Kaasujäähdytteisten reaktorien mallinnus Heikki Suikkanen

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.

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.

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.

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.

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)

HTR-PROTEUS kriittisyyskokeet Paul Scherrer Institut (PSI), Sveitsi, 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.

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 →

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”.

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