Kaasujäähdytteisten reaktorien mallinnus

1. Kaasujäähdytteisten reaktorien mallinnus Heikki Suikkanen

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.

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.

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.

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.

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)

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 >

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 →

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”.

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