Российские физики разработали новую модель расчетов для атомных реакторов
Исследователи Московского физико-технического института совместно с зарубежными коллегами разработали наиболее точную инженерную модель для расчета тепловых режимов в перспективных ядерных реакторах на жидком топливе.
Результаты научной работы помогут проектировать системы аварийного расхолаживания для установок четвертого поколения и снизят риски в случае нештатных ситуаций.
Особенности двухжидкостных реакторов
В большинстве действующих сегодня атомных электростанций используются твердые тепловыделяющие элементы в виде таблеток из диоксида урана, заключенных в циркониевые оболочки. В двухжидкостных реакторах четвертого поколения применяется принципиально иная схема. Находясь в жидком состоянии в виде сплава урана и хрома, топливо циркулирует по отдельному контуру, а роль теплоносителя выполняет расплавленный свинец.
Такая конструкция обладает существенными преимуществами, ведь позволяет повысить коэффициент полезного действия установки примерно на тридцать процентов по сравнению с традиционными водо-водяными реакторами. Кроме того, жидкое топливо можно перерабатывать непрерывно, что является важным шагом к замыканию ядерного топливного цикла. Это дает возможность многократно использовать уран и сократить объемы накопления радиоактивных отходов.
Однако использование жидкого металла создает серьезные физические проблемы, ведь сплав урана и хрома передает тепло не так, как вода или воздух. При медленном движении теплоносителя распространение тепла происходит преимущественно за счет молекулярных сил, а не турбулентного перемешивания. Существующие инженерные модели турбулентности изначально создавались для воды и газов, их применимость к жидким металлам на основе урана была под вопросом.
Моделирование естественной циркуляции
Вопрос точности физико-математических расчетов крайне важен при моделировании режимов естественной циркуляции. В таких сценариях насосы, обеспечивающие принудительное течение свинцового теплоносителя, отключаются, и поток движется медленно за счет естественной конвекции. Это штатный режим работы для систем пассивного аварийного расхолаживания, которые должны функционировать автоматически без внешнего энергоснабжения и участия оператора.
Если инженерная модель ошибается в расчетах температуры при низких скоростях потока, это может привести к двум негативным сценариям. Первый – недооценка тепловой нагрузки, что создает прямую угрозу безопасности. Второй – проектирование с избыточным запасом прочности, что сделает конструкцию громоздкой и менее экономически эффективной. Поэтому необходимо точно знать, как распределяется температура в активной зоне и на теплообменных стержнях.
Сравнение математических подходов
Для решения этой задачи ученые создали компьютерную модель экспериментального двухжидкостного реактора. С помощью моделирования на базе суперкомпьютера они получили высокоточные данные о температуре и скорости движения ядерного топлива при обтекании теплообменных стержней. Эти результаты сравнили с прогнозами двух распространенных инженерных моделей турбулентности: сложной модели Рейнольдсовых напряжений RSM BSL и k-omega-SST. Результаты исследования опубликованы в профильном издании Nuclear Engineering and Design.
Расчеты показали, что теплогидравлику жидкого металла лучше всего описала простая модель k-omega-SST. Более сложная модель RSM BSL не продемонстрировала преимуществ ни в одном из рассмотренных сценариев. Дело в том, что она не учитывает механизмы турбулентных течений на разных участках потока.
Исследователи также выявили специфические закономерности теплоотдачи. При продольном обтекании теплообменных поверхностей погрешность в определении теплоотдачи растет с увеличением скорости потока. Для поперечного течения погрешность остается малой, так как скорости в этом режиме сравнительно невелики. Турбулентный теплообмен в жидких металлах в целом хуже поддается математическому описанию, чем в воде или воздухе.
Применение в системах безопасности
Авторы работы оценили точность каждой модели турбулентности для исследованных режимов. Инженеры теперь располагают точными данными о том, в каких условиях упрощенные модели дают надежные результаты, а где требуется особая осторожность при расчетах. Это позволяет разработчикам использовать модели для получения точных прогнозов температуры без проведения каждый раз сложных вычислений. Полученные данные лягут в основу проектов систем аварийного расхолаживания для двухжидкостных ядерных реакторов четвертого поколения.
Переход к таким установкам – одно из перспективных направлений развития атомной энергетики. Замыкание ядерного топливного цикла и использование реакторов на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем позволяют решить проблему дефицита ядерного топлива и минимизировать воздействие на окружающую среду. Точные математические модели делают проектирование таких сложных энергетических комплексов более предсказуемым и безопасным.
