Razvoj in multimedijski prikaz animacijskega modela ... · Institut »Jožef Stefan« - Odsek za reaktorsko tehniko (R4) Maj 2010 Stran 5 Kazalo slik Slika 2-1: Primerjava realnega

Institut »Jožef Stefan«

Reaktorski center Podgorica

Odsek za reaktorsko tehniko – R4

Razvoj in multimedijski prikaz animacijskega

modela eksperimentalne naprave ROSA IV.

Projektna naloga

Avtor: Blaž Likovič

Mentor: dr. Andrej Prošek Ljubljana, Maj 2010

Institut »Jožef Stefan« - Odsek za reaktorsko tehniko (R4)

Maj 2010 Stran 2

IZJAVA

»Spodaj podpisani Blaž Likovič izjavljam, da sem avtor te projektne naloge«

Ljubljana, 11. 5. 2010 Podpis: _______________


Maj 2010 Stran 3

Kazalo 1 Uvod ........................................................................................................................................................ 7

1.1 Ozadje ............................................................................................................................................. 7

1.2 Cilji................................................................................................................................................... 8

1.2.1 Obdelava vhodnega modela ..................................................................................................... 8

1.2.2 Izdelava animacijskega in grafičnega vhodnega modela za RELAP5 ........................................... 8

1.2.3 Verifikacija modela z eksperimentalnimi podatki ...................................................................... 8

1.2.4 Simulacija obnašanja sistema ob 10% zlomu vroče veje v programskem okolju SNAP................ 8

1.2.5 Raziskovanje znotraj programskih orodij SNAP in AptPlot ......................................................... 8

1.2.6 Analiza rezultatov .................................................................................................................... 8

1.3 Metodologija ................................................................................................................................... 9

2 Opis naprave ............................................................................................................................................ 9

2.1 Splošen opis ..................................................................................................................................... 9

2.2 Sistemi na primarnem krogu naprave ............................................................................................. 11

2.2.1 Tlačna posoda reaktorja ......................................................................................................... 11

2.2.2 Tlačnik ................................................................................................................................... 12

2.2.3 Cevovod ................................................................................................................................ 13

2.2.4 Črpalke .................................................................................................................................. 13

2.3 Sistemi na sekundarnem krogu naprave ......................................................................................... 14

2.3.1 Uparjalnika ............................................................................................................................ 14

2.3.2 Sistem za kondenzacijo pare .................................................................................................. 15

2.3.3 Sistem za napajalno vodo ....................................................................................................... 15

2.3.4 Cevovod sekundarnega sistema ............................................................................................. 15

2.4 Sistem za simulacijo zloma ............................................................................................................. 16

2.5 Sistem za zasilno hlajenje sredice ................................................................................................... 16

2.5.1 Sistem za visokotlačno vbrizgavanje ....................................................................................... 16

2.5.2 Sistem za nizkotlačno vbrizgavanje ......................................................................................... 17

2.5.3 Sistem varnostnih akumulatorjev ........................................................................................... 17

2.5.4 Sistem za odvajanje zaostale toplote ...................................................................................... 17

2.6 Regulacijski sistemi......................................................................................................................... 17

3 Kratki opisi programskih orodij ............................................................................................................... 18

3.1 ASCII .............................................................................................................................................. 18

3.2 RELAP5........................................................................................................................................... 19

3.3 SNAP .............................................................................................................................................. 19

3.3.1 Data Extractor........................................................................................................................ 20

3.3.2 Movie Generator ................................................................................................................... 20

3.4 AptPlot........................................................................................................................................... 20


Maj 2010 Stran 4

3.5 MS Excel, Word in Movie Maker ..................................................................................................... 20

3.6 SolidWorks ..................................................................................................................................... 21

3.7 VirtualDub...................................................................................................................................... 21

4 Simulacija in animacija z RELAP5/MOD3.3 .............................................................................................. 21

4.1 Razvoj animacijskega modela ......................................................................................................... 21

4.1.1 Nodalizacija RELAP5/MOD3.3 vhodnega modela v programskem okolju SNAP ........................ 21

4.1.2 Postavitev animacijskega modela v programskem okolju SNAP............................................... 23

4.1.3 Sinhronizacija podatkov med RELAP5 in SNAP ........................................................................ 24

4.1.4 Zagon animacije ..................................................................................................................... 25

4.1.5 Izris parametrov v programskem okolju AptPlot ..................................................................... 25

4.2 Primerjava in analiza rezultatov ...................................................................................................... 26

4.2.1 Kronologija pomembnih dogodkov eksperimenta do 1000 s ................................................... 27

4.2.2 Analiza rezultatov po posameznih parametrih ........................................................................ 27

4.2.3 Pomembnejše eksperimentalne ugotovitve ............................................................................ 38

4.2.4 Video posnetek animacijskega modela ................................................................................... 38

5 Napredek programskih orodij ................................................................................................................. 39

6 Zaključek ................................................................................................................................................ 40

7 Zahvale................................................................................................................................................... 40

8 Reference ............................................................................................................................................... 40

9 Priloge .................................................................................................................................................... 41

9.1 Video posnetek animacije .............................................................................................................. 41

9.2 Slike animacijskega modela po posameznih parametrih .................................................................. 41

9.2.1 Tlak ....................................................................................................................................... 41

9.2.2 Fazno stanje fluida ................................................................................................................. 42

9.2.3 Delež praznin ......................................................................................................................... 43

9.2.4 Temperatura fluida v prerezu tlačne posode .......................................................................... 43

9.2.5 Fazno stanje fluida v prerezu tlačne posode ........................................................................... 44

9.3 Blokovni diagrami kontrolnih sistemov ........................................................................................... 44

9.3.1 Glavni signali.......................................................................................................................... 44

9.3.2 Uravnavanje mase v sistemu .................................................................................................. 45

9.3.3 Uravnavanje ventilov ............................................................................................................. 46

9.3.4 Kronologija signalov ............................................................................................................... 47


Maj 2010 Stran 5

Kazalo slik

Slika 2-1: Primerjava realnega postrojenja in eksperimentalne naprave ........................................................... 10

Slika 2-2: Primarni krog eksperimentalne naprave ........................................................................................... 11

Slika 2-3: Reaktorska tlačna posoda................................................................................................................. 12

Slika 2-4: Tlačnik ............................................................................................................................................. 13

Slika 2-5: Uparjalnik ........................................................................................................................................ 15

Slika 2-6: Lokacija simuliranega zloma ............................................................................................................. 16

Slika 2-7: Blokovni diagram regulacijskih sistemov ........................................................................................... 17

Slika 4-1: Nodalizacija eksperimentalne naprave za program RELAP5 samodejno ustvarjena s programom SNAP

....................................................................................................................................................................... 22

Slika 4-2: Ročno urejena nodalizacija eksperimentalne naprave za program RELAP5 s pomočjo SNAP .............. 23

Slika 4-3: Maska animacijskega modela za celotno napravo ............................................................................. 24

Slika 4-4: Maska animacijskega modela za prerez tlačne posode ...................................................................... 24

Slika 8-1: Maska animacijskega modela za popis tlačnega stanja ...................................................................... 41

Slika 8-2: Maska animacijskega modela za popis faznega stanja fluida ............................................................. 42

Slika 8-3: Maska animacijskega modela za popis deleža praznin ....................................................................... 43

Slika 8-4: Maska animacijskega modela za popis temperaturnega stanja fluida v reaktorski posodi .................. 43

Slika 8-5: Maska animacijskega modela za popis faznega stanja fluida v reaktorski posodi ............................... 44

Slika 8-6: Blokovni diagram glavnih signalov eksperimenta .............................................................................. 44

Slika 8-7: Blokovni diagram regulacije mase v napravi...................................................................................... 45

Slika 8-8: Blokovni diagram regulacije ventilov ................................................................................................ 46

Slika 8-9: Kronološki blokovni diagram signalov pomembnejših dogodkov ....................................................... 47

Kazalo tabel

Tabela 2-1: Primerjava osnovnih parametrov realnega postrojenja in eksperimentalne naprave ...................... 10

Tabela 4-1: Kronologija pomembnih dogodkov eksperimenta do 1000 s .......................................................... 27


Maj 2010 Stran 6

Kazalo diagramov

Diagram 4-1: Termična moč sredice ................................................................................................................ 28

Diagram 4-2: Hitrost reaktorskih črpalk ........................................................................................................... 28

