Сотрудники Московского физико-технического института в соавторстве с учеными из Швейцарии и Соединенных Штатов провели анализ точности общепринятых моделей, описывающих турбулентность, для целей расчета тепловых параметров в инновационных ядерных реакторах, использующих жидкое топливо. Это позволит специалистам более достоверно прогнозировать тепловое состояние двухжидкостного реактора, функционирующего в условиях естественной циркуляции. Данные вычисления имеют первостепенное значение для систем охлаждения, предназначенных для автономной работы – без необходимости внешнего электропитания и вмешательства персонала. О результатах исследования сообщается в журнале Nuclear Engineering and Design.

В подавляющем большинстве действующих атомных станций применяются твердые тепловыделяющие элементы, представляющие собой таблетки диоксида урана, заключенные в оболочки из циркония. В двухжидкостных реакторах четвертого поколения топливо находится в жидком состоянии и циркулирует по отдельному контуру, а теплоносителем выступает расплавленный свинец. Данная конструкция характеризуется повышенной эффективностью (на 30% выше, чем у традиционных водо-водяных реакторов) и обеспечивает непрерывную переработку топлива. Тем не менее, она породила для инженеров сложную математическую задачу.

Теплопередача в жидком топливе отличается от привычных процессов, наблюдаемых в воде и воздухе. При медленном движении тепло распространяется посредством молекулярных сил, а не за счет турбулентного перемешивания. В то же время, все существующие инженерные модели турбулентности разработаны с учетом характеристик воды и воздуха.

«По своим свойствам сплав жидкого урана с хромом занимает промежуточное положение между традиционными жидкими металлами, такими как свинец, натрий и сплав свинца с висмутом, и воздухом. Это порождало сомнения относительно возможности применения моделей турбулентности к жидкому металлу на основе урана. Особенно актуальным этот вопрос представляется для режимов естественной циркуляции второго контура – когда насосы, обеспечивающие движение расплавленного свинца, не функционируют, и поток течет медленно. Неточности в расчетах температуры, вызванные ошибочной моделью, могут привести либо к занижению величины тепловых нагрузок, либо к неоправданно консервативному подходу при проектировании. В таких ситуациях крайне важно иметь точное представление о распределении температуры для обеспечения надежной работы систем безопасности», – сообщается в исследовании », – прокомментировал один из авторов исследования, научный сотрудник лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ Константин Сергеенко.

В качестве объекта исследования был использован экспериментальный реактор Dual Fluid Reactor. С помощью высокопроизводительных вычислительных ресурсов ученые получили точные «эталонные» данные о температуре и скорости движения ядерного топлива при обтекании теплообменных стержней. Затем эти данные были сопоставлены с результатами, полученными с использованием двух распространенных инженерных моделей турбулентности: более сложной модели уравнений Рейнольдса (RSM BSL) и упрощенной модели k-omega-SST. До настоящего времени оставалось неизвестным, насколько достоверны эти модели при описании поведения жидких металлов на основе урана в условиях низких скоростей потока.

«В ходе исследований было установлено, что наиболее адекватное представление теплогидравлических процессов обеспечивает модель турбулентности k-omega-SST. Модель RSM BSL, несмотря на более детальное описание турбулентного потока, не продемонстрировала каких-либо преимуществ в рамках проанализированных расчётных ситуаций. Это обусловлено тем, что данная модель не учитывает разнообразие механизмов турбулентных течений, которые проявляют себя по-разному на различных участках потока. Кроме того, выяснилось, что при обтекании теплообменных поверхностей вдоль продольной оси погрешность в определении коэффициента теплоотдачи возрастает с увеличением скорости потока, тогда как для поперечного обтекания эта погрешность незначительна. Это связано с тем, что при поперечном обтекании скорости остаются относительно низкими, а турбулентный теплообмен в жидких металлах сложнее поддается описанию по сравнению с водой или воздухом, на основе которых и создавались большинство инженерных моделей », – рассказал Константин Сергеенко.

Авторы работы не ограничились констатацией этих расхождений – они провели количественную оценку точности каждой модели турбулентности для изученных режимов. Теперь инженеры располагают информацией о том, при каких условиях какая модель турбулентности обеспечивает надежные результаты, а в каких случаях требуется повышенное внимание. Это позволяет применять упрощенные модели в тех режимах, где их эффективность уже подтверждена, и получать точные прогнозы температуры без необходимости использования ресурсоемкого суперкомпьютерного моделирования.

Собранные данные послужат основой для разработки проектов систем аварийного расхолаживания, предназначенных для двухжидкостных реакторов четвёртого поколения. Напоминаем, что подобные установки рассматриваются как одно из наиболее перспективных решений для замыкания ядерного топливного цикла – то есть для многократного использования урана и сокращения объёма радиоактивных отходов.

Информация предоставлена пресс-службой МФТИ

Источник фото: ru.123rf.com