Reaktorfizika, termohidraulika, programozás

Szabadon választható tárgy az Energetikai mérnök MSc, Fizikus MSc, és Fizikus PhD képzésen

A tantárgy célja az atomreaktorok multifizikai modellezése elméleti alapjainak és gyakorlati módszereinek megismertetése. A hallgatók átfogó ismereteket szereznek a reaktorfizika, a termohidraulika és a fűtőelem-termomechanika közötti kölcsönhatásokról, valamint a reaktivitás-visszacsatolási mechanizmusokról és a multifizikai folyamatok numerikus kezeléséről. A tantárgy bemutatja a csatolt számításokhoz szükséges csoportállandó-generálási és parametrizálási eljárásokat, a kiégési és reaktorméreg-folyamatok modellezését, továbbá a csatolt megoldóalgoritmusokat és azok alkalmazását stacioner és tranziens reaktorelemzésekben. A kurzus során a hallgatók gyakorlati példákon keresztül ismerkednek meg a csatolt atomerőművi számítások verifikációs és validációs gyakorlatával, a bizonytalanságelemzés folyamatával, valamint betekintést kapnak az atomerőművi biztonságelemzések módszertanába és korszerű alkalmazásaiba.

1. Bevezetés a nukleáris reaktorok multifizikai modellezésébe. Gyakorlat: Multifizikai folyamatok bemutatása egy kétdimenziós forralóvizes reaktor (BWR) tranziensének segítségével.
2. Reaktorfizikai és a termohidraulikai alapok. Gyakorlat: A pontkinetikai egyenletek analitikus megoldása; a késő neutronok hatásának vizsgálata; példák a hűtőközeg felmelegedésének számítására.
3. A fűtőelem termo-mechanikájának alapjai. Gyakorlat: Hőátadási számítások atomerőművi fűtőelemekre.
4. Reaktivitás-visszacsatolások és csatolt fizikai jelenségek. Gyakorlat: A reaktivitás változásának becslése hőmérséklet-, sűrűség- és üregtényező-változások hatására.
5. Hatáskeresztmetszet-könyvtárak és a visszacsatolások kezelése. Gyakorlat: Csoportállandók előállítása különböző reaktorállapotokra és azok parametrizálása.
6. Rövid és hosszú időskálájú fizikai folyamatok – reaktormérgek és kiégés. Gyakorlat: A jód és xenon-koncentrációk időbeli alakulásának szimulációja teljesítményváltozás után; a kiégés visszacsatolási mechanizmusokra gyakorolt hatásának becslése.
7. Csatolási algoritmusok és megoldóarchitektúrák. Gyakorlat: Egyszerűsített csatolt reaktorfizikai-termohidraulikai feladat megoldása, ahol a teljesítmény a hőmérséklettől, a hőmérséklet pedig a teljesítménytől függ.
8. Csatolt stacionárius reaktorelemzés. Gyakorlat: Csatolt stacionárius iteráció végrehajtása és a konvergencia vizsgálata.
9. Csatolt tranziens elemzés. Gyakorlat: Reaktivitásbevitel vizsgálata a reaktor teljesítménye, az üzemanyag-hőmérséklete, a hűtőközeg hőmérséklete és sűrűsége időbeli változásának követésével.
10. Verifikáció, validáció és bizonytalanságelemzés. Gyakorlat: Érzékenységvizsgálat egy vagy két bizonytalan paraméter változtatásával, valamint ezek hatásának értékelése például a maximális üzemanyag-hőmérsékletre és a teljesítménymaximumra.
11. Bevezetés az atomerőművek biztonságelemzésébe. 
12. Esettanulmány: Szuperkritikus vízhűtésű kis moduláris reaktor (SCW-SMR) csatolt reaktorfizikai és termohidraulikai modellezése.
13. Esettanulmány: VVER reaktorok csatolt reaktorfizikai és termohidraulikai modellezése.