Diagram 4-5: Primarni tlak ……………………………………………………………………………………………………………………………….29

Diagram 4-6: Sekundarni tlak .......................................................................................................................... 29

Diagram 4-3: Eksperimentalni podatki za nivo tekočine v tlačniku …………………………………………………………………..29

Diagram 4-4: Nivo tekočine v tlačniku ............................................................................................................. 29

Diagram 4-7: Primerjava tlaka na primarnem in sekundarnem krogu naprave .................................................. 30

Diagram 4-8: Masni pretok zlomnega ventila ................................................................................................... 30

Diagram 4-9: Temperatura sredice .................................................................................................................. 31

Diagram 4-10: Masni pretok glavne napajalne vode ........................................................................................ 32

Diagram 4-11: Primerjava izračunanega in eksperimentalnega masnega pretoka v primarnem krogu .............. 32

Diagram 4-12: Masni pretok v vroči in hladni veji naprave ............................................................................... 33

Diagram 4-13: Masni pretok vbrizganja akumulatorskega hladila ..................................................................... 33

Diagram 4-14: Masni pretok nizkotlačnega vbrizganja v zanki 1 ....................................................................... 34

Diagram 4-15: Temperatura fluida v vroči veji …………………………………………………………………………………………………34

Diagram 4-16: Gostota fluida v vroči veji ......................................................................................................... 34

Diagram 4-17: Temperatura fluida v hladni veji ……………………………………………………………………………………………….35

Diagram 4-18: Gostota fluida v hladni veji ....................................................................................................... 35

Diagram 4-19: Nivo tekočine v reaktorski sredici ............................................................................................. 36

Diagram 4-20: Temperatura fluida okoli sredice .............................................................................................. 36

Diagram 4-21: Toplotne izgube naprave .......................................................................................................... 37

Diagram 4-22: Integriran masni tok zloma ……………………………………………………………………………………………………….37

Diagram 4-23: Eksperimentalni nivo tekočine .................................................................................................. 37


Maj 2010 Stran 7

1 Uvod

1.1 Ozadje

Nesreča v jedrski elektrarni na Otoku treh milj, ki se je zgodila marca 1979, je privedla do

intenzivnega raziskovanja na področju jedrske varnosti, saj se je javnost šele takrat začela dobro

zavedati škodljivih učinkov sevanja na ljudi in okolje. Japonski institut za atomsko energijo (JAERI –

Japan Atomic Energy Research Institute) je že leta 1980 zgradil veliko testno napravo (Large scale test

facilty – LSTF) z opremo za ocenjevanje varnosti ROSA IV (Rig of safety assessment no.4), v kateri so

simulirali majhne zlome v primarnem krogu Westinghouse-ovega tlačnovodnega reaktorja (PWR).

Preučevali so predvsem izgubo hladila (Small break loss of coolant accident – SBLOCA). Da bi lahko

eksperimentalne pogoje približali realnemu stanju v elektrarnah, so bile te naprave navadno enake

skupne višine kot elektrarniško postrojenje.

Ob hitrem napredku računalnikov, so se kmalu pojavile težnje k računalniški simulaciji prehodnih

pojavov in nezgod na jedrskih objektih, kasneje pa tudi možnosti animacij. Vse skupaj pa je hkrati tudi

opisovalo varnost jedrskih elektrarn. To je pomenilo mnogo krajši čas pridobivanja rezultatov, ter

predvsem manjše stroške v primerjavi z gradnjo testnih naprav, vendar so slednje še vedno najboljši

približek realnemu stanju v postrojenjih. Poleg tega pa je potrebno dobljene numerične rezultate

primerjati z eksperimentalnimi, da lahko z določeno gotovostjo trdimo, da so dobljeni izračuni pristni.

Kljub temu, da je računalništvo v zadnjem času doseglo skokovit napredek, pa določena programska

orodja v namen simulacij in animacij jedrskih nezgod in prehodnih pojavov nekoliko zaostajajo za

splošnimi. Vendar je tudi na tem področju počasi moč zaznati postopne izboljšave. Del napredka pa

sestavlja tudi moje delo, ki se opira predvsem na vizualni del numeričnih simulacij. Hkrati sem

poskušal zajeti dve stvari; ugotoviti pristnost dobljenih numeričnih rezultatov, izračunanih na podlagi

modela japonskega eksperimenta in sočasno v največji meri izkoristiti možnosti za vizualni prikaz

dogajanja med prehodnim pojavom in prikaz izračunanih rezultatov. Na koncu pa sem primerjal

rezultate zadnjih dveh izdaj termohidravličnega računalniškega programa RELAP5; različici 3.2 in 3.3.


Maj 2010 Stran 8

1.2 Cilji

1.2.1 Obdelava vhodnega modela

Preračun vhodnega modela RELAP5/MOD 3.3, ki je bil že predhodno pretvorjen iz RELAP5/MOD 3.2.

1.2.2 Izdelava animacijskega in grafičnega vhodnega modela za RELAP5

Sama izdelava numeričnega modela je zelo kompleksna, saj je treba zagotoviti popolno ujemanje

rezultatov. Zato sem že dobil sestavljen vhodni model v programskem okolju ASCII, ki je uglašen za

program RELAP5/MOD 3.2. Za lažje delo v nadaljevanju, sem želel dobljene podatke za geometrijo

smiselno grafično urediti, kar se imenuje nodalizacija vhodnega modela.

1.2.3 Verifikacija modela z eksperimentalnimi podatki

Za uspešno simulacijo je potrebno zagotoviti pravilne parametre popisa stacionarnega stanja, ki nam

predstavljajo začetne pogoje prehodnega pojava. Poleg tega je potrebna pravilna kronologija

delovanja obratovalnih in varnostnih sistemov.

1.2.4 Simulacija obnašanja sistema ob 10% zlomu vroče veje v programskem

okolju SNAP

Želim zagotoviti animacijo vhodnega modela z možnostjo vizualnega in številčnega prikaza večjega

števila parametrov, blokovnega poteka delovanja sistema in odziva regulacijskih sistemov. V ta

namen bom skušal uporabiti čim več možnosti, ki jih ponujajo programska orodja (diagrami, barvne

lestvice, analogni merilniki…). Predvsem pa je tu v ospredje stopila možnost izgradnje video posnetka

animacije, kar pomeni velik napredek pri predstavitvi rezultatov.

1.2.5 Raziskovanje znotraj programskih orodij SNAP in AptPlot

Možnost vnosa in prikaza večjega števila parametrov, ki bi jih lahko uvozili iz večih podatkovnih baz,

kot so recimo Microsoft Excel, ali pa RELAP5 ipd.

1.2.6 Analiza rezultatov

Predstavitev dobljenih rezultatov s pomočjo programskega orodja AptPlot. Ugotavljanje pristnosti

numeričnih rezultatov, primerjava le-teh z eksperimentalnimi rezultati in rezultati predhodne verzije

računalniškega programa RELAP5.


Maj 2010 Stran 9

1.3 Metodologija

- Grafična ureditev (nodalizacija) RELAP5 vhodnega modela v programskem okolju SNAP.

- Postavitev animacijskega modela in izdelava blokovnih diagramov regulacijskih sistemov v

programskem okolju SNAP.

- Uvoz podatkov v animacijski model (sinhronizacija med programskima orodjema RELAP5 in

SNAP).

- Zagon animacije in preučevanje možnosti izrisa določenih parametrov v programskem okolju

AptPlot.

- Predstavitev in primerjava dobljenih rezultatov, ter predstavitev mnenja o zmožnostih in

smiselnosti uporabe programskega orodja AptPlot.

- Izdelava video posnetka animacije.

2 Opis naprave

2.1 Splošen opis

Testna naprava je pomanjšan model lahkovodnega jedrskega reaktorja, s to razliko, da so ji namesto

jedrske sredice vgradili sredico z električnim grelnikom. Namen naprave je bilo predvsem opazovanje

termo-hidravličnih pojavov, ki nastanejo pri majhnih zlomih z izgubo hladila in pri nekaterih

prehodnih pojavih. Gradnja je potekala tako, da je bilo za vse hladilne volumne in pretočna področja

zagotovljeno merilo 1:48, pri tem pa so višine elementov ostale nespremenjene. To pomeni, da je

bila višina primarnega kroga naprave enaka tistemu v realnem postrojenju. Tudi ostali elementi v

napravi so bili po zasnovi identični realnim, kar naj bi zagotavljalo še bolj pristne rezultate

eksperimentov.

