kaasujäähdytteisten reaktorien mallinnus
Post on 13-Jan-2016
42 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
21.04.23 1
Kaasujäähdytteisten reaktorien mallinnus
Heikki Suikkanen
21.04.23 2
Korkealämpötilareaktorit• Kaasujäähdytteiset Korkealämpötilareaktorit:
– Jäähdytteenä helium kaasu– Polttoaine päällystettyinä grafiittiin sidottuina jyvinä– Grafiittimoderoituja
• Erityiset turvallisuusominaisuudet:– Polttoaine tiiviissä keraamisessa paketissa kestää
<1600 C lämpötilan– Passiivinen jälkilämmön poisto jäähdytteenmenetyksen
jälkeen (moderaattorin korkea lämpökapasiteetti, pieni tehotiheys, paineastian suuri pinta-ala säteilylämmönsiirron kannalta)
• Tarjoavat uusia käyttömahdollisuuksia ydinvoimalle:– Vedyn tuottaminen– Prosessilämpösovellukset
• Tekniikkaa kokeiltu onnistuneesti jo menneisyydessä Englannissa (Dragon), Saksassa (AVR, THTR) ja USA:ssa (Peach Bottom, Fort St. Vrain)
• Koereaktorit Kiinassa (HTR-10) ja Japanissa (HTTR)• Kehitteillä/rakenteilla demonstraatioreaktorit Etelä-
Afrikkaan (PBMR) ja Kiinaan (HTR-PM)• Olemassa kaksi hieman toisistaan poikkeavaa
konseptia:– Prismatic eli polttoaine-elementit grafiittiblokeissa– Pebble bed eli polttoaine grafiittikuulissa (tutkitaan
LUT:ssa)
Pebble bed –tyyppinen korkealämpötilareaktori.
21.04.23 3
Kuulakekoreaktorin sydämen mallinnus• Sydänsuunnittelu poikkeaa
huomattavasti totutuista vesijäähdytteisten reaktorien sydämistä
• Useita mallinnettavia toisiinsa kytkeytyneitä ilmiöitä:– Polttoainekuulien käyttäytyminen– Neutroniikka– Jäähdytevirtaus– Lämmönsiirto– Rakenteiden kestävyys– Useita yksityiskohtaisia ilmiöitä, kuten
grafiittipölyn muodostuminen, säteilyn vaikutus materiaalien ominaisuuksiin jne.
• Tavoite: Laskentamenetelmien kehittäminen huomioimaan mahdollisimman monen ilmiön vaikutus suurella tarkkuudella mutta käytännöllisellä laskenta-ajalla
• Menetelmät: Laskennallinen virtausmekaniikka (CFD), Monte Carlo menetelmät reaktorifysiikassa, tarkat partikkelidynamiikkamallit (DEM) kuulien virtauksen realistiseen mallintamiseen
Jäähdytevirtauksen jakautuminen nousukanaviin reaktorisydämen sisääntulossa.
Polttoainekuulien pakkautuminen reaktorisydämessä.
21.04.23 4
Jäähdytteen virtaus ja lämmönsiirto• Jäähdytevirtauksen ja lämmönsiirron
tutkiminen kuulakekoreaktorin sydämessä aloitettiin diplomityönä
• CFD laskentaa yksinkertaistetussa reaktorigeometriassa Fluent-laskentakoodin porositeettimallilla
• Etelä-Afrikkalainen PBMR-reaktori tarkastelun kohteena
• Tarkastelualueena koko reaktorin sydänalue– Keski- ja sivuheijastimet– Polttoaine– Tukikori ja paineastian seinämä
• Aloitettujen laskentojen kehittäminen:– Lämmönsiirtomallien kehittäminen– Reaktorifysiikkakytkentä– Kuulien pakkautumisen tarkastelusta
pakkausosuuden profiiliin tarkennuksia • Mahdollisesti yksityiskohtaisempia
tarkasteluja muutaman polttoainekuulan muodostamassa virtausalueessa
• Mahdollisesti laskentaa avoimella OpenFOAM-koodilla
Lämpötilajakauma yksinkertaistetun sydängeometrian halkileikkauksessa.