The aim of the course is to provide students with the theoretical background and practical methodologies of multiphysics modelling of nuclear reactors. Students will gain a comprehensive understanding of the interactions between reactor physics, thermal hydraulics and fuel thermomechanics, as well as the mechanisms of reactivity feedback and the numerical treatment of coupled physical phenomena. The course introduces group constant generation and parameterization techniques required for multiphysics simulations, the modelling of fuel depletion and reactor poisoning, and coupling algorithms applied in steady-state and transient reactor analyses. Through practical exercises, students will become familiar with the verification, validation and uncertainty quantification of coupled simulations, while also gaining an overview of the principles and methodologies of nuclear reactor safety analysis and their application to advanced reactor concepts.

1. Introduction to Nuclear Reactor Multiphysics. Practice: Demonstration of coupled processes using a two-dimensional BWR transient.
2. Reactor Physics and Thermal-hydraulics Fundamentals. Practice: Analytical solution of the point kinetics equations: the effect of delayed neutrons; examples of coolant heat-up calculations.
3. Fuel Thermomechanics Fundamentals. Practice: Fuel heat-transfer calculations.
4. Reactivity Feedback and Coupled Physical Phenomena. Practice: Estimation of reactivity response to temperature, density and void changes.
5. Cross-Section Libraries and Feedback Treatment. Practice: Group constant generation for multiple reactor states and parametrisation.
6. Short- and Long-Term Physical Processes – Reactor Poisoning and Depletion. Practice: Simulation of the iodine-xenon evolution after a power change; Estimation of the effect of burnup on the feedback mechanisms.
7. Coupling Algorithms and Solver Architectures. Practice: Solution of a simplified coupled reactor physics and thermal-hydraulics problem where power depends on temperature and temperature depends on power.
8. Coupled Steady-State Reactor Analysis. Practice: Coupled steady-state iteration exercise with convergence monitoring.
9. Coupled Transient Analysis. Practice: Reactivity insertion exercise by tracking the temporal evolution of the power, fuel temperature, coolant temperature and density.
10. Verification, Validation and Uncertainty Quantification. Practice: Sensitivity study – by varying one or two uncertain parameters, evaluating their effect on peak fuel temperature, peak power, etc.
11. About the Safety Analysis of Nuclear Reactors.
12. Case Study 1: Coupled Reactor Physics and Thermal-Hydraulics Modelling of an SCW-SMR.
13. Case Study 2: Coupled Reactor Physics and Thermal-Hydraulics Modelling of VVERs.

A projektfeladat pótlása lehetséges az pótlási hét végéig / It is possible to complete the project assignment by the end of the make-up week.

Heti rendszerességgel a tárgyfelelős által a hallgatókkal az első előadás alkalmával egyeztetett időpontban. / Weekly, at a time agreed between the course coordinator and the students during the first lecture.

DEMAZIÈRE, Christophe. Modelling of Nuclear Reactor Multi-physics: From Local Balance Equations to Macroscopic Models in Neutronics and Thermal-Hydraulics. 1st ed. London: Academic Press, Elsevier, 2020. ISBN 978-0-12-815069-6.

TODREAS, Neil E. és KAZIMI, Mujid S. Nuclear Systems Volume I: Thermal Hydraulic Fundamentals. 3rd ed. Boca Raton, FL: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2021. ISBN 978-1-351-03050-2.

TODREAS, Neil E.; KAZIMI, Mujid S.; MASSOUD, Mahmoud. Nuclear Systems Volume II: Elements of Thermal Hydraulic Design. 2nd ed. Boca Raton, FL: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2021. ISBN 978-0-367-19374-9.

PETRANGELI, Gianni. Nuclear Safety. 1st ed. Oxford: Elsevier Butterworth-Heinemann, 2006. ISBN 978-0-7506-6723-4.

56

13

0

0

55

0

26

0

150

150

Dr. Babcsány Boglárka

egyetemi adjunktus

NTI Atomenergetika Tanszék

Dr. Czifrus Szabolcs