Najdokładniejszy obraz przepływów turbulentnych w sercu reaktora jądrowego

Reakcje jądrowe rozgrzewają pręty paliwowe w rdzeniach reaktorów. Odbiór tak powstającego ciepła ma krytyczne znaczenie dla bezpieczeństwa pracy samych reaktorów oraz wydajności turbin parowych generujących prąd. Dlatego tak istotne jest dokładne zrozumienie i modelowanie procesów, które tam zachodzą.

Do przeprowadzenia symulacji komputerowej, odtwarzającej turbulentne przepływy chłodziwa i ciepła między ściśle upakowanymi prętami paliwowymi w rdzeniach reaktorów jądrowych, potrzeba było trzy i pół roku pracy dziesięciu tysięcy rdzeni obliczeniowych - poinformowali przedstawiciele NCBJ w przesłanym serwisowi Nauka w Polsce komunikacie dotyczącym badań.

Zgromadzone dane mogą być użyte do odtwarzania procesów hydro- i termodynamicznych, zachodzących w przepływach wewnątrz reaktorów chłodzonych wodą, gazem, a nawet ciekłymi metalami - czytamy w komunikacie.

Wyniki badań ukazały się na łamach czasopisma "International Journal of Heat and Mass Transfer" https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124226.

Unikatowe obliczenia i zbudowaną na ich podstawie bazę danych o polach przepływu oraz temperatur zrealizowano w ramach wieloletniej współpracy naukowej między holenderską grupą Nuclear Research & Consultancy Group (NRG) w Petten a Narodowym Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku.

"We współczesnych reaktorach paliwo jądrowe znajduje się wewnątrz prętów paliwowych umieszczonych w specjalnych kasetach. - Wyjaśnia dr inż. Tomasz Kwiatkowski (NCBJ), współautor artykułu. - Pod wpływem reakcji jądrowych pręty te się rozgrzewają i oddają ciepło do przepływającego między nimi chłodziwa. Naszą intencją było jak najdokładniejsze zasymulowanie przepływów zarówno płynu chłodzącego, jak i ciepła, wewnątrz ściśle upakowanych kaset paliwowych, z uwzględnieniem roli większych i mniejszych wirów. Od strony użytkowej chodziło o stworzenie referencyjnej bazy danych, którą w przyszłości będzie można wykorzystać do prowadzenia szybszych obliczeń, uproszczonych, ale dzięki naszym danym znacząco dokładniejszych niż dotychczas".

W fizyce laminarne, przejściowe i turbulentne ruchy płynów są opisywane równaniami Naviera-Stokesa. Ich bezpośrednie rozwiązywanie numeryczne (Direct Numerical Simulation, DNS) jest ekstremalnie czasochłonne.

W polsko-holenderskich symulacjach przepływów chłodziwa między prętami paliwowymi użyto podejścia DNS, gwarantującego najwyższą dokładność wyników. Ranga tych symulacji jest szczególnie wysoka, ponieważ dostarczają one informacji, których zdobycie metodami eksperymentalnymi byłoby niezwykle kosztowne, trudne lub wręcz niemożliwe. "W tej sytuacji to właśnie symulacje komputerowe klasy DNS stają się najbardziej wiarygodnym źródłem informacji o tym, co się dzieje z chłodziwem i ciepłem wewnątrz kaset z prętami paliwowymi" - skomentowano w komunikacie.

W obliczeniach zrealizowanych w Centrum Informatycznym Świerk modelowano i analizowano trójwymiarowy przepływ chłodziwa płynącego wzdłuż sześciu prętów paliwowych rozmieszczonych w niewielkich odległościach od siebie. Ich ścisłe upakowanie pozwala bowiem zwiększać wydzielaną moc i jest charakterystyczne zarówno dla współczesnych, jak też dopiero projektowanych reaktorów jądrowych.

"Symulacje trwały ponad trzy lata, ponieważ w ramach zbudowanego przez nas modelu zależało nam na możliwie jak najwierniejszym odtworzeniu rzeczywistych warunków pracy prętów paliwowych. Musieliśmy więc poczekać, aż w numerycznym przepływie turbulencje we wszystkich skalach w pełni się rozwiną. Dopiero wtedy mogliśmy przystąpić do gromadzenia informacji do referencyjnej bazy danych" - mówi dr inż. Kwiatkowski.

Odpowiednio przeprowadzone obliczenia pozwoliły badaczom prześledzić z wyjątkową dokładnością przepływy zarówno samego płynu chłodzącego, jak też ciepła transferowanego do niego z prętów paliwowych. Odtworzono m.in. powstawanie ścieżki wirów prowadzących do pojawiania się pulsacji w przepływie chłodziwa, których konsekwencją mogą być pulsacje temperaturowe. Pulsacje przepływu z jednej strony są korzystne, ponieważ zwiększają efektywność wymiany ciepła, redukują więc ryzyko punktowego przegrzania się prętów paliwowych, jednak z drugiej strony mogą wzbudzać pręty do drgań, co z kolei może skutkować powstawaniem pęknięć zagrażających ich mechanicznej integralności. Dzięki symulacjom ze Świerka udało się m.in. ustalić dominującą częstotliwość tych pulsacji, która - jak się okazało - wynosi 3,7 Hz.

Ostatecznym wynikiem projektu badawczego zrealizowanego przez NCBJ i NRG jest ogólnodostępna baza danych referencyjnych, przeznaczona do walidacji obliczeń prowadzonych metodami uproszczonymi, mniej skomplikowanymi niż DNS. Dzięki walidacji będzie możliwe budowanie nowych korelacji stosowanych w modelach uproszczonych oraz poprawa obecnie istniejących modeli turbulentnych w celu jeszcze dokładniejszego odwzorowywania przepływów i wymiany ciepła w ściśle upakowanych kasetach paliwowych.

Polsko-holenderskie badania zostały sfinansowane ze środków własnych obu zaangażowanych instytucji naukowych.

Nauka w Polsce

lt/ zan/