Дослідження теплових процесів активної зони та технічних рішень систем безпеки реактора АР1000

Abstract

Мацелик Н. І., Матіко Г.Ф. (керівник). Дослідження теплових процесів активної зони та технічних рішень систем безпеки реактора AP1000. Магістерська кваліфікаційна робота. – Національний університет «Львівська політехніка», Львів, 2024. Розширена анотація. Магістерська кваліфікаційна робота присвячена дослідженню теплових процесів активної зони та технічних рішень систем безпеки реактора AP1000 з метою аналізу можливості впровадження цієї реакторної технології на АЕС України. Зокрема, проведено аналіз зміни теплофізичних параметрів теплоносія в активній зоні реактора АР1000 при підвищені теплової потужності на 5% та досліджено особливості роботи його пасивних систем безпеки. Об’єкт дослідження – теплові процеси в активній зоні водо-водяного реактора AP1000 та їх вплив на безпеку АЕС. Предмет дослідження – теплофізичні параметри теплоносія в активній зоні та технічні рішення систем безпеки реактора АР1000. Мета дослідження – дослідження конструктивних особливостей активної зони та технічних рішень систем безпеки реактора AP1000, розрахунок зміни теплофізичних параметрів теплоносія в активній зоні при підвищенні його потужності та обґрунтування безпечної та надійної його роботи при впровадженні на атомних електростанціях України. У магістерській кваліфікаційній роботі розглянуто сучасний стан енергосистеми України, її структуру, перспективи розвиту та адаптацію до викликів, що дестабілізують енергетичну безпеку. Проаналізовано експлуатаційні події підчас роботи АЕС України, які відбулися впродовж 2014-2024 років. Описано проблеми подовження експлуатації діючих енергоблоків, процес їх зняття з експлуатації, обґрунтовано актуальність побудови нових енергоблоків та впровадження інноваційних реакторів третього та четвертого покоління. Показано, що впровадження сучасних реакторних технологій на зразок AP1000, дає змогу уникнути залежності від російських ядерних технологій та отримати стабільну енергосистему на довгостроковий термін, тому тема роботи є актуальною. Детально описано специфіку роботи реакторної технології AP1000, а саме особливості активної зони та її елементи. Наведено матеріали та основні параметри активної зони. Конструкція активної зони складається з 157 тепловиділяючих збірок, що містять 264 паливних стержні в квадратному масиві 17х17. Детально описано та проаналізовано кожен елемент активної зони, а саме контрольно-вимірювальні прилади, паливні збірки, поглиначі та контролюючі стержні, з огляду їх впливу на безпеку та надійність реакторної установки. Розглянуто основні переваги реактора AP1000, такі як вдосконалені пасивні системи безпеки, що працюють без втручання людини, притаманні третьому поколінню реакторів. Також AP1000 володіє високим рівнем паливної ефективності, що призводить до меншої кількості відпрацьованого палива та відходів. Дія пасивних систем безпеки базується на фізичних процесах, які відбуваються в результаті аварій, такі як природна циркуляція чи випаровування без взаємодії з зовнішніми факторами. Детально проаналізовано особливості роботи таких пасивних системи як пасивна система охолодження активної зони, пасивна система охолодження захисної оболонки та аварійна система вентиляції блочного щита управління. Описано їх роботу при виникненні відповідних аварійних ситуацій. Досліджено характер зміни теплофізичних параметрів теплоносія в активній зоні реактора AP1000 при підвищенні теплової потужності на 5%. Проаналізовано конструктивні особливості реактора та перебіг технологічного процесу в активній зоні. Визначено геометричні параметри активної зони для заданої теплової потужності реактора. Досліджено зміну тиску та температури теплоносія по висоті активної зони. У роботі запропоновано автоматизовану систему керування компенсатором тиску, що є ключовим елементом для забезпечення стабільності тиску в першому контурі атомної електростанції. Система автоматизації виконана на основі сучасних мікропроцесорних контролерів та використовує ефективні методи та алгоритми регулювання задля підвищення точності та надійності роботи компенсатора тиску. Автоматизація технологічного процесу дає змогу мінімізувати ризики людського фактора, оптимізувати роботу реакторної установки та підвищити загальний рівень безпеки та ефективності енергоблоку АЕС. Представлено економічну оцінку можливих впроваджень для реактора AP1000. Проведено розрахунок річної витрати на паливо та аналіз його вартості. Визначено основні витрати на закупівлю, транспортування та зберігання палива та економію завдяки підвищенні ефективності роботи реакторної установки. Оцінено прибуток завдяки збільшенню електричної потужності реактора АР1000, що в свою чергу підвищує загальний рівень