11.12.20141 Kaasujäähdytteisten reaktorien mallinnus Heikki Suikkanen.

Esitys aiheesta: "11.12.20141 Kaasujäähdytteisten reaktorien mallinnus Heikki Suikkanen."— Esityksen transkriptio:

1 11.12.20141 Kaasujäähdytteisten reaktorien mallinnus Heikki Suikkanen

2 11.12.20142 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 11.12.20143 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 11.12.20144 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 11.12.20145 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 11.12.20146 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 11.12.20147 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.

8 11.12.20148 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 11.12.20149 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 11.12.201410 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