 4,5 roka, 4,4 % - 5 rokov. Východiskové údaj Pri výpočtoch fyzikálnych paramtrov invntára sa vychádzalo z prdpokladu, ž strdné vyhorni kazit 50 MWd/kgU sa dosiahn pobytom paliva v raktor počas 5 kampaní s jdnotnou dĺžkou 290 fktívnych dní a maximálnym vyhorním kazty 55 MWd/kgU. Počiatočné obohatni paliva sa uvažovalo 4,4 %. Pri výpočtoch globálnych hodnôt charaktrizujúcich clú náplň kontajnra sa prdpokladalo jho zaplnni 48 (kompaktný zásobník Z-48) albo 30 (zásobník T-2) idntickými kaztami so strdným vyhorním 50 MWd/kgU. V prípad maximáln vyhornj kazty bol určovaný ln zostatkový výkon s ciľom získať konzrvatívn podklady pr hodnotni lokálnho prstupu tpla. Výpočty vštkých fyzikálnych paramtrov invntára boli vykonané pr dobu chladnia paliva od 2,5 do 5 rokov. Mtóda výpočtu a výsldky a výpočt fyzikálnych paramtrov invntára sa používa amrický výpočtový komplx SCALE 4.3. (moduly SAS2 a ORIGE-S). Tnto modulárny systém j určný na vykonávani analýz vlastností črstvých i vyhorných palivových súborov. Vlastný výpočt zostatkového výkonu, zdrojov žiarnia a aktivity sa vykonáva modulom ORIGE-S. Základom jho algoritmu j sústava linárnych difrnciálnych rovníc. rádu opisujúca vznik a zánik nuklidov v jadrovom paliv. Výsldkom výpočtov sú zostatkový výkon [kw], aktivita [Bq], intnzita zdrojov fotónov [f/s] a intnzita zdrojov nutrónov [n/s] v závislosti od doby dochladzovania. Výpočty sú podrobn opísané v []. 4
áčrt mtodiky ďž Úrad jadrového dozoru vyžaduj vrifikáciu dotraz používanj mtodiky, bol navrhnutý projkt rišný v spolupráci MTF STU a VUJE. a.s. Ciľom j návrh novj mtodiky určovania zostatkového výkonu VJP v kontajnroch a jj využiti v rámci xprimntálnho spôsobu určovania tohto paramtra paralln k jadrovo-fyzikálnmu výpočtu z výkonových pomrov. Hlavné tapy navrhovanj mtodiky sú nasldovné:. Vytvorni matmatického modlu kontajnra ako tplnj sústavy tak, aby bolo možné určovať zostatkový výkon výpočtom z namraných a zo známych vličín. Modl umožní počítať zostatkový výkon prpravovaného invntáru (VJP) v kontajnri v nadväznosti na kombináciu počiatočného obohatnia, vyhornia a minimálnj doby dochladnia VJP (paramtr VJP) v bazén skladovania v kontajnroch rôznych typov za rôznych podminok. 2. Špcifikácia spôsobu mrania a výpočtu potrbných vličín (tplné koficinty, tploty a pod.). Vličiny potrbné pr ďalší postup vyplynú z matmatického modlu. iktoré paramtr kontajnrov sú znám z tchnickj dokumntáci, prípadn zo správ o rišní výskumných úloh (potrbnými zdrojmi disponuj najmä rišitľ VUJE, a.s.), iné bud trba mrať albo získať xprimntmi. Úlohou tjto tapy j špcifikovať, akým spôsobom sa vličiny budú získavať, mrať, počítať a počítačovo vidovať a spracovávať. Etapa bud nasldovať bzprostrdn po vytvorní modlu. 