рентабельності реакторної технології.Matselyk N.I., Matiko H. F. (supervisor). Investigation of the core thermal processes and technical solutions for safety systems of the AP1000 reactor. – - Lviv Polytechnic National University, Lviv, 2024. Extended abstract. Master's thesis is devoted to the study of thermal processes in the reactor core and the technical solutions of the safety systems of the AP1000 reactor with the aim of introducing this reactor technology at Ukrainian NPPs. In particular, an analysis of changes in the thermophysical parameters of the coolant in the core of the AP1000 reactor a 5% increase in thermal power has been conducted, and the features of its passive safety systems have been studied. Study object – thermal processes in the core of the AP1000 water-water reactor and their impact on nuclear power plant safety. Scope of research – thermophysical parameters of the coolant in the core and and technical solutions for the safety systems of the AP1000 reactor. Goal of research – research of the design features of the core and technical solutions of the AP1000 reactor safety systems, calculation of changes in the thermal and physical parameters of the coolant in the core with its power increase and justification of its safe and reliable operation when implemented at Ukrainian nuclear power plants. The master's qualification work examines the current state of Ukraine's energy system, its structure, development prospects, and adaptation to challenges destabilizing energy security. Operational events at Ukrainian nuclear power plants during the 2014–2024 period were analyzed. The article describes the problems of extending the life of existing power units, the process of their decommissioning, and substantiates the relevance of building new power units and introducing innovative third- and fourth-generation reactors. It is shown that investing in modern reactor technologies such as the AP1000 reactor will allow avoiding dependence on russian nuclear technologies and obtaining a stable power system for the long term. The specifics of the AP1000 reactor technology are described in detail, in particular, the features of the core and its elements. The main parameters of the core are presented. The core design consists of 157 fuel assemblies containing 264 fuel rods in a 17x17 square array. Each core element, such as instrumentation, fuel assemblies, absorbers, and control rods, is described and analysed in detail with respect to their impact on reactor safety and reliability. The main advantages of the AP1000 reactor, such as advanced passive safety systems that operate without human intervention, inherent in the third generation of reactors, are considered. The AP1000 also has a high level of fuel efficiency, which results in less spent fuel and waste. Passive safety systems are based on physical processes that occur as a result of accidents, such as natural circulation or evaporation without interaction with external factors. The features of such passive systems as the passive core cooling system, the passive containment cooling system, and the emergency ventilation system of the control panel are analysed in detail. Their operation in the event of relevant emergencies is described. The changes in the thermophysical parameters of the coolant in the AP1000 reactor core under a 5% increase in thermal power were investigated. The design features of the reactor and the progression of the technological process in the core were analyzed. Geometric parameters of the reactor core were determined for the specified reactor thermal power. The variations in coolant pressure and temperature along the height of the reactor core were also studied. The study proposes an automated control system for the pressurizer, which is a key element in ensuring pressure stability in the primary circuit of a nuclear power plant. The automation system is based on modern microprocessor controllers and employs efficient regulation methods and algorithms to enhance the accuracy and reliability of the pressurizer's operation. Automating the technological process minimizes human factor risks, optimizes the reactor unit's performance, and improves the overall safety and efficiency of the nuclear power plant's power unit. An economic assessment of potential implementations for the AP1000 reactor is presented. The annual fuel consumption and its cost were calculated and analyzed. The main costs for the purchase, transportation and storage of fuel and savings due to increased efficiency of the reactor unit were determined. The profit due to the increase in the electric power of the AP1000 reactor, which in turn increases the overall level of profitability of the reactor technology, is estimated.