Monitorovací systém aktivní zóny reaktoru SCORPIO-VVER na JE Dukovany J. Molnár, R. Vočka Monitorovací systém aktivní zóny jaderného reaktoru slouží ke sledování a vyhodnocování parametrů primárního okruhu reaktoru a ke kontrole provozních a bezpečnostních limitů aktivní zóny. Na JE Dukovany je již 12 let v provozu monitorovací systém SCORPIO-VVER. Jedná se o pokročilý, redundantní softwarový systém bez akčních členů na technologii, který je zařazen do bezpečnostní třídy BT3. Systém SCORPIO-VVER zajišťuje trvalé monitorování aktivních zón všech čtyřech bloků JE a tím výrazně přispívá k bezpečnému, spolehlivému a efektivnímu provozu této jaderné elektrárny. Dodavatelem a servisní organizací monitorovacího systému aktivní zóny reaktoru SCORPIO-VVER je Ústav jaderného výzkumu Řež a.s. Historie: Systém SCORPIO-VVER, určený pro reaktory typu VVER-440 v213, byl vyvinutý z původního projektu SCORPIO primárně určeného pro tlakovodní reaktory PWR západního typu. Hlavním vývojářem systému SCORPIO byl norský Institut for Energiteknikk OECD Halden reaktor Project (IFE HRP). První prototyp systému byl nainstalovaný na jaderné elektrárně Ringhals 2 ve Švédsku v roce 1897. V roce 1994 byl systém uveden do provozu na britské elektrárně Sizewell B (PWR) a pak na 7 blocích jaderné elektrárny Duke Power Co. (Catawba, Oconee obě PWR) v USA. Speciální verze systému SCORPIO-BWR pro varné reaktory je od roku 2002 provozu na elektrárně TIARA v Japonsku. Vývoj a implementace první verze systému SCORPIO pro reaktory VVER, určeného pro JE Dukovany, proběhla v letech 1996-1997. Tento vývoj byl podporován japonskou státní organizací STA JAPAN a OECD Nuclear Energy Agency v rámci projektu Enhancement of VVER-type Power Plant Core Monitoring Function. Systém SCORPIO-VVER byl vyvinutý IFE HRP v úzké spolupráci s českými organizacemi Chemcomex Praha, a.s., Škoda JS, a.s. a ÚJV Řež a.s. Později, v roce 2001 se do vývojářského týmu připojila i slovenská organizace VUJE, a.s. Od roku 1998 byl upravený systém SCORPIO-VVER postupně instalovaný na všech 4 blocích JE Dukovany jako náhrada původního ruského systému VK3. V září 1998 byl systém SCORPIO-VVER licencován SÚJB jako systém pro sledování provozu a kontroly provozních a bezpečnostních limitů aktivní zóny reaktoru. Od roku 2000 monitorovací systém SCORPIO-VVER pracuje na všech blocích JE Dukovany a o rok později byl uveden do provozu i na dvou blocích JE Jaslovské Bohunice V2 na Slovensku. Popis systému: Systém SCORPIO-VVER má modulární architekturu založenou na prostředcích komunikačního softwaru SoftwareBus, zajišťujícího peer-to-peer komunikaci mezi jednotlivými moduly sdílejícími společná data. Grafické uživatelské rozhraní je vytvořeno pomocí software ProcSee. ProcSee i SoftwareBus jsou produkty organizace IFE Halden. Monitorovací systém pracuje na operačním systému HP-UNIX na architektuře PA- RISC. 1 / 6
Monitorovací systém aktivní zóny reaktoru SCORPIO-VVER na JE Dukovany Systém sledování AZ systém Vstupní Vstupníměřená měřenádata datazzbloku bloku IDATP IDATP Generátor Generátorstrategií strategií SG SG 3D rekostrukce 3Dvýkonová výkonovárekonstrukce rekostrukce 3DREC 3DREC simulátor simulátor SIMPred SIMPred Kontrola Kontrolalimitů limitůaarezerv rezerv CHECK CHECK Kontrola Kontrolalimitů limitůaarezerv rezerv PLC/TH PLC/TH Výpočet Výpočetrezervy rezervypci PCI PES PES Výpočet Výpočetrezervy rezervypci PCI PESPred PESPred Monitorování aktivity Monitorování aktivity chladiva chladivai.o. I.O. PEPA PEPA Monitorování Monitorováníaktivity aktivity chladiva chladivai.o I.O PEPAPred PEPAPred Měření Měřeníreaktivity reaktivity KRITEX KRITEX Zápis Zapis Zapisaalogování logování LOG LOG Administrace AdministraceModulů Modulů -MADM MADM MMI MMI Operátor Operátor/Reaktorový / Reaktorový fyzik / Správce Operátor/Reaktorovýfyzik/Správce fyzik/správce systému systému Obr. 1: Blokový diagram