Jak sprawdzić, czy turbulencje mogą być niebezpieczne dla reaktora?

Projekt doktorski mgr. inż. Tomasza Kwiatkowskiego został nominowany przez międzynarodowe stowarzyszenie NUGENIA do zaprezentowania w konkursie dla młodych naukowców na cyklicznej światowej konferencji FISA 2019 / EuradWaste’19 rozpoczynającej się 4 czerwca w Rumunii. Polski naukowiec bada wpływ turbulencji w przepływającym materiale chłodzącym na bezpieczeństwo reaktorów jądrowych.

Praktycznie wszystkie wykorzystywane obecnie reaktory jądrowe chłodzone są za pomocą substancji płynnych lub gazu opływających rdzeń reaktora i odbierających ciepło. W reaktorach energetycznych ciepło to jest wykorzystywane do wytwarzania pary wodnej napędzającej turbiny generujące prąd. Najczęściej stosowanym chłodziwem reaktorowym jest woda, ale istnieją także konstrukcje wykorzystujące ciekłe metale lub chłodzone gazami. Chłodziwo - niezależnie od jego rodzaju - nie przepływa w sposób gładki przez przestrzeń wewnątrz rdzenia. Rzeczywisty przepływ pełen jest zaburzeń w postaci lokalnych zawirowań czyli turbulencji. Zjawisko znamy dobrze z życia codziennego: gdy turbulencje pojawiają się w rurach domowej sieci wodociągowej, zazwyczaj słyszymy charakterystyczne, często nieprzyjemne dźwięki. Biorą się one z drgań materiału rur, które wzbudzane są przez zawirowania. W reaktorach jądrowych ważne są przede wszystkim powodowane przez turbulencje nierównomierności w chłodzeniu elementów paliwowych i ścian zbiornika reaktora. Ich pojawienie się może prowadzić do dużych lokalnych różnic temperatur, lokalnych różnic ciśnienia, a w rezultacie do powstania naprężeń i do szybszego zmęczenia materiału, czego skutkiem mogą być np. niepożądane mikropęknięcia. Materiał, z którego wykonana jest instalacja musi być odporny na tego typu zjawiska. Należy też dążyć, by skala niekorzystnych procesów była jak najmniejsza.

„Bardzo trudno jest wykonać pomiary pokazujące przebieg zjawisk związanych z turbulencjami w rzeczywistych konstrukcjach” - wyjaśnia dr Sławomir Potempski, kierownik Centrum Doskonałości MANHAZ - pracowni w Zakładzie Energetyki Jądrowej i Ochrony Środowiska Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ). „Takie pomiary w większości przypadków musiałyby same wprowadzać dodatkowe zaburzenia, co miałoby wpływ na wiarygodność wyników. Oczywiście przeprowadzenie pomiarów wiązałoby się z bardzo wysokimi kosztami, a wykonanie ich przy pracy reaktora po prostu trudno sobie nawet wyobrazić.”

Konstruktorzy reaktorów przyjmują zwykle pewne założenia co do wymaganej wytrzymałości materiałów konstrukcyjnych na wszelkiego rodzaju przewidywalne i nieprzewidywalne zaburzenia. „Zapas bezpieczeństwa” jest bardzo duży, ale mimo to naukowcy i inżynierowie dążą do tego, by zminimalizować skalę niewiadomych. Wiedzę można istotnie wzbogacić wykorzystując modele matematyczne i zaprzęgając do obliczeń potężne moce obliczeniowe.

„Chcielibyśmy umieć modelować przy pomocy narzędzi numerycznej dynamiki płynów (CFD) przepływy w obszarze całego zbiornika reaktora” - mówi mgr inż. Tomasz Kwiatkowski z Zakładu Energetyki Jądrowej i Analiz Środowiska NCBJ. „Obecnie w dość ograniczonym stopniu potrafimy przeprowadzać analizy dla pojedynczych kaset paliwowych, wycinków przestrzeni międzyprętowej lub uproszczonych modeli całego zbiornika. Takie obliczenia zostały wykonane w naszym zespole. Poprawność i efektywność używanych przez nas modeli została potwierdzona w sytuacjach, gdy było możliwe porównanie przewidywań teoretycznych z wynikami pomiarów. Między innymi w tym roku, wraz z holenderskimi partnerami, opublikowaliśmy analizę numeryczną zjawisk następujących, gdy nagle, w trybie awaryjnym, należy wstrzyknąć do zbiornika reaktora dodatkowe chłodziwo, gdyż nastąpiła utrata chłodziwa roboczego. Obliczenia można było skonfrontować z pomiarami wykonanymi wcześniej w Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf na rzeczywistym modelu zbiornika wykonanym w odpowiedniej skali. Okazało się, że wyniki naszych obliczeń przeprowadzonych wspólnie z kolegami z Nuclear Research and Consultancy Group (NRG) w Holandii dobrze opisują to, co zmierzono w eksperymencie.”

