21.04.23 1

Kaasujäähdytteisten reaktorien mallinnus

Heikki Suikkanen

21.04.23 2

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.

21.04.23 3

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.

21.04.23 4

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.

21.04.23 5

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.

21.04.23 6

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)

21.04.23 7

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.< IAEA-TECDOC--1249 Critical experiments and reactor physics calculations for low-enriched HTGRs >

21.04.23 8

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 →

21.04.23 9

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”.

21.04.23 10

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