High-fidelity-simuleringer viser vejen til optimering af varmeoverførsel i nuværende og næste generations reaktorer

Ingeniører skal styre en malstrøm i kernen i drift af atomreaktorer. Atomreaktioner aflejrer en ekstraordinær mængde varme i brændstofstængerne, afsted med en vanvittig kogning, boblende, og fordampning i omgivende væske. Fra denne væltende strømning, operatører udnytter fjernelse af varme.

På jagt efter større effektivitet i nukleare systemer, forskere har længe søgt at karakterisere og forudsige den fysik, der ligger til grund for disse processer med varmeoverførsel, med kun beskeden succes.

Men nu er et forskerhold ledet af Emilio Baglietto, lektor i atomvidenskab og teknik ved MIT, har gjort et betydeligt gennembrud i detaljeringen af ​​disse fysiske fænomener. Deres tilgang anvender en modelleringsteknologi kaldet computational fluid dynamics (CFD). Baglietto har udviklet nye CFD -værktøjer, der fanger den grundlæggende fysik ved kogning, gør det muligt at spore hurtigt udviklende varmeoverførselsfænomener i mikroskalaen i en række forskellige reaktorer, og til forskellige driftsbetingelser.

"Vores forskning åbner mulighed for at fremme effektiviteten af ​​nuværende atomkraftsystemer og designe bedre brændstof til fremtidige reaktorsystemer, «siger Baglietto.

Gruppen, som inkluderer Etienne Demarly, en ph.d. -kandidat i atomvidenskab og teknik, og Ravikishore Kommajosyula, en ph.d. -kandidat i maskinteknik og beregning, beskriver sit arbejde i 11. marts -udgaven af Anvendt fysik bogstaver .

Baglietto, der ankom til MIT i 2011, er termisk hydraulikleder til Consortium for Advanced Simulation of Lightwater Reactors (CASL), et initiativ påbegyndt i 2010 for at designe forudsigelige modelleringsværktøjer til forbedring af nuværende og næste generations reaktorer, og for at sikre atomkraftens økonomiske levedygtighed som elektricitetskilde.

Centralt i Bagliettos CASL -arbejde har været spørgsmålet om kritisk varmeflux (CHF), som "repræsenterer en af ​​de store udfordringer for varmeoverførselssamfundet, "siger han. CHF beskriver en tilstand af kogning, hvor der er et pludseligt tab af kontakt mellem den boblende væske, og varmeelementet, som i atomindustriens tilfælde er atombrændstofstangen. Denne ustabilitet kan pludselig dukke op, som reaktion på ændringer i effektniveauer, for eksempel. Når kogningen når en krise, en dampfilm dækker brændstofoverfladen, som derefter viger for tørre pletter, der hurtigt når meget høje temperaturer.

"Du vil have bobler, der dannes og afgår fra overfladen, og vand fordamper, for at fjerne varmen, "forklarer Baglietto." Hvis det bliver umuligt at fjerne varmen, det er muligt for metalbeklædningen at mislykkes. "

Atomregulatorer har etableret effektindstillinger i den kommercielle reaktorflåde, hvis øvre grænser ligger langt under niveauer, der kan udløse CHF. Dette har betydet at køre reaktorer under deres potentielle energiproduktion.

"Vi vil tillade så meget kogning som muligt uden at nå CHF, "siger Baglietto." Hvis vi kunne vide, hvor langt vi altid er fra CHF, vi kunne operere lige på den anden side, og forbedre reaktorernes ydeevne. "

At opnå dette, siger Baglietto, kræver bedre modellering af processerne, der fører til CHF. "Tidligere modeller var baseret på kloge gætterier, fordi det var umuligt at se, hvad der egentlig foregik på overfladen, hvor kogning fandt sted, og fordi modeller ikke tog højde for al den fysik, der kørte CHF, «siger Baglietto.

Så han satte sig for at skabe en omfattende, high-fidelity repræsentation af kogende varmeoverførselsprocesser op til CHF-punktet. Dette betød at skabe fysisk nøjagtige modeller for boblernes bevægelse, kogende, og kondensering finder sted ved det, ingeniører kalder "væggen"-beklædningen på fire meter høj, en centimeter brede atombrændstofstænger, som er pakket af titusinderne i en typisk atomreaktorkerne og omgivet af varm væske.

Mens nogle af Bagliettos beregningsmodeller udnyttede eksisterende viden om de komplekse brændstofmonterings varmeoverførselsprocesser inde i reaktorer, han søgte også nye eksperimentelle data for at validere sine modeller. Han fik hjælp fra afdelingskollegaerne Matteo Bucci, Norman C. Rasmussen Adjunkt i Nuclear Science and Engineering, og Jacopo Buongiorno, TEPCO -professor og associeret afdelingsleder for atomvidenskab og teknik.

Brug af elektrisk simulerede varmeapparater med surrogatbrændstofaggregater og gennemsigtige vægge, MIT -forskere var i stand til at observere de fine detaljer i udviklingen af ​​kogning til CHF.

"Du ville gå fra en situation, hvor dejlige små bobler fjernede meget varme, og nyt vand oversvømmede overfladen, holde tingene kolde, til et øjeblik senere, da der pludselig ikke var mere plads til bobler og tørre pletter ville dannes og vokse, «siger Baglietto.

En grundlæggende bekræftelse kom frem fra disse forsøg. Bagliettos indledende modeller, i modsætning til konventionel tankegang, havde foreslået, at under kogning, fordampning er ikke den eksklusive form for fjernelse af varme. Simuleringsdata viste, at bobler glider, skubber og forlader overfladen fjernet endnu mere varme end fordampning, og eksperimenter validerede resultaterne af modellerne.

"Bagliettos arbejde repræsenterer et vartegn i udviklingen af ​​forudsigelsesmuligheder for kogende systemer, gør det muligt for os at modellere adfærd på et meget mere grundlæggende niveau end nogensinde før, "siger W. David Pointer, gruppeleder for avanceret reaktorteknik ved Oak Ridge National Laboratory, som ikke var involveret i forskningen. "Denne forskning vil give os mulighed for at udvikle betydeligt mere aggressive designs, der bedre optimerer brændstofkraften uden at gå på kompromis med sikkerheden, og det vil have en umiddelbar indvirkning på ydeevnen i den nuværende flåde såvel som på næste generations reaktordesign. "

Bagliettos forskning vil også hurtigt forbedre processen til udvikling af atombrændstoffer. I stedet for at bruge mange måneder og millioner af dollars på eksperimenter, siger Pointer, "Vi kan genveje de lange testsekvenser ved at levere nøjagtige, pålidelige modeller. "

I de kommende år, Bagliettos omfattende tilgang kan hjælpe med at levere brændstofbeklædning, der er mere modstandsdygtig over for tilsmudsning og urenheder, mere uheldstolerant, og det tilskynder til højere befugtning, gør overflader mere befordrende for kontakt med vand og mindre tilbøjelige til at danne tørre pletter.

Selv små forbedringer i atomkraftproduktionen kan gøre en stor forskel, Baglietto siger.

"Hvis brændstof klarer sig fem procent bedre i en eksisterende reaktor, det betyder fem procent mere energiproduktion, hvilket kan betyde forbrænding af mindre gas og kul, "siger han." Jeg håber at se vores arbejde meget snart i amerikanske reaktorer, fordi hvis vi kan producere mere atomenergi billigt, reaktorer vil forblive konkurrencedygtige mod andre brændstoffer, og få større indflydelse på CO2 -emissionerne. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.