Zgrajenih je bilo devetnajst lokacij, s katerimi so lahko simulirali zlom, s tem, da sta bile v enem

eksperimentu uporabljene največ dve.


Maj 2010 Stran 10

Slika 2-1: Primerjava realnega postrojenja in eksperimentalne naprave

Predmet PWR LSTF PWR/LSTF

Tlak (MPa) 16 16 1

Št. Gorivnih palic 50952 1064 48

Št. U cevi v uparjalniku 3382 141 24

Premer vroče veje D (m) 0,737 0,207 3,56

Dolžina vročih vej L (m) 6,99 3,69 1,89

L/D^0,5 (m^0,5) 8,14 8,11 1

Primarni volumen fluida (m^3) 347 7,23 48

Toplotna moč sredice (MW) 3423 10 342

Vstopni pretok sredice (ton/s) 16,7 0,0488 342

Tabela 2-1: Primerjava osnovnih parametrov realnega postrojenja in eksperimentalne naprave


Maj 2010 Stran 11

2.2 Sistemi na primarnem krogu naprave

Primarni krog naprave sestavljajo tlačna posoda z električnim grelnikom v sredici, dve črpalki za

pretok hladila, dva uparjalnika, tlačnik in pa cevovodi dveh zank.

Slika 2-2: Primarni krog eksperimentalne naprave

2.2.1 Tlačna posoda reaktorja

Tlačno posodo sestavlja sredica s 1064 električnimi ogrevanimi in 104 neogrevanimi palicami. Pri

normalnem obratovanju je obremenjena s tlakom 16 MPa in temperaturo 630,2 K. V višino meri 11

m, njen notranji premer znaša 0,64 m, debelina stene pa 61 mm.

Notranji prostor lahko razdelimo na:

- Sredico

- Povratni kanal

- Spodnji in zgornji plenum


Maj 2010 Stran 12

Sredica in obroč za dotok hladila sta glede na realni reaktor ohranila višino oz. dolžino. Poleg naštetih

glavnih komponent so v sredici še šobe za:

- Sistem za zasilno hlajenje sredice (vbrizg v zgornji in spodnji prostor)

- Simulacijo zloma v zgornjem in spodnjem prostoru

- Vbrizg plinastega dušika

- Razbremenilni ventil, ki je povezan z vrhom tlačnika

- Tlačne razbremenilne ventile

- Praznilni vod

- Simulacijo zloma vroče veje

- Povezavo s pomožnim tlačnikom

- Veliko majhnih priključkov s katerimi se meri tlake, temperature, pretoke in višine tekočine

Slika 2-3: Reaktorska tlačna posoda

2.2.2 Tlačnik

Funkcija tlačnika je regulacija tlaka v primarnem krogu postrojenja med normalnim in nenormalnim

obratovanjem naprave oz. postrojenja.

Tlačnik v napravi je cilindrične oblike in meri 4,19 m v višino. Sestavljajo ga električni grelci, priključki

za obvod in varnostni ter razbremenilni ventili. Je enake višine in 48-krat manjšega volumna, kot tisti

v realnem postrojenju. Povezan je preko obvoda z vročo vejo primarne zanke št.1.


Maj 2010 Stran 13

Sistem delovanja in kontrole je enak tistemu v realnem postrojenju.

Slika 2-4: Tlačnik

2.2.3 Cevovod

Zanki v napravi sta identični in vsaka predstavlja dve zanki realnega postrojenja, saj je le-to štiri

zančno. V vsaki zanki nastopata samo dva različna premera cevovoda; prvi je na vroči in delni hladni

veji, drugi pa med črpalko in uparjalnikom. Vsaka zanka ima več priključkov, ki so namenjeni

različnim stvarem:

- Sistem za zasilno hlajenje sredice

- Ventili za simulacijo zloma

- Praznilni vod

- Merilna zaznavala za tlak, temperaturo, pretok…

- Merilna zaznavala za pojav dvofaznega toka

Pretok v zankah se uravnava s pomočjo reaktorskih črpalk in pretočnih ventilov. Celotni sistem

cevovodov obdaja termični izolator, poleg tega pa so cevi opremljene še z ogrevalnim sistemom, ki

uravnava termične izgube v cevovodu.

2.2.4 Črpalke

Črpalke v primarnem krogu skrbijo za pretok hladila, ki vstopi v sredico in iz nje odvaja generirano

toploto. Obe reaktorski črpalki sta centrifugalne osnove in imata nezmožnost rotacije v nasprotno

smer, tako da sta zgrajeni po reaktorskih črpalkah v realnem postrojenju.


Maj 2010 Stran 14

2.3 Sistemi na sekundarnem krogu naprave

Sekundarni krog naprave je zgrajen tako, da je možno na njem simulirati odzive pretoka pare in

napajalne vode na prehodne pojave, ter toplotnih prehodov med primarnim in sekundarnim krogom.

Najpomembnejše komponente so v tem primeru; oba uparjalnika, črpalke za glavno in pomožno

napajalno vodo, osamitveni ventili glavnega parovoda in varnostni ventili na uparjalniku. Potrebno je

poudariti, da testna naprava nima turbogeneratorja v sekundarnem krogu, kot ga ima realno

postrojenje, ampak ima namesto tega kondenzator, ki poskrbi, da tekočina spremeni agregatno

stanje, preden ponovno vstopi v uparjalnik.

Večje komponente v sekundarnem krogu:

- Uparjalnika

- Sistem za kondenzacijo pare

- Sistem za napajalno vodo

- Parovoda in sovpadajoče komponente, kot so ventili, merilniki pretoka…

2.3.1 Uparjalnika

Oba uparjalnika sta identična. Vsak meri v višino 20,19 m in ima notranji premer 0,85 m, maksimalni

pretok toplotnega toka pa znaša 35 MW. Uparjalnik sestavljajo ohišje, 141 U-cevi, primarni in

sekundarni ločevalnik pare, parna kupola, odprtina za svežo paro, obroč za napajalno vodo in

povratni vod za tekočino. V grobem pa je zgrajen iz treh delov, ki so med seboj povezani s

prirobnicami.

Posebnost obeh uparjalnikov v testni napravi je postavitev povratnega voda, saj ta poteka izven

ohišja uparjalnika, in je zato obdan s toplotno izolacijskim materialom.


Maj 2010 Stran 15

Slika 2-5: Uparjalnik

2.3.2 Sistem za kondenzacijo pare

Sveža para teče iz uparjalnika direktno v sistem za kondenzacijo, kjer hitro kondenzira s pomočjo

pršilnega sistema v kondenzatorju.

Celoten sistem je sestavljen iz:

- Kondenzatorja

- Pomožnih komponent (sistem za praznenje, pršilni sistem…)

2.3.3 Sistem za napajalno vodo

Kot že ime pove, gre za sistem, ki nam zagotavlja dobavo napajalne vode. Sestavljen je iz dveh delov;

sistem za glavno napajalno vodo in sistem za pomožno napajalno vodo. Gre za enostaven princip, saj

ko prvi odpove, se vklopi drugi. Sistem je zgrajen iz:

- Dveh hladilnih stolpov

- Črpalke za glavno napajalno vodo in črpalke za pomožno napajalno vodo

Predpostavljeno je bilo, da je celoten sistem za napajalno vodo odpovedal.

2.3.4 Cevovod sekundarnega sistema

Cevovod se deli v tri večje skupine. Prvo sestavlja parovod glavne pare, drugo cevovod za glavno

napajalno vodo in pa cevovod za pomožno napajalno vodo. Vsaka skupina pa vsebuje še komponente

kot so ventili, priključki za različne merilnike ipd.


Maj 2010 Stran 16

2.4 Sistem za simulacijo zloma

Sistem je sestavljen iz naslednjih komponent:

- Pretočni ventil

- Cevovod z merilnimi zaznavali pretoka, gostote in stanja fluida

- Rezervoar za odvzet fluid

Kot sem že omenil, je bilo na tej testni napravi zagotovljenih 19 lokacij, na katerih je bilo možno

simulirati zlom na primarnem krogu. Lokacije so bile tako na vroči, kot na hladni veji, na tlačniku, na

reaktorski posodi, U-ceveh v uparjalniku in cevovodu za napajalno vodo. V mojem delu sem simuliral

zlom na primarnem krogu, na vroči veji zanke brez tlačnika.

