Polak bada wpływ turbulencji na bezpieczeństwo reaktorów jądrowych

Wpływ turbulencji w przepływającym materiale chłodzącym na bezpieczeństwo reaktorów jądrowych bada doktorant Tomasz Kwiatkowski z NCBJ. Swoje badania zaprezentuje podczas konkursu dla naukowców zajmujących się bezpieczeństwem jądrowym.

Projekt doktorski mgr. inż. Tomasza Kwiatkowskiego z Zakładu Energetyki Jądrowej i Analiz Środowiska NCBJ został nominowany przez międzynarodowe stowarzyszenie NUGENIA do zaprezentowania w konkursie dla młodych naukowców na światowej konferencji FISA 2019/EuradWaste’19 rozpoczynającej się 4 czerwca w Rumunii – informuje w przesłanej informacji prasowej Narodowe Centrum Badań 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.

Czytaj także: Geostrategia, czas na radykalne zmiany

Turbulencje w reaktorach jądrowych

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.

Konstruktorzy reaktorów przyjmują zwykle pewne założenia co do wymaganej wytrzymałości materiałów konstrukcyjnych na wszelkiego rodzaju 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.

Na czym polegają badania?

„Chcielibyśmy umieć modelować przy pomocy narzędzi numerycznej dynamiki płynów (CFD) przepływy w obszarze całego zbiornika reaktora” – mówi mgr inż. Tomasz Kwiatkowski, cytowany w przesłanej informacji prasowej. „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” – mówi.

„Konstruktorzy instalacji potrzebują narzędzia, które w miarę szybko i bardzo wiarygodnie pozwoli opisać i ocenić konkretną zaistniałą sytuację” – przekonuje 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” – dodaje.

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 aktualną prezydencją w UE. Rozstrzygnięcie konkursu dla młodych naukowców nastąpi 6 czerwca po prezentacjach wszystkich zgłoszonych kandydatur.

Źródło: Serwis Nauka w Polsce – www.naukawpolsce.pap.pl