Складні фізичні явища, які відбуваються під час потоку теплоносія між паливними стрижнями в ядерному реакторі, тепер можна передбачити швидше й точніше завдяки комп’ютерному моделюванню, проведеному в Національному центрі ядерних досліджень у Свірку, повідомляє інститут.
Ядерні реакції нагрівають паливні стрижні в активних зонах реакторів. Прийом тепла, що виробляється таким чином, має вирішальне значення для безпеки самих реакторів і ефективності парових турбін, які виробляють електроенергію. Тому так важливо досконало розуміти та моделювати процеси, які там відбуваються.
Три з половиною роки з десятьма тисячами обчислювальних ядер знадобилося для комп’ютерного моделювання, яке відтворювало турбулентні потоки теплоносія та тепла між щільно розташованими паливними стрижнями в активних зонах ядерних реакторів, повідомили представники NCBJ у дослідницькому випуску, надісланому веб-сайту Nauka w Polsce.
Зібрані дані можуть бути використані для реконструкції гідро- і термодинамічних процесів, що відбуваються в потоках всередині реакторів, охолоджуваних водою, газом і навіть рідкими металами, йдеться в повідомленні.
Результати дослідження опубліковані в “International Journal of Heat and Mass Transfer”
Унікальні розрахунки та створена на їх основі база даних полів течії та температур були проведені в рамках довгострокової наукової співпраці між Dutch Nuclear Research & Consultancy Group (NRG) у Петтені та Національним центром ядерних досліджень (NCBJ) у Świerk.
«У сучасних реакторах ядерне паливо міститься всередині паливних стрижнів, розміщених у спеціальних касетах, – пояснює доктор Томаш Квятковський (NCBJ), співавтор статті. – Під впливом ядерних реакцій ці стрижні нагріваються і передають тепло до теплоносій, що протікає між ними. Наш намір полягав у тому, щоб якомога точніше моделювати потоки як теплоносія, так і тепла всередині щільно упакованих паливних збірок, беручи до уваги роль більших і менших вихорів. довідкову базу даних, яку можна буде використовувати в майбутньому для швидших і спрощених розрахунків, але з нашими даними, значно точнішими, ніж раніше».
У фізиці ламінарні, перехідні та турбулентні рухи рідини описуються рівняннями Нав’є-Стокса. Їх пряме чисельне моделювання (DNS) займає надзвичайно багато часу.
У польсько-голландському моделюванні потоків теплоносія між твелами використовувався підхід DNS, що гарантує найвищу точність результатів. Ранг цих симуляцій особливо високий, оскільки вони надають інформацію, яку було б надзвичайно дорого, важко або навіть неможливо отримати за допомогою експериментальних методів. «У цій ситуації комп’ютерне моделювання DNS-класу стає найнадійнішим джерелом інформації про те, що відбувається з теплоносієм і теплом всередині ТВЕЛів», – йдеться в релізі.
У розрахунках, проведених у Świerk IT Center, було змодельовано та проаналізовано тривимірний потік теплоносія, що протікає вздовж шести паливних стрижнів, розташованих на короткій відстані. Їх щільне укладання дозволяє збільшити вивільнену потужність і характерно як для сучасних, так і для нових ядерних реакторів.
«Моделювання тривало понад три роки, тому що в моделі, яку ми побудували, ми хотіли якомога точніше відтворити реальні умови роботи паливних стрижнів. Тож нам довелося почекати, поки турбулентність у чисельному потоці повністю розвинеться на всіх масштабах. .Тільки тоді ми можемо почати збирати інформацію в довідкову базу даних», – каже доктор технічних наук. Квятковського.
Правильно проведені розрахунки дозволили дослідникам з винятковою точністю простежити потоки як самого теплоносія, так і тепла, переданого йому від твелів. Відтворено м. ін утворення траєкторії завихрення, що призводить до появи пульсацій в потоці теплоносія, наслідком яких можуть бути пульсації температури. З одного боку, пульсації потоку є корисними, оскільки вони підвищують ефективність теплообміну, таким чином зменшуючи ризик точкового перегріву твелів, але з іншого боку, вони можуть викликати вібрацію стрижнів, що, у свою чергу, може призвести до тріщини, які загрожують їх механічній цілісності. Завдяки моделюванню від Świerk це стало можливим визначити домінантну частоту цих пульсацій, яка виявилася 3,7 Гц.
Кінцевим результатом дослідницького проекту, виконаного NCBJ і NRG, є загальнодоступна довідкова база даних, призначена для перевірки розрахунків, проведених за допомогою спрощених методів, менш складних, ніж DNS. Завдяки валідації стане можливим побудувати нові кореляції, які використовуються в спрощених моделях, і вдосконалити існуючі турбулентні моделі, щоб ще точніше картувати потоки та теплообмін у щільно упакованих паливних збірках.
Польсько-голландське дослідження фінансувалося з власних коштів обох залучених наукових установ.
Наука в Польщі
lt/ zan/