Slika 2-6: Lokacija simuliranega zloma

2.5 Sistem za zasilno hlajenje sredice

Sistem za zasilno hlajenje sredice tvorijo:

- Sistem za visokotlačno vbrizgavanje

- Sistem za nizkotlačno vbrizgavanje

- Sistem varnostnih akumulatorjev

- Sistem za odvajanje zaostale toplote

2.5.1 Sistem za visokotlačno vbrizgavanje

Ta sistem je bil zgrajen tako, da se je lahko njegova lokacija med eksperimentom spreminjala. Sistem

pa sestavljata dve črpalki. Prva je črpalka za zagotavljanje visokega tlaka, druga pa je polnilna črpalka.

Predpostavljeno je bilo, da je ta sistem odpovedal oz. ni deloval.


Maj 2010 Stran 17

2.5.2 Sistem za nizkotlačno vbrizgavanje

Sestavljen je iz centrifugalne črpalke, pretok pa se uravnava s pretočnim ventilom.

2.5.3 Sistem varnostnih akumulatorjev

Testna naprava je imela dva akumulatorja. Vsak je imel prostornino 4,8 kubičnih metrov in električni

grelnik, prvi moči 140 kW, drugi pa 280 kW.

2.5.4 Sistem za odvajanje zaostale toplote

Sestavljala sta ga izmenjevalnik toplote in črpalka za nizkotlačno vbrizgavanje.

Poleg vseh omenjenih sistemov, ki so skupaj tvorili testno napravo, se sestavni element tudi sistemi

za dobavo električne energije in nekateri ostali sistemi, kot so: regulacijski sistemi, sistemi za

daljinsko upravljanje ipd.

2.6 Regulacijski sistemi

Slika 2-7: Blokovni diagram regulacijskih sistemov

Kot nakazuje shema, je regulacijski sistem relativno zelo enostaven, saj le-ta poteka preko

uravnavanja pretoka reaktorskih črpalk in regulacijskega ventila pare. Ta pa je reguliran na podlagi

tlaka na vrhu uparjalnika številka 2 (SG–2) v parni kupoli.


Maj 2010 Stran 18

3 Kratki opisi programskih orodij

Za lažjo predstavo in razvrstitev, bom najprej predstavil niz programskih orodij in njihovih

podprogramov, ki sem jih uporabljal med delom ali pa sem potreboval bazo podatkov, ki je bila

prirejena z njihovo pomočjo:

- ASCII ali American Standard Code for Information Interchange

- RELAP5 ali Reactor Leak Analysis Program

- SNAP ali Symbolic Nuclear Analysis Package

Data Extractor

Movie Generator

- AptPlot ali Applied Programming Technology Plot

- Microsoft Windows

Excel

Word

Movie Maker

- SolidWorks (3D modelirnik)

- VirtualDub (program za obdelavo video posnetkov)

3.1 ASCII

ASCII je sistem kodiranja znakov, ki temelji na ureditvi angleške abecede. ASCII kode so zastopane v

računalniških tekstih, komunikacijskih napravah in ostalih napravah, ki uporabljajo besedila. Tudi

moderne naprave, s sistemom kodiranja znakov, temeljijo na ASCII-ju, kljub temu da podpirajo več

znakov, kot jih je ASCII.

ASCII je bil razvit iz telegrafskih kod. Prva komercialna izvedba je temeljila na 7-bitnem kodiranju

teleprinterjev, ki jo je promovirala družba Bell. Prvo uradno delo na ASCII-ju se je začelo 6. oktobra

1960 s prvim srečanjem Ameriškega združenja za standardizacijo ( American Standard Association).

ASCII vsebuje 128 znakovno opredelitev. 33 znakov je bilo ne-natisljivih kontrolnih znakov, ki so

opredeljevali obdelavo prostora in besedila, vendar je ta način danes že zastarel. Ostalih 94 znakov je

natisljivih, s tem da je medprostor v besedilu mišljen kot neviden znak. Najbolj splošna uporaba

ASCII-ja je bila na svetovnem spletu (World Wide Web – WWW), kjer ga je Decembra 2007 nasledil

sistem UTF-8.


Maj 2010 Stran 19

3.2 RELAP5

RELAP5 je realističen program, primeren za analizo prehodnih pojavov in domnevnih nesreč v

lahkovodnem reaktorju (Light Water Reactor – LWR), vključujoč nezgode z velikimi in malimi zlomi, ki

posledično pomenijo izgubo hladila. Enodimenzionalno kodiranje temelji na nehomogenem in

neuravnoteženem modelu za dvofazni sistem, ki je hitro rešljiv z delno implicitnimi numeričnimi

shemami.

Program je sposoben preračunati mnogo termo-hidravličnih sistemov v elektrarni. Modeliranje eno-

ali dvofaznih sistemov vršimo s pomočjo različnih vrst ventilov, izmenjevalnikov toplote in črpalk.

Razširitev programa vključuje veliko generičnih modelov, ki omogočajo simulacijo termo-hidravličnih

sistemov. Model lahko vsebuje črpalke, ventile, cevovode, strukture za sproščanje in absorbcijo

toplote, električne grelce, turbine, ločevalnike pare itd.

3.3 SNAP

Program SNAP (Symbolic Nuclear Analysis Package) je programski paket, ki omogoča vizualno

predstavitev in termo-hidravlično (T-H) analizo pojavov v jedrskih napravah. V samo okolje je možno

uvažanje vhodnih podatkov iz različnih računalniških programov, kot je recimo RELAP5, poleg tega pa

je možno na podlagi termo-hidravličnega modela zgraditi tudi animacijski model.

Če uvozimo podatke iz programa RELAP5, se nam model odpre na dveh »listih« (podobno kot listi v

MS Excel-u). Prvi nam prikazuje termo-hidravlično shemo modela, drugi pa pripadajoče regulacijske

sisteme. Obe shemi sta pri uvozu grafično zelo okrnjeni, saj ju je skoraj nujno potrebno urediti, ker se

komponente nahajajo v različnih velikostih in niso prikazane v skoraj nobenem grafično logičnem

zaporedju. Ureditev modela pa je zelo koristna pri nadaljnji izdelavi animacijskega modela, saj je

iskanje T-H komponent in njihovih povezav veliko lažje in hitrejše.

Risanje maske animacijskega modela poteka ob naboru osnovnih komponent nuklearne elektrarne:

- Regulacijski in razbremenilni ventili

- Kontrolne palice

- Črpalke

- Simulacija zloma

- Cevi in kolena

- Plenumi

Poleg tega pa je omogočeno risanje še nekaj drugih osnovnih oblik, kot so recimo črte, krogi...

Ko smo predpostavljeno masko narisali, jo lahko obogatimo z nekaterimi grafičnimi dodatki, kot so

grafi, digitalni in analogni merilniki, indikatorji toka itn. Poleg vsega naštetega, je možno kamor koli v

modelu postaviti tudi poljubno besedilo.


Maj 2010 Stran 20

Animacijski model lahko razširimo tudi s pomočjo blokovnih diagramov različnih sistemov v modelu

in njihovih povezav. Poznamo tri osnovne vrste blokovnih signalov:

- Kontrolni bloki

- Signalni bloki

- Aktivatorji

Tako lahko vhodni model grafično zelo dobro predstavimo in animiramo. Vendar to šele zatem, ko

smo vsako komponento povezali s pripadajočimi podatki, ki so glede na vrednost različno obarvani.

Pomen obarvanosti pa predstavimo z barvnimi lestvicami.

3.3.1 Data Extractor

Data Extractor je podprogram programskega paketa SNAP in služi procesu pridobivanja binarnih

podatkov iz slabo strukturiranih ali nestrukturiranih podatkovnih virov in njihovi nadaljnji obdelavi.

Pri mojem delu je to prišlo v poštev pri uvozu podatkov iz MS Excel-a, saj SNAP nima možnosti

direktnega komuniciranja z Excel-ovimi datotekami.

Tipični predstavniki virov nestrukturiranih podatkov so spletne strani, e-pošta, PDF datoteke,

skenirano besedilo…

3.3.2 Movie Generator

Kot že ime pove, gre za SNAP-ov podprogram, ki omogoča snemanje animacij in naknadno izdelavo

video datoteke posnete animacije.

3.4 AptPlot

AptPlot je program, ki je v osnovi namenjen izrisu diagramov. Pri uvozu podatkov je zelo dinamičen,

saj tako kot SNAP, omogoča povezljivost z različnimi tipi virov podatkov. Podatke lahko uvažamo iz

istih programov, kot je to možno s SNAP-om, za ostale pa imamo na voljo pretvornik, že omenjeni,

Data Extractor.