Przepływ chłodziwa wokół elementów paliwowych to równie ważny proces. Zarówno obliczenia, jak i próby pomiarów przepływów w kanałach symulujących przestrzeń międzyprętową reaktora były wykonywane wcześniej przez naukowców z innych ośrodków, ale obliczenia opierały się na bardzo uproszczonych modelach matematycznych. Trudność techniczna polega na tym, że wykonanie obliczeń w zaawansowanym modelu wymaga bardzo dużych mocy obliczeniowych i jest czasochłonne.

„Konstruktorzy instalacji potrzebują narzędzia, które w miarę szybko i bardzo wiarygodnie pozwoli opisać i ocenić konkretną zaistniałą sytuację” - przekonuje mgr inż. Kwiatkowski. „Projekt, który przedstawię w konkursie odbywającym się w czasie konferencji FISA/EuradWasta w Pitesti w Rumunii, zakłada sprawdzenie modeli uproszczonych i ewentualnie zaproponowanie ich poprawy na podstawie porównania z modelem zaawansowanym. Dzięki temu w razie potrzeby będzie można posłużyć się modelem uproszczonym bez obawy, że wyniki będą odległe od rzeczywistości. Prace w ramach projektu będą wykonane wspólnie z kolegami z NRG, z którymi współpracujemy od pewnego czasu, a obliczenia wykonamy w Centrum Informatycznym Świerk (CIŚ) i przy wsparciu tamtejszych specjalistów.”

„Bardzo nas cieszy sukces pana Kwiatkowskiego” - podkreśla profesor Mariusz Dąbrowski, kierownik Zakładu Energetyki Jądrowej i Analiz Środowiska NCBJ. „Projekt, mimo bardzo silnej konkurencji młodych uczonych z najlepszych ośrodków europejskich, został wyróżniony w marcu w Paryżu na konferencji NUGENIA - Nuclear Genaration II & III Association - międzynarodowego stowarzyszenia skupiającego najwyższej klasy ekspertów i wspierającego badania i prace rozwojowe na rzecz bezpieczeństwa reaktorów jądrowych. Dzięki temu wyróżnieniu projekt znalazł się w gronie pięciu propozycji rekomendowanych przez NUGENIA na konkurs na konferencji w Pitesti."

Współpraca naukowo-badawcza pomiędzy NCBJ i NRG, której efektem jest m.in. projekt pana Kwiatkowskiego, trwa od ponad dwóch lat. "Od samego początku współpraca między NCBJ i NRG została zawiązana zgodnie z dwiema zasadami" - dodaje profesor Dąbrowski. "Są to strategia wygrany-wygrany (win-to-win strategy) oraz ‘nauka w zamian’ (science-in-return). NCBJ udostępniło olbrzymie moce obliczeniowe - do 10 000 rdzeni obliczeniowych CIŚ, co było niezbędne do wytworzenia baz danych wysokiej wierności. Z kolei dr Afaque Shams z NRG, mający ogromne doświadczenie w wykonywaniu istotnych tu obliczeń, podjął się merytorycznego kierowania projektem.”

Konferencja FISA 2019 / EuradWaste’19 – największe cykliczne europejskie spotkanie ekspertów z dziedziny bezpieczeństwa jądrowego organizowane już po raz dziewiąty – odbędzie się w dniach 4-6 czerwca w rumuńskim ośrodku jądrowym Pitesti. Rumunia organizuje w tym roku konferencję w związku ze swą aktualna prezydencją w UE. Rozstrzygnięcie konkursu dla młodych naukowców nastąpi 6 czerwca po prezentacjach wszystkich zgłoszonych kandydatur.