The Effect of Load Follow Operation on Fuel Behaviour in Loviisa NPP

Työn tarkoituksena oli analysoida polttoainesauvojen käyttäytymistä Loviisan ydinvoimalaitoksen tehonsäätöajossa. Sähkömarkkinoiden vapautuminen Pohjoismaissa sekä tämän seurauksena vaihteleva sähkön markkinahinta ovat ajaneet sähkötuottajat tilanteeseen, jossa tuotanto aiempaa enemmän mukautuu markkinatilanteeseen. Näin ollen myös Loviisan ydinvoimalaitoksen osallistuminen sähkön tuotannon säätelyyn saattaa tulevaisuudessa olla ajankohtaista. Ennen kuin reaktorin tehonsäätöajoa voidaan alkaa toteuttaa, tulee varmistua siitä, että polttoainesauvassa tehonsäätöjen seurauksena tapahtuvat muutokset eivät aiheuta epäsuotuisia käyttäytymisilmiöitä. Työssä tarkastellaan kahden Loviisan ydinvoimalaitoksen polttoainetoimittajan, British Nuclear Fuels plc:n ja venäläisen TVEL:n ensinippujen polttoainesauvan käyttäytymistä tehonsäätötapauksissa. Työssä tarkastellut tehonsäätötapaukset on pyritty valitsemaan niin, että ne kuvaisivat tulevaisuudessa mahdollisesti toteutettavia tehonsäätöjä. Laskentatapauksien sauvatehohistoriat on generoitu HEXBU-3D sydänsimulaattoriohjelmalla lasketun nelivuotisen perustehohistorian pohjalta lisäämällä säätösauvan aiheuttama reaktoritehon muutos, säätösauvan viereisen polttoainenipun aksiaalitehon muutos sekä säätösauvan rakenteen aiheuttama paikallinen tehopiikki säätösauvan vieressä. Työssä tarkastellaan tehonsäätöjen toteuttamista eri tehotasoille ja vaihtelevilla määrillä tehonsäätösyklejä. Työssä käsitellyt laskentatapaukset on jaoteltu reaktorin ajotavan mukaan seuraavasti: peruskuorma-ajo, viikonloppusäätö ja päiväsäätö. Laskenta suoritettiin ydinpolttoaineen käyttäytymistä kuvaavaa ENIGMA-B 7.3.0 ohjelmaa apuna käyttäen. Laskelmien tulokset osoittavat, että molempien polttoainetoimittajien ensinippujen sauvat kestävät reaktorin tehonsäätöajoa rajoituksetta tarkastelluissa laskentatapauksissa. ENIGMA-ohjelman sisältämät mallit, jotka ennustavat polttoainesauvan suojakuoren vaurioitumistodennäköisyyden jännityskorroosion tai väsymismurtuman kautta, eivät näytä mitään merkkejä vaurioitumisesta. BNFL:n polttoainesauva saavuttaa kuitenkin suurempia väsymismurtumatodennäköisyyden arvoja. Tämä johtuu siitä, että polttoainepelletin ja suojakuoren välinen mekaaninen vuorovaikutus syntyy BNFL:n sauvassa aikaisemmin, joka taas johtaa suurempaan määrään sauvaa rasittavia muodonmuutoksia tehonnostotilanteissa. TVEL:n Zr1%Nb -materiaalista valmistetun suojakuoren käyttäytymistä ei voida kuitenkaan suoraan näiden laskujen perusteella arvioida, sillä ENIGMA-ohjelman mallit perustuvat Zircaloy-suojakuorimateriaaleilla suoritettuihin kokeisiin.

In this work evaluation of fuel performance under reactor power cycling has been carried out. Until recently Loviisa NPP has been operated serving base load, that is, the reactor is operated practically at its full capacity and the amount of power manoeuvrings is limited to ten weekend cyclings per annual cycle. In the future the need for power manoeuvring of Loviisa NPP may increase due to varying electricity prices in the de-regulated Scandinavian market. Before starting the power manoeuvring one has to make sure that good fuel performance is not jeopardised. A variety of load-follow operation schemes were considered as potential cases for future load follow operation. Core operation analysis tools HEXBU-3D/ELSI-1440 were used in generation of the four-cycle power histories. Axial power asymmetry and reactor power reduction due to control rod insertion were included as well as the local power peaking due to the absorber-follower junction. The analysis encompasses power cy-cling to different power levels as well as different cycling frequencies and low-power durations. Following modes of operation were studied: constant base-load, weekend power cycling and daily power cycling. Load-follow operation performance of two new fuel assembly types provided by British Nuclear Fuels plc and TVEL was studied. ENIGMA-B 7.3.0 fuel performance code was applied in the fuel performance evaluation. The results of the evaluations suggest that both fuel types withstand load follow operation without limitations. The results of ENIGMA calculations do not suggest rod integrity loss due to cladding fatigue or stress-corrosion cracking. Slightly more effects of load follow operation can be seen on the BNFL cladding compared with TVEL fuel, which is due to earlier pellet-cladding contact resulting in larger number of fatiguing strain cycles. However, some uncertainty must be placed on results obtained for TVEL Advanced Assembly rod, which is made of Zr1%Nb cladding alloy E110. The ENIGMA models predicting cladding fatigue and stress-corrosion cracking are based on experiments carried out for Zircaloy cladding alloys and it may not be justified to compare different cladding types by applying the same formulae.