3. Ralizácia systémov pr xprimntáln mrania. a mrani vličín bud potrbné navrhnúť a zhotoviť špcifické mtodiky, zariadnia, systémy, prípravky, pomôcky a uskutočniť úpravy na kontajnri VJP podľa závrov 2. tapy. Aj tu bud snaha využiť xistujúc prístrojové vybavni, systémy a mtodiky, kd nositľom know-how j VUJE, a.s. 4. Exprimntáln mrania. V rozsahu podľa bodu 2. bud potrbné ralizovať xprimnty a získať potrbnú databanku údajov, pričom s vlastnými mraniami sa začn potom, ako budú vytvorné mraci systémy (bod 3). 5. Vyhodnotni xprimntov a príprava podkladov pr návrh mtodiky. 6. Implmntácia mtodiky. Bod j ťažiskom novj mtodiky. J rišný v [2], kd j odvodný a zdôvodnný nasldujúci vzťah: P = Ti S. a T Yi Ti 2 + 2 2 + Yi 5
kd S a T T i T inf j plocha povrchu kontajnra, j strdná hodnota koficintu prstupu tpla, j tplota okolia, j počiatočná tplota kontajnra, j končná tplota kontajnra, j tplná kapacita kontajnra. Podotýkam, ž koficint a a plocha povrchu kontajnra S sa dajú určiť pomocou známho privádzaného výkonu P (dodaného napr. pri lktrickom ohrv) z rozdilov tplôt kontajnra T f - T po a prd ohrvom: a. S P = T f T Z uvdného vyplýva, ž ťažiskovým problémom j mrani tplôt. Mraniami samotnými a spôsobom vyhodnocovania výsldkov sa zaobrajú body 2 5 mtodiky. Dotraz dosiahnuté výsldky sú opísané v [3]. Ďalší postup a očakávané prínosy amrané vličiny budú slúžiť ako vstupné údaj pr výpočt v aplikačnom programovom systém, ktorého implmntácia j zavŕšním mtodiky. Systém ralizuj výpočt, zobrazí ho v tabuľkovom a grafickom tvar a vykoná porovnani s výsldkom z fyzikálno-výkonových paramtrov. Implmntácia tohto systému j plánovaná na rok 2009. Prdkladané rišni považujm za nové a origináln niln v rámci SR, al v danj oblasti aj na mdzinárodnj úrovni. Hlavným vdckým prínosom prác bud návrh novj tchnológi (mtodiky) prukazovania rlvantnosti aplikovaných výpočtových programov používaných na stanovovani paramtru zostatkového výkonu VJP v prpravných kontajnroch typu C-30. J prdpoklad, ž ponúknuté rišni bud možné rgistrovať a chrániť formou primyslného vzoru a prípadn aplikovať pr iné typy kontajnrov na prpravu VJP. Spoločnským prínosom rišnia j potvrdni údajov v bzpčnostnj dokumntácii stanovných matmaticko-analytickými mtódami. Zvýši sa stupň dôvry vrjnosti k používanému spôsobu prpravy VJP v danom typ prpravného zariadnia. Tnto príspvok bol vypracovaný za podpory a v rámci projktu APVV-0308-07 Mtodika prukázania jadrovj a radiačnj bzpčnosti kontajnrov na prpravu vyhortého jadrového paliva pomocou xprimntáln získaných údajov. Zoznam bibliografických odkazov: [] BOŽI, M. Mtodika prukázania bzpčnosti prpravného zariadnia na prpravu vyhorného jadrového paliva. Písomní práca k dizrtačnj skúšk. Trnava: MTF STU, 2008, 7 s. [2] BARTOŇ, S. Stanovní zbytkového výkonu jadrného paliva. In Matrials Scinc and Tchnology [on lin]. 8/2008. Dostupné na intrnt <http://www.mtf.stuba.sk [3] opčk M., Eliáš, A.: REALIZÁCIA SCADA SYSTÉMU AO PODPORÉHO ÁSTROJA PRE ÁVRH METODIY ZISŤOVAIA ZOSTATOVÉHO VÝOU VYHOREÉHO JADROVÉHO PALIVA. Intrntový časopis MTF STU, 9/2008. 6