hlavních modulů systému SCORPIO-VVER Systém SCORPIO získává vstupní data z vnitro a vně reaktorového měření (ze systémů IN-CORE, PAMS, PCS, RRCS, IDMS) prostřednictvím výpočetních stanic systému PCS. Perioda snímání signálů systémem z IN-CORE instrumentace nepřekročí 2 sekundy. Na výstupu systému SCORPIO-VVER jsou k dispozici víc než 74tisíc periodicky obnovovaných parametrů z měření a z výpočtů. Monitorovací systém pracuje ve dvou režimech, a to v režimu sledovacím a v režimu prediktivním. Ve sledovacím režimu systém na základě validovaných vnitro i vně reaktorových měření a nezávislých výpočtů kontinuálně vyhodnocuje a sleduje hlavní parametry aktivní zóny a primárního okruhu, provádí 3D rekonstrukci rozložení výkonu v aktivní zóně a provádí kontrolu provozních a bezpečnostních limitů aktivní zóny reaktoru. Detailní informace o provozu reaktoru a o limitovaných parametrech získává operátor reaktoru skrze grafické uživatelské rozhraní obsahující parametry bloku, kartogramy mapy zóny, tabulky a grafy. Ve sledovacím režimu mezi hlavní funkce systému SCORPIO-VVER patří: příjem, validace a zpracování vstupních měřených signálů, stanovení trojrozměrného rozložení výkonu v aktivní zóně, 2/6
Monitorovací systém aktivní zóny reaktoru SCORPIO-VVER na JE Dukovany interpretace signálů samonapájecích detektorů neutronového toku, výpočet rezerv do termálních limitů a kontrola plnění Limitů a podmínek pro provoz aktivní zóny, výpočet rezerv do limitních hodnot pro rozvoj mechanické interakce palivo-povlak (PCMI), vyhodnocování aktivity primárního chladiva a případně predikce množství netěsných palivových proutků, sledování dosahování kritického stavu reaktoru, archivace výsledků výpočtů a měřených dat. V prediktivním režimu může operátor reaktoru simulovat plánované výkonové změny, a to až několik dnů dopředu. Při výpočtech je opět kontrolováno nepřekročení provozních limit. V prediktivním režimu plní systém následující funkce: návrh optimální realizace plánovaných výkonových změn za provozu reaktoru, stanovení kritických parametrů reaktoru (koncentrace kyseliny borité, poloha HRK), přesný přepočet plánovaných přechodových procesů, kontrola provozních limitů prostřednictvím prediktivních modulů, predikce vývoje aktivity primárního chladiva. Další funkce systému zahrnují nastavení přístupových práv pro různé skupiny uživatelů (operátor, fyzik a správce) a zálohování archívů dat. Systém má široce konfigurovatelný tiskový výstup, který umožňuje sestavení a tisk specifických protokolů podle požadavků operátora a provozního personálu. Systém SCORPIO-VVER je koncipován jako blokový systém s plnou 100% zálohou. Na každém bloku EDU pracují dvě blokové pracovní stanice (Scorpio1 a Scorpio2), z nichž jedna (hlavní) je aktivní a druhá (tzv. backup ) pracuje v záložním režimu. Záložní stanice umožňuje v případě výpadku hlavní stanice automaticky převzít veškeré funkce systému bez ztráty provozní historie. Systém přechází automaticky na záložní stanici v případě hardwarové poruchy hlavní stanice, ztrátě funkčnosti některého z důležitých modulů systému nebo ztráty komunikace se zdrojem dat. Systém je možno převést na záložní stanici i ručně, čehož je možno využít například při úpravě hardware. Uživatelské rozhraní monitorovacího systému SCORPIO-VVER je přímo dostupné na blokové dozorně na pracovištích operátora primárního okruhu a vedoucího reaktorového bloku. Celá komunikační trasa mezi blokovou dozornou a systémem SCORPIO je redundantní. Systém SCORPIO-VVER je dostupný i provozním fyzikům přímo na jejich pracovišti v administrativní budově prostřednictvím tzv. nadblokového systému, který je tvořen čtyřmi pracovními stanicemi - pro každý reaktorový blok jednou. Z důvodů bezpečnosti je komunikace dat mezi blokovým a nadblokovým systémem jednosměrná. Upgrade systému přizpůsobování systému k provozu reaktoru a požadavkům provozovatele