Poleg tega je program zmožen zelo dobre naknadne numerične obdelave podatkov v grafu in

izrisanih krivulj, vendar je pri estetiki in vizualni predstavitvi nekoliko okoren.

Prednost programa pa je direktno komuniciranje s SNAP-om, saj lahko že v animacijskem modelu (v

SNAP-u) na masko modela dodamo gumb za direkten izris večjega števila diagramov v AptPlot-u. Ker

je bilo to uvedeno šele pred kratkim, je to še v razvojni fazi in bodo potrebne še določene izboljšave,

da bo komunikacija med programi res dobra.

3.5 MS Excel, Word in Movie Maker

Ker gre za programe, ki so med PC uporabniki zelo razširjeni tako v zasebni, kot v poslovni uporabi,

mislim, da jih ni potrebno opisovati in predstavljati.


Maj 2010 Stran 21

3.6 SolidWorks

Program je 3D modelirnik za računalniško podprto načrtovanje znotraj operacijskega sistema

Microsoft Windows. Ker sem program uporabljal izključno za načrtovanje skic, menim da ga ni

potrebno posebno opisovati.

3.7 VirtualDub

Pri snemanju animacijskih video posnetkov se pojavi težava, saj so nastali posnetki zelo obsežni in bi

za sestavljen video iz takšnega števila posnetkov potreboval 8 GB računalniškega diska. Tu pa sem si

pomagal z Virtualdub-om, saj je 1 GB velik posnetek skrčil na pičlih 15 MB. Program nudi tudi

nekatere druge možnosti, vendar jih pri tem projektu nisem koristil.

4 Simulacija in animacija z RELAP5/MOD3.3

Poglavje sem razdelil na dva dela. V prvem se bom posvetil razvoju animacijskega modela, se pravi

poteku dela, ki sem ga opravljal v okviru projekta ROSA/LSTF eksperiment SB-HL-02, uporabljenim

programskim orodjem se ne bom posvečal veliko, saj sem jih že predhodno opisal. Osredotočil se

bom predvsem na ovire, na katere sem naletel med delom.

V drugem delu se bom posvetil rezultatom in njihovi analizi. Uporabil bom direktno primerjavo

rezultatov izračuna z RELAP5/MOD3.3 z eksperimentalnimi rezultati in rezultati iz RELAP5/MOD3.2,

ter analiziral in komentiral morebitna odstopanja.

4.1 Razvoj animacijskega modela

4.1.1 Nodalizacija RELAP5/MOD3.3 vhodnega modela v programskem okolju

SNAP

Kot sem že omenil, je RELAP5 model po uvozu podatkov v SNAP zelo popačen. Ker je izdelava

grafičnega modela veliko lažja ob dobri vizualni podpori, je nodalizacija vsekakor smiselna, četudi ne

gre za obsežen model.


Maj 2010 Stran 22

Slika 4-1: Nodalizacija eksperimentalne naprave za program RELAP5 samodejno ustvarjena s programom SNAP

Kot vhodni model sem dobil REALP5/MOD3.2 podatke za eksperiment ROSA/LSTF SB-HL-02. Gre za

eksperiment »small break - hot leg - 02 (SB-HL-02)«, ki je simuliral majhen (10%) zlom na vroči veji,

na lokaciji 02. Na podlagi računalniške skice naprave in povezanosti T-H elementov, sem model uredil

s pomočjo spreminjanja merila in rotiranja komponent. Tako je model dobil realno 2D obliko:


Maj 2010 Stran 23

Slika 4-2: Ročno urejena nodalizacija eksperimentalne naprave za program RELAP5 s pomočjo SNAP

Vse T-H komponente so oštevilčene, za dodatne napise sem poskrbel sam, saj je oštevilčenje zank in

postavitev modela prepuščena posamezniku. V osnovnih poročilih so uporabljene črke za zanko s

tlačnikom (zanka A) in zanko z zlomom (zanka B), jaz pa sem uporabil številke (A=1 in B=2).

4.1.2 Postavitev animacijskega modela v programskem okolju SNAP

Ko je bila nodalizacija eksperimentalne naprave za RELAP5 model v SNAP-u postavljena in urejena, je

s tem praktično že dobljen osnovni animacijski model. Dobi se ga tako, da se RELAP5 model

(nodalizacijo) prekopira v animacijski model, vendar s tem ne izkoristimo vseh možnosti, ki jih ponuja

SNAP. To je mogoče z risanjem animacijskega modela, pri tem pa si pomagamo z RELAP5 modelom

nodalizacije. Tu je vse odvisno od inovativnosti »risarja«. Kljub temu, da je sistem risanja nekoliko

okoren, se da do neke mere zrisati prav dovršene sheme.

Poudariti moram, da se bom naslednjič lotil risanja v večjem merilu, saj lahko risanje drobnih

komponent pomeni težavo. To pa zato, ker so določene T-H komponente razdeljene na več predelov

(posoda tlačnika recimo na 8), te pa se riše kot cevi ali kot mnogokotnike. In če so ti majhni in na

kupu, lahko to predstavlja velik problem pri povezovanju komponent s podatkovno bazo. Znašel sem

se tako, da sem jih začasno obarval različno, tako da si nobeni sosednji komponenti nista bili enake

barve.

Včasih je potrebno določene komponente risati pod določenim kotom, tukaj predvsem mislim na

kolena v cevovodih. Ker program ni dovršen do te mere, da bi vse lahko določil ali predpisal, je dobro

če rišemo simetrične zanke, ker tako ne bomo zgrešili zunanjih mer sorodnih komponent. Gre

predvsem za to, da shema deluje pristno, saj se vse cevi riše čisto prosto, nastavljiva je samo

debelina, dolžina namreč ne.


Maj 2010 Stran 24

Slika 4-3: Maska animacijskega modela za celotno napravo

Slika 4-4: Maska animacijskega modela za prerez tlačne posode

Da povzamem; risanje je nezahtevno, z majhnim naborom risalnega orodja, vendar od uporabnika

zahteva dobro predhodno organizacijo dela. Predvsem so to izkušnje z obnašanjem programa.

Nikakor ne smemo programa postavljati ob bok sodobnim CAD programskim orodjem, ker so tista

namenjena izključno risanju, SNAP pa omogoča poleg slik še animacije in uvažanje podatkov iz

različnih podatkovnih baz.

4.1.3 Sinhronizacija podatkov med RELAP5 in SNAP

Ko je maska dokončana, lahko animacijski model povežemo s podatkovno bazo. SNAP lahko

»odčitava« podatke iz večjega števila različnih podatkovnih virov, tudi več hkrati. Vendar je pri tem

potrebno paziti na oznake, saj je lahko podatkovna baza obsežna in je možnost izbire parametrov

zares velika. Tu sem se moral sprva naučiti kratic za posamezne parametre, da sem lahko izbral

želene parametre.


Maj 2010 Stran 25

Slaba stran SNAP-a je ta, da kadar osnovno masko prekopiramo na nov list (kjer bomo animirali

različen parameter), moramo vse komponente ponovno povezati s podatkovno bazo. Primer; če se

odločimo na prvi maski animirati tlačno stanje v napravi, moramo na novem listu, kjer smo se odločili

animirati temperaturno stanje, vse komponente ponovno povezati s podatkovnimi kanali, tokrat za

temperaturo. Potrebno se je zavedati, da ima velika večina T-H komponent več delov, in vsako od njih

je potrebno posebej povezati. To pa zahteva kar nekaj časa in truda, še posebno če se snovalec ne

organizira. V mojem primeru sem se uštel zaradi merila risanja, sem pa uporabil možnost začasnega

barvanja komponent.

Dobra stran SNAP-a pa je možnost zamenjave podatkov. Ko sem napravo povezal z RELAP5/MOD3.3

podatkovno bazo (prej RELAP5/MOD3.2), se program ni zmedel, saj so imena kanalov ostala enaka in

je povezava stekla nemoteno.

4.1.4 Zagon animacije

Ko je animacijski model končan, lahko animacijo zaženemo. Čas animacije je v osnovi določen s

podatkovno bazo, vendar lahko časovni korak spreminjamo, s tem pa tudi dolžino animacije.

Pri ogledu se lahko hitro opazijo morebitne napake, saj se hitro opazi barvno odstopanje majhne

komponente, vendar samo v primeru, da so vse sosednje povezane s pravimi kanali.

