Axial flux harmonics affecting the parallel channel instabilities in boiling water reactors

摘要

Aufgrund von Siedephänomenen sind Siedewasserreaktoren für Instabilitäten anfällig. Das Stabilitätsverhalten wird durch Zusammenwirken von Neutronenfluss- und thermohydraulischen Schwingungen zusätzlich beeinträchtigt. Instabilitäten werden bei Siedewasserreaktoren als global und lokal - je nach räumlicher Verteilung der Leistungsschwankungen - klassifiziert. Zur Zeit können Rechencodes diese Instabilitäten auf der Basis der Betrachtung von Ereignisverläufen gut simulieren. Es können jedoch mehr allgemeine physikalische Einblicke durch analytische Modellierung gewonnen werden. Eines der ersten bei der Problembetrachtung angewandten Modelle ist das der Parallel-kanal-Instabilität, das die thermohydraulischen Randbedingungen berücksichtigt. In der vorliegenden Arbeit wird eine neue Art von Instabilitätsmodell vorgeschlagen und unter Beachtung des Einflusses axialer Strömungsschwingungen erster Ordnung untersucht. Die Thermohydraulik wird durch Modellgleichungen eindimensionaler homogener Zweiphasenströmungen dargestellt. Die Analyse wird mit linearisierten Gleichungen im Frequenz-Bereich durchgeführt. Besondere Berücksichtigung findet die Verschiebung der Siedegrenze. Die Ergebnisse zeigen eindeutig, dass axiale Strömungsschwingungen erster Ordnung die Stabilität des Reaktors negativ beeinflussen und für realistischere Sbschätzungen berücksichtigt werden müssen.%The existence of boiling phenomena in boiling water-reactors makes these systems susceptible to instabilities. Neutronics coupled with the thermal-hydraulics complicate the problem further. Boiling water reactor instabilities are classified as global or local according to the spatial dependency of the power fluctuations. At present, numerical codes can simulate these instabilities rather well on event basis; but more general physical insight can be gained readily through analytical modeling. One of the earliest models applied to the problem is the parallel channel instability, so called because of the applied thermo-hydraulic boundary conditions. In this work a new type of instability model is proposed and studied by including the effect of the first axial harmonic of the flux. Thermal-hydraulics is represented with one-dimensional two-phase homogeneous equilibrium flow model equations. Analysis is performed with linearized equations in the frequency domain. Special emphasis is given to the motion of the boiling boundary. The results clearly indicate that the first axial harmonic of the flux affects the stability of the reactor adversely, and must be accounted for to make more realistic predictions.