21.04.23 5
Polttoainekuulien virtaus ja pakkautuminen• Polttoainekuulien pakkautuminen
vaikuttaa erityisesti jäähdytteen virtaukseen ja lämmönsiirtoon:– Pakkausosuus pienempi seinämien lähellä,
jolloin jäähdytevirtaus kanavoituu– Pakkausosuuden muutokset yllättävissä
tilanteissa esim. maanjäristys• Kuulien virtauksen tarkastelu oleellista
palaman seuraamisessa• Kuuliin vaikuttavat mekaaniset rasitukset
– Kuulien hajoaminen– Grafiittipölyn muodostuminen kuulien
hankautuessa toisiaan vasten• Kuulien pakkautumista ja virtausta
voidaan mallintaa DEM-menetelmällä, jolloin yksittäisiin kuuliin vaikuttavat voimat huomioidaan yksityiskohtaisesti
• LUT:ssa kokemusta kyseisen menetelmän käytöstä (termodynamiikan laboratorio)– On kehitetty omaa laskentakoodia– Yhteistyötä menetelmää käyttäneiden
tutkijoiden kanssa
Voronoi-diagrammi paikallisen pakkausosuuden määrittämiseksi.
21.04.23 6
Reaktorifysiikkalaskenta• Reaktorifysiikan laskentamenetelmiin
perehtyminen LUT:ssa aloitettu• VTT:llä kehitetty Monte Carlo menetelmään
perustuva reaktorifysiikkakoodi Serpent otettu käyttöön
• Hankinnan alla myös MCNP:n uusin versio• Koodien käytön (ja yleensäkin
reaktorifysiikan) opiskeluvaiheessa benchmark-laskentoja (HTR-PROTEUS, HTR-10) molemmilla koodeilla
• Lopulta tavoitteena koodien käyttö täysikokoisten reaktorien analyyseihin muiden ilmiöiden kytkennät huomioiden: – Polttoainekuulien paikat DEM-laskennasta
Monte Carlo laskentaan– Tehoprofiili reaktorifysiikkalaskennasta CFD-
laskentaan– Lämpötilaprofiili CFD-laskennasta
reaktorifysiikkalaskentaan– Kuulien virtaustiedon (DEM) hyödyntäminen
palamalaskennassa
Serpentillä laskettu yksittäinen polttoainekuula (9394 polttoainejyvää)
21.04.23 7
HTR-PROTEUS kriittisyyskokeet• Paul Scherrer Institut (PSI),
Sveitsi, 1992-1996• IAEA:n koordinoima projekti,
jossa osallisina useita maita mm. Kiina, USA, Ranska, Saksa
• Tuotti korkealaatuista koedataa tietokonekoodien validointiin
• Koelaitteistona grafiitin ympäröimä sylinteri– Vaihteleva määrä polttoainetta
sisältäviä ja pelkästä grafiitista koostuvia kuulia
– Useita pakkauskonfiguraatioita– Myös reaktoriin pääsevän
kosteuden vaikutusta tutkittiin
HTR kokeita varten konfiguroitu PROTEUS-koelaitteisto.< IAEA-TECDOC--1249 Critical experiments and reactor physics calculations for low-enriched HTGRs >
21.04.23 8
HTR-PROTEUS Monte Carlo laskennat• Geometrian kuvaaminen Serpentiin aloitettu• Serpentiin tehty tarvittavia lisäyksiä helpottamaan kuulien ja
polttoainejyvien kuvaamista (Jaakko Leppänen)
Polttoaine- ja moderaattorikuulat grafiittiheijastimen sisällä
Lähikuvaa yksittäisistä kuulista ↑ Lähikuvaa yksittäisistä polttoainejyvistä →
21.04.23 9
Laskentaresurssit• Kasvava yksityiskohtien ja tarkkuuden
määrä ilmiöiden mallinnuksessa vaatii paljon laskentatehoa
• Ydinvoimatekniikan laboratorio hankki pelkkään laskentaan pyhitettyjä tietokoneita:– Neljän toistensa kanssa
kommunikoivan neliydinkoneen klusteri– Etäyhteys klusteriin yliopiston verkosta
• Laaja valikoima käytössä olevia kaupallisia sekä avoimia ohjelmistoja:– Fluent + Gambit– OpenFOAM– TransAT– NEPTUNE CFD– Matlab– ... Ydinvoimatekniikan
laboratorion laskentaklusteri ”Hydra”.
21.04.23 10
EU-projektiin osallistuminen• Thermal-Hydraulics of
Innovative Nuclear Systems (THINS)
• Projektissa tutkitaan GEN IV reaktorien termohydrauliikkaa
• Mikäli projekti toteutuu, LUT:n osana tulisi olemaan kaasuvirtauksen tutkiminen karheiden pintojen lähellä
• Sopivien turbulenssimallien valinta ja kehittäminen
• Koetoimintaa Karlsruhessa• Laskentaa Fluentilla
Lappeenrannassa
top related