Реакторы с шаровой засыпкой относятся к высокотемпературным реакторам, которые могут работать при высоких температурах, исключая риск расплавления ядерного топлива (повышенная безопасность реактора) и обеспечивая эффективную выработку электроэнергии. Размеры конструкций таких реакторов различны; они могут быть как большими, так и маленькими, в зависимости от их назначения, и даже подвижными, что позволяет использовать их на борту кораблей.
Ещё одной важной особенностью реакторов с шаровой засыпкой является то, что они используют большое количество систем пассивной безопасности и в целом имеют высокую степень защиты, позволяющую реактору самоохлаждаться при возникновении стихийных бедствий (например, землетрясения или цунами) без использования активных систем защиты или человеческого вмешательства. Системы безопасности делают реактор гораздо более устойчивым к стихийным бедствиям. Особенностью реактора, связанной с физическими свойствами топлива и конструктивом, является сравнительно небольшая выработка электроэнергии, в общей сложности около 500 МВт. Кроме того, в реакторе с шаровой засыпкой топливо расположено таким образом, чтобы температура в реакторе не превышала температуру плавления топлива, даже при отсутствии доступных систем охлаждения.
До настоящего момента исследование реакторов с шаровой засыпкой считалось непростой задачей. Особую сложность вызывали локальные горячие точки, появляющиеся в твэлах, нагревающие до точки плавления графитовый замедлитель, окружающий топливо (твэлы). Очевидно, что не могло быть и речи о физическом сооружении реактора только для целей его исследования. Вместо этого инженеры-атомщики с помощью различных CFD-кодов попытались смоделировать реактор с шаровой засыпкой.
Первый этап работы был выполнен ещё в 2010 году [1] и заключался в подготовке прямого численного моделирования (Direct Numerical Simulation – DNS) шаровой засыпки с идеализированной структурой. Для расчёта использовалась сильно идеализированная модель, которая позволила смоделировать твэлы с упорядоченным расположением в реальных условиях. На такой расчёт было затрачено огромное количество вычислительных ресурсов. Тем не менее, проведение DNS очень важно для проверки результатов других расчётов. Высококачественный DNS-расчёт позволил рассмотреть два случая: случай с одним объёмом, представляющим собой полную сферу и расположенные вокруг элементы других сфер (идеальный режим), и случай с восемью объёмами, являющийся логическим продолжением первого случая.
После этого в 2011 году был выполнен сопоставительный квази-прямой численный анализ (quasi-direct numerical simulation – q-DNS) [2], а совсем недавно – расчёт крупных вихрей (Large Eddy Simulation – LES), нестационарный расчёт с использованием уравнений Навье-Стокса, осреднённый по Рейнольдсу (Unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes – U-RANS), а также расчёт отделённого вихря (Detached Eddy Simulation – DES), который представляет собой гибридный метод LES и U-RANS. Эти методы позволяют рассчитать шаровую засыпку с беспорядочно расположенными твэлами с эффектом влияния стенки реактора, предоставляя реалистичные данные о локальном всплеске температуры, и течении гелиевого охладителя через засыпь с определением потенциальных областей застоя и турбулентности. После запуска метода q-DNS с идеализированными условиями команда перешла к более приближённым физическим моделям и рассчитала фактические условия в реакторе. Выполнив валидацию метода DNS, доктор Шамс и его команда проверили турбулентный поток охлаждающей жидкости, вычисленный методами LES, U-RANS и гибридным методом (LES/URANS).
Все расчёты были выполнены с помощью программного кода STAR-CCM+. Результаты были впечатляющими. В DNS-расчёте такой сложной геометрии очень непросто создать высококачественную неструктурированную сетку. Кроме того, используемый численный метод имеет свои тонкости. Быстрые решения и помощь технической поддержкой CD-adapco позволили облегчить такую разнородную задачу, делая её более гибкой и общедоступной.
Новости
Реактор с шаровыми твэлами
Использование атомной энергии вызывает у людей крайне противоположные мнения, также как и постоянные споры вокруг Samsung и Apple. Одни, ссылаясь на преимущества и опыт безопасного использования, выступают за распространение ядерной энергии, другие же, опасаясь потенциальных катастроф и крупных аварий, всеми силами пытаются сократить её использование. Такие события, как аварии на Чернобыльской АЭС и Фукусима Дайичи, поднимают вопрос о безопасности атомной энергии, тем более что многие реакторы, особенно в Соединённых Штатах, были построены до 1980 года, т.е. с помощью технологий прошлого века, позже обновляясь лишь по мере возможности с помощью современных технологий.