Od spuštění v roce 1998 systém prošel několika upgrady, v rámci kterých byl vždy upraven a inovován podle přání jeho provozovatele a v souladu s novými požadavky na bezpečný a spolehlivý provoz reaktoru. Provádění těchto úprav bylo výrazně usnadněno modulárností a univerzálností celého systému. Za 12 let provozní historie systému SCORPIO-VVER na JE Dukovany bylo těchto upgradů provedeno celkem 5. Název modifikace: Upgrade I Upgrade II Upgrade III Datum provedení: 2000 2002 2004 Upgrade IV 2005 Upgrade V 06/2007-12/2009 Cílené bloky: Postupná instalace na všech blocích EDU podle harmonogramu obnovy SKŘ (na 4. bloku v roce 2009). První dva upgrady byly zaměřeny převážně na ladění jednotlivých modulů systému. Další upgrady III, IV a V představovaly komplexní změny v systému vývoj a implementace nových modulů, rozšíření existujících fyzikálních a komunikačních modulů a výměnu hardwaru. Upgrade III systému SCORPIO-VVER (2004): Hlavním cílem realizace Upgrade III systému SCORPIO-VVER pro JE Dukovany byla adaptace funkcí systému pro efektivní kontrolu limitů a podmínek a podporu provozu aktivní zóny s palivem typu Gd-2. Jedná se o typ paliva s inovovanými konstrukčními charakteristikami, kdy byly změněny rozteč a průměr palivových proutků a byl prodloužen palivový sloupec. Vzhledem k těmto změnám bylo třeba provést úpravy metod neutronověfyzikálního modelování, modelování termohydraulických poměrů v aktivní zóně reaktoru a modelování termomechanického chování palivo-povlak z hlediska PCMI. Simulátor aktivní zóny byl upraven tak, aby umožnil výpočty směsných zón s kazetami s různou délkou palivového sloupce. V souvislosti s tím byly implementovány nové knihovny difúzních konstant a byla změno axiální dělení palivových kazet. Vzhledem 3/6
k tomu, že limity a podmínky pro palivo typu Gd-2 se odlišují od limitů a podmínek starších paliv typu Gd-1, musel být upraven i modul CHECK pro kontrolu limitů tak, aby umožnil nezávislou kontrolu dvou množin limitních parametrů. V tomto smyslu bylo upraveno i uživatelské rozhraní. Obr. 2: Aktivní zóna reaktoru s palivovými soubory různých aktivních délek Upgrade IV systému SCORPIO-VVER (2005): Hlavním úkolem Upgrade IV systému SCORPIO-VVER bylo přizpůsobení jednotlivých modulů novému SKŘ a začlenění celého systému do nově vzniklé redundantní sítě IN-CORE v rámci generální opravy 3. bloku JE Dukovany. Programové moduly systému byly modifikovány s ohledem na změny v souboru vstupních dat, změny způsobu komunikace se vstupními a výstupními bránami a z toho plynoucí změny uživatelského rozhraní MMI. Další změny byly provedeny v konfiguraci jednotlivých modulů i operačního systému HP-UX na pracovních stanicích Scorpio pro integraci do redundantní sítě IN-CORE, komunikaci se vzdálenými tiskárnami, vzájemnou komunikaci stanic Scorpio1/2 a pro vzdálenou správu systému: - Obě stanice Scorpio1/2 byly připojeny k oběma větvím redundantní sítě IN-CORE (bylo zrušeno rozdělení sítí na vstupní a výstupní větev); - Vstupní i výstupní komunikační část systému SCORPIO-VVER byla přepracována a rozšířena o nové vstupy z jednotlivých zdrojů dat (IN-CORE, IDMS, RRCS, PAMS, PCS); - Vstupní i výstupní bránou pro komunikaci se systémem SCORPIO-VVER se staly výpočetní stanice VS3 a VS4 systému PCS; - Systém SCORPIO-VVER byl rozšířen o možnost připojení až 3 nezávislých externích plnohodnotných terminálů pro sledování a kontrolu parametrů aktivní zóny reaktoru; - Začleněním systému do redundantní sítě SKŘ se staly všechny výstupy systému přístupné na prostředcích PCS a IN-CORE. S integrací stanic systému SCORPIO-VVER do redundantní sítě IN-CORE bylo zaručeno stoprocentní zabezpečení přenosu dat mezi stanicemi VS3/4 a stanicemi Scorpio1/2 při jakékoliv jednonásobné poruše v komunikaci. Zapojení zajišťuje odolnost systému i proti některým dvojnásobným i trojnásobným poruchám, přičemž k úplné ztrátě spojení a přerušení přenosu může dojít až při výpadku zařízení včetně jeho zálohy. 4 / 6
