Kaasujhdytteisten reaktorien mallinnus Heikki Suikkanen 672021 1 Korkealmptilareaktorit

Kaasujäähdytteisten reaktorien mallinnus Heikki Suikkanen 6/7/2021 1

Korkealämpötilareaktorit • Kaasujäähdytteiset Korkealämpötilareaktorit: – – – • 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: – – • Jäähdytteenä helium kaasu Polttoaine päällystettyinä grafiittiin sidottuina jyvinä Grafiittimoderoituja 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 EteläAfrikkaan (PBMR) ja Kiinaan (HTR-PM) Olemassa kaksi hieman toisistaan poikkeavaa konseptia: – – 6/7/2021 Prismatic eli polttoaine-elementit grafiittiblokeissa Pebble bed eli polttoaine grafiittikuulissa (tutkitaan LUT: ssa) 2 Pebble bed –tyyppinen korkealämpötilareaktori.

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 6/7/2021 3 Jäähdytevirtauksen jakautuminen nousukanaviin reaktorisydämen sisääntulossa. Polttoainekuulien pakkautuminen reaktorisydämessä.

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 – – – • Aloitettujen laskentojen kehittäminen: – – – • • Keski- ja sivuheijastimet Polttoaine Tukikori ja paineastian seinämä Lämmönsiirtomallien kehittäminen Reaktorifysiikkakytkentä Kuulien pakkautumisen tarkastelusta pakkausosuuden profiiliin tarkennuksia Mahdollisesti yksityiskohtaisempia tarkasteluja muutaman polttoainekuulan muodostamassa virtausalueessa Mahdollisesti laskentaa avoimella Open. FOAMkoodilla 6/7/2021 4 Lämpötilajakauma yksinkertaistetun sydängeometrian halkileikkauksessa.

Polttoainekuulien virtaus ja pakkautuminen • Polttoainekuulien pakkautuminen vaikuttaa erityisesti jäähdytteen virtaukseen ja lämmönsiirtoon: – – • • Kuulien virtauksen tarkastelu oleellista palaman seuraamisessa Kuuliin vaikuttavat mekaaniset rasitukset – – • • Pakkausosuus pienempi seinämien lähellä, jolloin jäähdytevirtaus kanavoituu Pakkausosuuden muutokset yllättävissä tilanteissa esim. maanjäristys 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) – – 6/7/2021 On kehitetty omaa laskentakoodia Yhteistyötä menetelmää käyttäneiden tutkijoiden kanssa 5 Voronoi-diagrammi paikallisen pakkausosuuden määrittämiseksi.

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 (HTRPROTEUS, HTR-10) molemmilla koodeilla Lopulta tavoitteena koodien käyttö täysikokoisten reaktorien analyyseihin muiden ilmiöiden kytkennät huomioiden: – Polttoainekuulien paikat DEM-laskennasta Monte Carlo laskentaan – Tehoprofiili reaktorifysiikkalaskennasta CFDlaskentaan – Lämpötilaprofiili CFD-laskennasta reaktorifysiikkalaskentaan – Kuulien virtaustiedon (DEM) hyödyntäminen palamalaskennassa 6/7/2021 6 Serpentillä laskettu yksittäinen polttoainekuula (9394 polttoainejyvää)

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 PROTEUSkoelaitteisto. < IAEA-TECDOC--1249 Critical experiments and reactor physics calculations for low-enriched HTGRs > 6/7/2021 7

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 6/7/2021 8 Lähikuvaa yksittäisistä kuulista ↑ Lähikuvaa yksittäisistä polttoainejyvistä →

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: – – – 6/7/2021 Fluent + Gambit Open. FOAM Trans. AT NEPTUNE CFD Matlab. . . 9 Ydinvoimatekniikan laboratorion laskentaklusteri ”Hydra”.

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 6/7/2021 10