Разработка современных реакторов может в корне изменить ситуацию. Доктор Афак Шамс со своей командой экспертов по проведению исследований и оказанию услуг в области ядерной энергетики в сотрудничестве с профессором Эмилио Бальетто (Emilio Baglietto) провели исследование конструкции одного из таких реакторов: реактора с шаровыми ТВЭЛ-ами (Pebble Bed Reactor - PBR). В реакторе данного вида мелкие частицы ядерного топлива, вкраплённые в графитовый замедлитель, засыпаются в реактор по мере необходимости. В нижней части реактора имеется небольшой люк, через который под действием силы тяжести шаровая засыпка выводится из реактора. Для охлаждения реактора и создания электрической энергии через реактор прокачивается газообразный гелий, выделяющий тепловую энергию, которая затем подводится к электрогенераторам.
Так сложилось, что испытания в аэродинамической трубе являются классическим методом исследования дисперсии воздушного потока и химических соединений. Но времена меняются!
Our mission as a company is to help you discover better designs faster (and stay ahead of the competition!). What this means is that we provide you with the right tools to intelligently drive your designs and ...
Рисунок 2 – Направление потока и анализ полей в реакторе с шаровой засыпкой
Особые сложности вызвала настройка сетки под различные расчётные модели. Для корректного выполнения DNS-расчёт с действительным числом Рейнольдса и массовым расходом потребовалось 73 млн. ячеек. Такой мощный расчёт мог сразу же перегрузить вычислительные кластеры. Поэтому команда уменьшила объёмы моделирования, тщательно изучив чувствительность сетки для уменьшения массового расхода с сохранением того же физического режима и не допуская реламинаризации потока. «Сжатый» DNS-расчёт теперь запускался с гораздо более управляемым размером сетки в 15 млн. ячеек. В U-RANS расчёте количество ячеек было уменьшено до 300000 в случае с одним объёмом и до 2.4 млн. в случае с восемью объёмам.
Для расчёта турбулентного потока команда сначала выбрала анизотропную модель рейнольдских напряжений (Reynolds stress model); однако такие модели имеют серьёзные ограничения, связанные со сходимостью и реверсивными потоками. Кроме того, на них тратится много вычислительных ресурсов. Поэтому в итоге использовались модели к- ε с низким числом Рейнольдса (low-Reynolds number к- ε model) и «Любые у+» (Y+ Wall Treatment).
Преимуществом метода U-RANS в STAR-CCM+ является способность определять асимметрию потока в засыпке с беспорядочным расположением твэлов (в отличие от идеализированного распределения). Такая асимметрия вызвана малыми и большими вихрями, образующимися по обе стороны засыпки. Возможность детального расчёта потока, несмотря на небольшую разницу в скоростях, говорит в пользу использования периодических граничных условий, а не идеализированной симметричной модели.
Программное обеспечение STAR-CCM+позволило доктору Шамсу определить характер потока и скорость гелия, протекающего через беспорядочно расположенные твэлы, что воссоздаёт реальную картину процесса, происходящего в реакторе. В результате расчёта LES с 18 млн. ячеек было выявлено, что поток является сильно нестационарным с доминированием трёхмерных эффектов. Соответствующие горячие точки также были нестационарные, а не локализованные. Хотя на проверку полученных результатов требуется гораздо больше времени, с первого же взгляда очевидно, что локализованных всплесков температур не возникает, и что реактор с шаровой засыпкой является безопасным, надёжным и саморегулируемым ядерный реактором будущего поколения.
Рисунок 3 – Используемые средства CFD (слева) и различное распределение твэлов (справа)
Рисунок 4 – Изометрическое изображение конфигурации кубической ячейки (одна область и восемь областей)
Рисунок 5 – Беспорядочное расположение твэлов в реакторе
Рисунок 6 – Вид сетки спереди: область с одним объёмом (300,000 ячеек, многогранная сетка с выступающим наружу слоем)
Рисунок 7 – Изо-линии напряжений сдвига на стенке
Рисунок 8 – Скорость жидкости и линейная интегральная конволюция вокруг твэлов: сложный турбулентный поток
Рисунок 9 – Мгновенное распределение температур на поверхности твэлов
Ссылки:
[1] A. Shams, F. Roelofs, E.M.J. Komen (Nuclear Research and Consultancy Group), E.Baglietto (CD-adapco). Optimization of a Pebble Bed Confi guration for Quasi-Direct Numerical Simulation. Nuclear Engineering and Design Issue 242 (2012) 331-340
[2] A. Shams, F. Roelofs, E.M.J. Komen (Nuclear Research and Consultancy Group), E.Baglietto (CD-adapco). Quasi-Direct Numerical Simulation of a Pebble Bed Confi guration. Nuclear Engineering and Design Issue 263 (2012) 473-489
