Hydraulika cieplna do nowych systemów jądrowych

Projektowanie reaktora jądrowego wkroczyło już w IV generację. W porównaniu z II generacją, generacja III zapewnia wyższy poziom bezpieczeństwa. Jednak reaktory jądrowe III generacji nie spełniają długoterminowych wymagań rozwojowych energii jądrowej.

Aby zapewnić dostępność bezpiecznej i trwałej energii jądrowej w przyszłości, prowadzone są prace nad reaktorami IV generacji, które obejmują reaktory bardzo wysokotemperaturowe, reaktory prędkie chłodzone gazem oraz nadkrytyczne reaktory chłodzone wodą. Wspólnym komponentem reaktorów IV generacji jest hydraulika termalna.

Pomimo różnic w czynnikach chłodzących i strukturach kanału przepływowego, w ramach finansowanego przez UE projektu THINS (Thermal-hydraulics of innovative nuclear systems) zidentyfikowano pięć zazębiających się kwestii z zakresu hydrauliki cieplnej. Współpraca ta, obejmująca 24 instytucje, skupiała się na hydraulice cieplnej rdzenia, jednofazowej konwekcji mieszanej i turbulencji, przepływie wielofazowym i łączeniu kodu.

Ogólnym założeniem projektu THINS było opracowanie i walidacja metodologii obliczeniowych i doświadczalnych służących do badania tych zjawisk z dziedziny hydrauliki cieplnej. Podjęto także działania na rzecz wykorzystania wyników badań w celu udostępniania wiedzy.

Partnerzy projektu THINS zweryfikowali narzędzia do symulacji przepływów chłodziwa w elementach jądra reaktora, a następnie obliczyli spadki ciśnienia i wymianę cieplną w wiązkach rur i siatkach dystansujących. Na podstawie różnych modeli turbulencji utworzyli model przepływu w wiązce eutektycznych prętów ołowiowo-bizmutowych.

Badacze przygotowali obszerne bazy danych zawierające zarówno wyniki bezpośrednich symulacji numerycznych, jak i dane eksperymentalne. W ten sposób określono takie cechy zjawisk przepływu, jak wzorce konwekcji, stratyfikacja cieplna oraz wymiana ciepła między płynem a strukturą w reaktorach.

Transfer ciepła i mieszanie przepływów przeanalizowano w systemach chłodzenia reaktora jednofazowego. Zespół projektu THINS opracował nowe metody modelowania, aby dokładnie opisać skutki wyporu i turbulencji nieizotropowej dla szerokiego zakresu liczb Prandtla.

Dodatkowo ulepszono istniejące już modele i dokonano ich walidacji pod kątem badania przepływów wielofazowych w innowacyjnych systemach reaktora. Do bliżej zbadanych zjawisk przepływu należą przepływy wolnopowierzchniowe w reaktorach chłodzonych ciekłym metalem oraz interakcje między wodą a cieczą ciężką.

Zespół projektu THINS opracował i dokonał walidacji nowych rozwiązań w zakresie łączenia kodu, które pozwalają niezawodnie przewidywać przejściowe zjawiska hydrauliczno-termalne o różnej skali w systemach reaktorów wysoko- i bardzo wysokotemperaturowych. Przyjrzano się w szczególności przenoszeniu pyłu grafitowego w pętli chłodzącej.

Działaniami uzupełniającymi projektu THINS były szkolenia przeznaczone dla młodych inżynierów jądrowych i badaczy. Wykorzystanie wyników naukowych do celów nauczania okazało się bardzo skutecznym sposobem na umocnienie podstaw do utrzymania i rozszerzania specjalistycznej wiedzy w tej dziedzinie.