Da bi bila animacija še bolj prepričljiva, si lahko pomagamo še z nekaterimi že omenjenimi indikatorji

znotraj SNAP-a. Vendar sem imel pri tem nekaj težav. SNAP ponuja možnost animiranja nivoja

tekočine, vendar se indikator nikakor ni zagnal, kljub večkratnemu povezovanju s pripadajočim

kanalom. Napake mi nikakor ni uspelo odkriti, zato animacijska maska ne vsebuje vsega, kar je možno

podati s SNAP-om.

4.1.5 Izris parametrov v programskem okolju AptPlot

Ravno v času, ko sem se lotil dela pred vami, so razvojni programerji ponudili možnost direktnega

komuniciranja med SNAP-om in AptPlot-om. Ponudili so možnost izrisa večjega števila diagramov

naenkrat iz SNAP-a, kar direktno v AptPlot-u, brez da bi slednjega kaj uporabljali (le nameščen mora

biti na računalniško enoto in povezan v nastavitvah SNAP-a). Ker smo želeli stvar preizkusiti in

uporabiti, sem preučil praktično vse možnosti.

Prišli smo do zaključka, da je povezljivost obeh programskih orodij dobrodošla, vendar še izredno

okorna. Če bi hoteli izrisati večje število diagramov naenkrat, bi morali narediti celoten popis stanja,

ki ga želimo. Povedati želim, da je AptPlot zelo nesamostojen in mu je potrebno vsako malenkost

natančno predpisati. Zato sicer obstaja okence v SNAP-u, kjer naj bi napisali skripto za izrisane

diagrame, vendar je tudi skripta zaenkrat še pomanjkljiva. Diagrami, ki so v tem poročilu, so izključno

iz AptPlot-a, vendar sem se vsakemu posebej posvetil in ga uredil direktno v samem programu, saj je

to dosti hitreje, kot pisanje pomanjkljive skripte.

Prednost AptPlota-a vidim predvsem v uvažanju večjega števila podatkov iz različnih tipov

podatkovnih baz.

Tako sem eksperimentalne podatke, ki sem jih prejel v MS Excel-u najprej preuredil; združil sem več

Excel-ovih datotek v dve različni in obe spremenil s pomočjo Data Extractor-ja.


Maj 2010 Stran 26

Potek spreminjanja oblike datotek, po njihovih kraticah:

xls -> csv -> txt -> pib

- Xls: Excel-ova datoteka

- Csv: Excel-ova datoteka v Comma-separated values formatu

- Txt: Tekstovna datoteka v beležnici ali WordPad-u (v tem primeru samo slednji)

- Pib: Format datoteke v Data Extractor-ju (pib – platform independet binary)

Tudi tu je potrebna določena mera organizacije, ker lahko vsako ločilo vejica (comma) pomeni

dodatne težave pri pretvarjanju datotek. Poleg tega pa predlagam smiselno poimenovanje ali

preimenovanje podatkov že v MS Excel-u, tako da bo potem iskanje želenih kanalov lažje.

Ker sem animacijski model povezal z RELAP5/MOD3.3 podatki, sem pripadajoče diagrame zrisal kar

direktno iz SNAP-a, nato pa sem še vsakemu diagramu uvozil podatke za RELAP5/MOD3.2 in

eksperimentalne podatke. Tako sem dobil direktne primerjalne diagrame.

4.2 Primerjava in analiza rezultatov

V vednost naj povem, da je RELAP5/MOD3.3 model za ROSA/LSTF SB-HL-02 še v obdelavi. Potrebno

ga bo še naknadno uglasiti, saj je pri prehodu iz RELAP5/MOD3.2 prišlo do določenih težav, saj se ni

dalo predpisati vseh parametrov začetnega stanj, a ker RELA5/MOD3.3 ne dovoli neničelnih vrednosti

za medfazno hitrost. Za vključitev nepopolnega modela sem se odločil zato, ker je animacijski model

pripravljen za RELAP5/MOD3.3 model in ne za starejšo različico. Kar pomeni, da je vsa naknadna

odelava že narejena in izpopolnjena, le RELAP5/MOD3.3 model bo še potrebno urediti. Problem

nastane predvsem pri popisu ustaljenega stanja, vendar tega do roka oddaje poročila nisem uspel

izpopolniti.

Poleg tega moram povedati, da so diagrami, ki podajajo večje številčne vrednosti parametrov na oseh

nekoliko okrono podani, saj se nekateri znaki niso prenesli pri izvozu iz programa AptPlot v slikovni

format diagrama (GIF, JPEG,…).


Maj 2010 Stran 27

4.2.1 Kronologija pomembnih dogodkov eksperimenta do 1000 s

Čas (s) Dogodek

0 Odpre se ventil, ki simulira zlom

6 Tlak v tlačniku doseže vrednost, pri kateri se sproži signal za zaustavitev reaktorja

9 Tlak doseže vrednost, pri kateri se sproži varnostno vbrizgavanje

10 Fluid na zlomu preide iz enofazne kapljevine v dvofazni tok

11 Ventili na parovodu se zaprejo

12 Sproži se zaustavitev reaktorskih črpalk

13 Ventili napajalne vode se zaprejo

42 Toplotna moč sredice začne upadati

160 Tlak na primarnem krogu pade na nižjo vrednost, kot tlak na sekundarni strani – v hladnih vejah pride do naglega uparjanja

261 Reaktorskim črpalkam izključijo napajanje

280 Fluid na zlomu preide v nasičeno paro

300 - 350 Odkritje in pregrevanje sredice

330 Sproži se vbrizgavanje hladila obeh akumulatorjev

340 Vodni čep v obeh zankah se poruši

640 - 650 Sproži se vbrizgavanje hladila obeh akumulatorjev

856 V zanki s tlačnikom pride do nizko-tlačnega vbrizgavanja

Tabela 4-1: Kronologija pomembnih dogodkov eksperimenta do 1000 s

Ventil, ki je simuliral zlom so zaprli ročno pri 1941 sekundah. Ker kasneje ni prišlo do nobenih večjih

sprememb, je animacija narejena do 1000 sekunde.

4.2.2 Analiza rezultatov po posameznih parametrih

Pri razlagi eksperimenta mi je v veliko pomoč služilo eksperimentalno poročilo Japonske agencije za

atomsko energijo, ki so ga izdali v Februarju 2007, kjer so bili predstavljeni izmerjeni rezultati. Poleg

teh, pa bom vključil tudi numerično izračunane v programih RELAP5/MOD 3.2 in RELAP5/MOD3.3.


Maj 2010 Stran 28

4.2.2.1 Termična moč sredice

Diagram 4-1: Termična moč sredice

Rezultat modela v RELAP5/MOD3.3 je enak izračunu v RELAP5/MOD3.2. Oba pa sta identična

eksperimentalnim podatkom. Tako lepo ujemanje ni zgolj naklučje, saj smo termično moč sredice

vzeli kot robni pogoj, in ga numeričnemu modelu predpisali.

4.2.2.2 Hitrost reaktorskih črpalk

Diagram 4-2: Hitrost reaktorskih črpalk

Tudi obnašanje črpalk je bilo vnaprej predpisano. Takoj po »zlomu« se je kotna hitrost črpalk

povečala, da bi lahko bolj realno popisali pojave v realnem postrojenju, nato pa strmo upadla.


Maj 2010 Stran 29

4.2.2.3 Nivo tekočine v tlačniku

Začetna višina tekočine v tlačniku je bila 2,7 m pri tlaku 15,5 MPa, pri eksperimentu pa je ta znašala

3,64 m, kljub temu, da je bila pred časom 0 s enaka 2,7 m. Pravega vzroka za tako hiter in velik skok

nivoja tekočine (dvigne se skoraj za 1 m v 0,5 s) nisem odkril, kljub natančni preučitvi poročila

eksperimenta.

4.2.2.4 Primarni in sekundarni tlak

Diagram 4-5: Primarni tlak Diagram 4-6: Sekundarni tlak

Diagram 4-3: Eksperimentalni podatki za nivo tekočine v tlačniku Diagram 4-4: Nivo tekočine v tlačniku


Maj 2010 Stran 30

Diagram 4-7: Primerjava tlaka na primarnem in sekundarnem krogu naprave

Tlak na primarni strani začne upadati takoj po zlomu. Izkazalo se je, da je za 10% zlom značilen strm

padec tlaka na primarni strani. Signal za zaustavitev reaktorja je bil sprožen 6 s po zlomu, takrat ko je

tlak v tlačniku padel na 12,97 MPa. Signal za zaustavitev reaktorja je povzročil zaprtje izolacijskih

ventilov glavnih parovodov v uparjalnikih in ustavitev reaktorskih črpalk. Zatem je tlak na sekundarni

strani hitro dosegel vrednost 8 MPa in začel nihati med 8.03 in 7.82 MPa zaradi zapiranja in odpiranja

razbremenilnih ventilov. Najbolj zanimiva pa je primerjava tlaka na primarni in sekundarni strani, saj

prvi pade pod vrednost drugega pri okoli 160 sekundah, kar je povzročilo fazno spremembo fluida v

hladnih vejah primarnega kroga. To se bo lepo videlo tudi na diagramu 4.2.2.17. Takrat uparjalnik ni

več deloval kot ponor toplote, ampak kot izvor.