Obr3. Implementace pracovních stanic systému SCORPIO-VVER do redundantní sítě nové SKŘ. Upgrade V systému SCORPIO-VVER (2007-2009): Poslední a jednu z nejrozsáhlejších modifikací monitorovacího systému na JE Dukovany představuje Upgrade V systému. Akce, která byla vyvolána celkovou zakázkou "Využití projektových rezerv bloků EDU", byla ukončena v roce 2009. Cílem byla adaptace funkcí systému pro efektivní kontrolu limitů a podmínek a podporu provozu aktivní zóny reaktoru na zvýšeném nominálním výkonu 105% (1444 MWt). Dalším důležitým bodem bylo vylepšení modulu zajišťujícího rekonstrukci 3D rozložení výkonu v aktivní zóně. Tato rekonstrukce je prováděna na základě simulátorem predikovaného rozložení výkonu a na základě měření vnitroreaktorové instrumentace. V původní verzi systému byla pro rekonstrukci radiálního rozložení výkonu využívána měření teplot na výstupu z kazet a pro rekonstrukci axiálního profilu výkonu pak měření neutronového toku pomocí samonapájecích detektorů. V nové verzi systému jsou data ze samonapájecích detektorů neutronového toku použita spolu s teplotními měřeními i pro rekonstrukci radiálního rozložení výkonu, díky čemuž je možno s lepší přesností určit věrohodnost signálů jednotlivých čidel a tím i zpřesnit celkové výsledky rekonstrukce. Kontrola LaP v rámci Upgrade 5 byla kompletně přepracována a byla přizpůsobena aktuálním požadavkům na jadernou bezpečnost. Stará filozofie sledování nejvyšších hodnot a jejich porovnání limitním hodnotám dělení paliva na omezený počet skupin byla opuštěna. V nové verzi modulu pro kontrolu LaP jsou sledované nejmenší rezervy jednotlivých parametrů a je zajištěna možnost nastavení i kontroly limitů pro každou palivovou kazetu samostatně, tj. až 59 palivových kazet individuálně v 60 symetrii. Provádí se kontrola rezerv čtyř v současnosti limitovaných parametrů do příslušných limitních hodnot: poproutkového koeficientu nevyrovnání, teploty na výstupu palivové kazety, ohřevu chladiva na palivové kazetě a lokálního výkonu palivového proutku. Kromě toho jsou vyhodnocovány i další nelimitované bezpečnostní parametry: rezerva teploty na výstupu subkanálu do teploty sytosti a odstup od krize varu. V souvislosti se změnou filozofie sledování LaP byly také provedeny odpovídající úpravy grafického uživatelského rozhraní MMI, kde jsou nyní zobrazeny rezervy příslušných limitních parametrů pro 7 palivových kazet s nejmenší rezervou. Hlavní obrazovka pro kontroly LaP byla rozšířena o detailní mapu aktivní zóny reaktoru, kde lze sledovat a kontrolovat limitované parametry pro libovolnou palivovou kazetu v zóně. Zvýšení nároků softwarového vybavení na výpočetní výkon a ukončení servisní podpory dodavatele stávajícího hardwaru vyvolaly také požadavek na inovaci hardwaru pro blokové i nadblokové stanice systému SCORPIO- VVER. 5 / 6
Obr4: Nové rozhraní MMI pro kontrolu LaP po Upgrade 5. Závěr: Systém monitorování aktivní zóny SCORPIO-VVER je již 12 let úspěšně provozován na JE Dukovany. Pokročilé funkce systému jsou využívány jak operátory reaktorového bloku při kontrole limit a podmínek provozu, tak provozními fyziky při podrobnějších analýzách chování aktivní zóny. Za dobu provozu prošel systém několika inovacemi, jejichž cílem bylo jeho přizpůsobení přáním provozovatele a změnám provedeným na blocích jaderné elektrárny. Tyto změny byly implementovány díky modulárnosti a flexibilitě celého systému. Bohatá provozní historie systému získaná za 12 let provozu na 6ti jaderných blocích typu VVER-440 na území ČR a SR a dlouhodobá zkušenost domácího vývojářského a podpůrného týmu tvoří základ pro spolehlivý a bezporuchový provoz systému SCORPIO-VVER. Tyto skutečnosti zvyšují konkurenceschopnost a užitnou hodnotu systému nad ostatní monitorovací systémy pro jaderné reaktory typu VVER. 6 / 6