4.2.2.5 Masni pretok zlomnega ventila

Diagram 4-8: Masni pretok zlomnega ventila


Maj 2010 Stran 31

Masni pretok sprva naraste na najvišjo vrednost, nato pa začne upadati. To je posledica spremembe

fluida, saj ta iz enofazne tekočine preide v dvofazni tok, pri okoli 10 sekundah. Kasneje, pri okoli 280

sekundah, pa fluid zaradi pomanjkanja tekočine v vročih vejah preide v enofazno nasičeno paro.

Sprememba faz je vidna tudi v diagramu 4.2.2.15

4.2.2.6 Temperatura sredice

Diagram 4-9: Temperatura sredice

Z upadanjem termične moči sredice začne padati tudi njena temperatura, saj jo začne obtekajoči fluid

hladiti. Temperatura nekoliko poskoči ob odkritju (300 – 350 s).


Maj 2010 Stran 32

4.2.2.7 Masni pretok glavne napajalne vode

Diagram 4-10: Masni pretok glavne napajalne vode

Kmalu po sproženju signala za zaustavitev reaktorja se je zaustavil tudi dovod glavne napajalne vode.

4.2.2.8 Masni pretok v primarnem krogu

Diagram 4-11: Primerjava izračunanega in eksperimentalnega masnega pretoka v primarnem krogu


Maj 2010 Stran 33

Diagram 4-12: Masni pretok v vroči in hladni veji naprave

Z zaustavljanjem reaktorskih črpalk se je zmanjševal tudi pretok v primarnem krogu. Okoli 250 s po

sproženem signalu za zaustavitev reaktorja se je vzpostavila prisilna cirkulacija. Masni pretok, po

začetku vbrizgavanja akumulatorjev, nakazuje parni tok, induciran s kondenzacijo akumulatorskega

hladila. Tako je prikazan masni tok po 330 s nepravilen.

4.2.2.9 Masni pretok akumulatorskega hladila

Diagram 4-13: Masni pretok vbrizganja akumulatorskega hladila

Sistem akumulatorjev je bil zagnan pri okoli 330 s, ko je tlak na primarni strani padel na 4,51 MPa.

Vbrizgana količina hladila je bila na zanki 1 približno trikrat večja, kot na zanki 2. Vbrizganje se je

sprožilo dvakrat, in sicer med 330 – 460 s in med 600 – 650 s. Padec tlaka na primarni strani se je še

okrepil zaradi kondenzacije pare na akumulatorskem hladilu, ki je bil vbrizgan v hladni veji.

Vbrizgavanje hladila se je zaključilo, ko je tlak padel na 1.6 MPa.


Maj 2010 Stran 34

4.2.2.10 Masni pretok nizkotlačnega vbrizganja v zanki 1

Diagram 4-14: Masni pretok nizkotlačnega vbrizganja v zanki 1

Nizkotlačno vbrizgavanje v zanki 1 se je zagnalo malo pred 900 s, ko je tlak v spodnjem plenumu

tlačne posode padel na vrednost 1,29 MPa.

4.2.2.11 Temperatura in povprečna gostota fluida v vroči veji

Diagram 4-15: Temperatura fluida v vroči veji Diagram 4-16: Gostota fluida v vroči veji

Zaradi relativno velikega zloma na vroči veji, je nivo tekočine nesimetrično nihal v času 75 in 170 s. Ko

je pri okoli 280 s iz vroče veje iztekla vsa tekočina, se je porušil tudi dvofazni tok. Nivo tekočine se je

dvignil po sproženemu vbrizgu hladila iz akumulatorjev. Fluid v vroči veji je že takoj po zlomu postal

nasičen.


Maj 2010 Stran 35

4.2.2.12 Temperatura in povprečna gostota fluida v hladni veji

Diagram 4-17: Temperatura fluida v hladni veji Diagram 4-18: Gostota fluida v hladni veji

Kmalu po zlomu je fluid v hladni veji postal nasičen in je začel »utripati«. Nivo tekočine je začel padati

pri okoli 160 s, istočasno s padcem tlaka na primarni strani pod vrednost tlaka sekundarnega kroga.

Poleg primerjalnih diagramov, sem za eksperiment pripravil še nekaj grafikonov, za katere menim, da

so ravno tako dober pokazatelj dogajanja med eksperimentom, vendar jih snovalci

eksperimentalnega poročila niso navedli. Zatorej ne bom mogel primerjati numeričnih rezultatov z

eksperimentalnimi, lahko pa bom primerjal dve različici izračunanih rezultatov. Kot sem že omenil, je

različica RELAP5/MOD3.3 še v obdelavi, tako da jo bom primerjal z različico RELAP5/3.2, za katero

menim, da je v tem primeru primerna verifikacijska baza podatkov.


Maj 2010 Stran 36

4.2.2.13 Nivo tekočine v reaktorski sredici

Diagram 4-19: Nivo tekočine v reaktorski sredici

Pri obeh različicah pride do hitrega padca nivoja tekočine v sredici. Po aktiviranju akumulatorjev se je

nivo dvignil, vendar je zatem ponovno začel upadati. Na diagramu se lepo vidi odkritje sredice (čas

nekje od 300 s do 350 s). Ko se aktivira nizkotlačno varnostno vbrizgavanje v zanki s tlačnikom, se

nivo tekočine ponovno začne dvigovati.

4.2.2.14 Temperatura fluida okoli sredice

Diagram 4-20: Temperatura fluida okoli sredice

Upadanju toplotne moči sredice sledi tudi temperatura fluida, ki obteka sredico. Na začetku je

razvidna temperaturna razlika fluida, ki jo le-ta pridobi med hlajenjem sredice. Po ponovnem zalitju

sredice, se temperatura fluida ponovno spreminja z njegovo lego (350 – 650 s).


Maj 2010 Stran 37

4.2.2.15 Toplotne izgube naprave

Diagram 4-21: Toplotne izgube naprave

Sistem je bil skoraj v celoti toplotno izoliran. Vendar je vseeno prišlo do določenih toplotnih izgub. Z

upadanjem temperatur posameznih komponent se je zmanjšal tudi tok toplotnih izgub. Povezljivost

je prikazana v diagramu, saj ima sistem z višjimi temperaturami tudi večje toplotne izgube.

4.2.2.16 Integriran masni tok zloma

Diagram 4-22: Integriran masni tok zloma Diagram 4-23: Eksperimentalni nivo tekočine

Diagram podaja količino tekočine v rezervoarju, v katerega se je le-ta stekala preko zlomnega ventila.

Drugače povedano; podano imamo količino tekočine, ki bi v primeru realne nezgode stekla v okolico

sistema, se pravi v zadrževalni hram. Kljub temu, da gre za relativno majhen zlom, je količina

»izgubljenega« fluida kar zajetna, saj znaša 7 ton.


Maj 2010 Stran 38

4.2.3 Pomembnejše eksperimentalne ugotovitve

Eksperiment SB-HL-02 na testni napravi ROSA/LSTF je bil izveden z namenom simulacije 10% zloma

na vroči veji tlačnovodnega reaktorja s posledično izgubo reaktorskega hladila. Predpostavljeno je

bilo:

- Totalna odpoved sistema za visokotlačno varnostno vbrizgavanje (HSPI)

- Odpoved sistema pomožne napajalne vode

Ugotovitve:

1. Hiter padec tlaka na primarni strani je pri 6 s sprožil signal za zaustavitev reaktorja. Pri 160 s

je primarni tlak padel na nižjo vrednost, kot jo je imel sekundarni tlak, kar je povzročilo naglo

uparjanje kapljevine v hladnih vejah.

2. Odkritje sredice pri okoli 300 s zaradi vrenja tekočine v zgornjem plenumu reaktorske tlačne

posode.

3. Vbrizgavanje akumulatorjev se je sprožilo dvakrat: med 330 - 460 s in 600 – 650 s.

Kondenzacija pare na akumulatorskem hladilu v hladnih vejah povzroči porušitev pojava

vodnega čepa v obeh vejah, to pa povzroči odkritje sredice. Nato se je nivo tekočine v sredici

dvignil.

4. Zaradi velike količine nastale pare se je začel tlak na primarni strani ponovno dvigati pri okoli

480 s. Nastajanje pare je sledilo poplavljenju sredice, ki je začasno prekinilo vbrizgavanje

akumulatorjev.

5. Najvišja temperatura srajčk je znašala 630 K in je bila zabeležena tik pred porušitvijo vodnega

čepa.

6. Eksperiment je bil zaključen s sproženjem nizkotlačnega varnostnega vbrizgavanja (LPSI) , s

tem pa je bil zagotovljen dolgoročni hladilni sistem sredice.

4.2.4 Video posnetek animacijskega modela

Poročilu sem priložil tudi zgoščenko, na kateri se poleg elektronske oblike poročila nahaja tudi

sestavljeni video posnetek vseh izdelanih animacij.

Video v celoti sestoji iz desetih posnetkov. Sprva sem se osredotočil na parametričen popis

eksperimenta, zatem pa sem posnel še regulacijske sisteme v obliki blokovnih diagramov. Poleg

dogajanja v celotni napravi sem želel prikazati tudi stanje v tlačni posodi, saj je s tem prikazana tudi

realna oblika le-te. Ker so vse štiri veje primarnega kroga na vhodu v tlačno posodo na enaki višini,

sem bil primoran na 2D maski animacijskega modela cevi risati na različnih višinah.

Sestavljeni video posnetek je hkrati tudi nazorni pokazatelj poteka eksperimenta, saj se določeni

ključni dogodki, kot je recimo odkritje sredice, zlahka opazijo. Poleg tega pa pomeni tudi korak naprej

k sodobnejšemu opazovanju dejanskih eksperimentov, nezgod ali pa simulacij prehodnih pojavov.


Maj 2010 Stran 39

5 Napredek programskih orodij

Kar nekaj časa sem posvetil raziskovanju in preučevanju programskega orodja AptPlot in pripadajočih

podprogramov.

Sprva sem se posvetil izključno programskemu paketu SNAP, saj je bila moja primarna naloga

ureditev vhodnega modela (nodalizacija). Program sam po sebi ni toliko zahteven, vendar kot skoraj

vsi uporabljeni programi pri tej raziskovalni nalogi, zahteva od uporabnika veliko mero organiziranosti

in predpriprav. Šele po že opravljenem določenem koraku se uporabnik zave nekaterih drugih

možnosti, predvsem krajših korakov, ki so možni.

V primerjavi z Microsoft-ovimi ali nekaterimi splošnimi načrtovalnimi orodji (AutoCAD, SolidWorks,

Catia, CFX, …), so omenjeni zelo okorni. Ne ponujajo nekaterih osnovnih ukazov (npr: »korak nazaj –

undo«), določeni ukazi pa so v različnih omejitvah (predvsem mislim tukaj prilagajanje merila T-H

komponent).

Upam, da bom vsaj v majhni meri pripomogel k izboljšanju programskih orodij za vizualizacijo

sistemov v jedrski tehniki, predvsem večjih T-H postrojenj in da bodo predlogi, podani z moje strani,

dočakali realizacijo.


Maj 2010 Stran 40

6 Zaključek

S to raziskovalno nalogo sem hotel postaviti celovit animacijski model eksperimenta SB-HL-02 na

japonski napravi ROSA/LSTF, čigar izračun je bil vršen v programu RELAP5/MOD3.3. Hkrati sem skušal

uporabiti vse možnosti, ki jih ponujajo v za-to namenjena programska orodja. V ta namen sem

postavil več mask animacijskega modela, s katerimi sem popisal parametrično stanje in logiko

regulacijskih sistemov med animacijo eksperimenta. Določene zanimive parametre sem skušal

predstaviti v diagramih in jih primerjati z rezultati izračuna v RELAP5/MOD3.2 ter eksperimentalnimi

rezultati.

Namen v ozadju naloge je bila priprava orodij za obsežnejše analize s programom RELAP5/MOD3.3

(analiza občutljivosti in negotovosti). Vendar do datuma oddaje poročila v namen natečaja Reaktor

odstopanj nisem uspel popraviti, zato so v nekaterih diagramih vidne očitne razlike med numeričnima

izračunoma. Primerjava z eksperimentalnimi rezultati pa je logična, saj je s tem izvedena verifikacija

numeričnih rezultatov in posledična ocena zanesljivosti uporabljenih programskih orodij.

Med delom so se pokazale določene pomanjkljivosti programov, nekatere še za nezahtevne

uporabnike zelo okorne. Vendar je bila preučitev in ocena teh programskih orodij tudi del

raziskovalne naloge, tako da se kmalu pričakuje določene izboljšave. S tem pa bi se omenjeni

programi vsaj delno približali podobnim orodjem v sorodnih raziskovalnih smereh, saj bosta tako

preučevanje in analiza eksperimentov še bolj zanimiva, predvsem pa bolj nazorna.

7 Zahvale

Zahvalil bi se rad vsem sodelavcem iz odseka R-4 na Reaktorskem centru, ker so me tako lepo sprejeli

medse in mi ponudili izvrstno priložnost za dodatno izobraževanje in mi dovolili raziskovati na

področju jedrske tehnologije. Še posebno bi se rad zahvalil svojemu mentorju dr. Andreju Prošku, ki

mi je predstavil področje T-H analiz in me potrpežljivo učil in usmerjal tekom projekta. Z njegovo

pomočjo sem našel področje, kjer bi se rad udejstvoval tudi skozi celotno poklicno kariero. Zahvalil pa

bi se tudi japonskemu institutu za RELAP5 model in vse podatke, na katerih sem gradil predstavljen

projekt.

8 Reference [1] Applied Programming Technology, Inc.: Symbolic Nuclear Analysis Package (SNAP)

User's Manual, April 2007

[2] Takeshi TAKEDA, Japan Atomic Energy Agency (JAEA): Sample Input Deck for

RELAP5/MOD3.2 Code Analysis of ROSA/LSTF Experiment and Nodalization

Decription, Februar 2007

[3] Kukita Y., Japan Atomic Energy Research Institute (JAERI): Data Report for ROSA-IV

LSTF 10% Hot Leg Break Experiment Run SB-HL-02, Report JAERI-M 90-039, 1990


Maj 2010 Stran 41

9 Priloge

9.1 Video posnetek animacije

Posnetek se nahaja na priloženi zgoščenki.

9.2 Slike animacijskega modela po posameznih parametrih

Vse slike so posnete ob času 0 s, tako da lahko z njimi prikažemo parametre v ustaljenemu stanju.

9.2.1 Tlak

Slika 9-1: Maska animacijskega modela za popis tlačnega stanja


Maj 2010 Stran 42

9.2.2 Fazno stanje fluida

Slika 9-2: Maska animacijskega modela za popis faznega stanja fluida


Maj 2010 Stran 43

9.2.3 Delež praznin

Slika 9-3: Maska animacijskega modela za popis deleža praznin

9.2.4 Temperatura fluida v prerezu tlačne posode

Slika 9-4: Maska animacijskega modela za popis temperaturnega stanja fluida v reaktorski posodi


Maj 2010 Stran 44

9.2.5 Fazno stanje fluida v prerezu tlačne posode

Slika 9-5: Maska animacijskega modela za popis faznega stanja fluida v reaktorski posodi

9.3 Blokovni diagrami kontrolnih sistemov

9.3.1 Glavni signali

Slika 9-6: Blokovni diagram glavnih signalov eksperimenta


Maj 2010 Stran 45

9.3.2 Uravnavanje mase v sistemu

Slika 9-7: Blokovni diagram regulacije mase v napravi


Maj 2010 Stran 46

9.3.3 Uravnavanje ventilov

Slika 9-8: Blokovni diagram regulacije ventilov


Maj 2010 Stran 47

9.3.4 Kronologija signalov

Slika 9-9: Kronološki blokovni diagram signalov pomembnejših dogodkov

Documents

Razvoj in multimedijski prikaz animacijskega modela ... · Institut »Jožef Stefan« - Odsek za reaktorsko tehniko (R4) Maj 2010 Stran 5 Kazalo slik Slika 2-1: Primerjava realnega