Select language: en pl

NCBJ, wraz z partnerami z Holandii, prowadzi badania nad bezpieczeństwem elektrowni jądrowych

Narodowe Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) we współpracy z Nuclear Research and Consultancy Group (NRG) rozpoczyna badania nad bezpieczeństwem współczesnych elektrowni jądrowych. Naukowcy przeanalizują m.in. wrażliwość zbiorników reaktorów jądrowych na nagłe zmiany temperatury. Prace potrwają 3 lata, w tym przez rok będą wykonywane same obliczenia numeryczne wykorzystujące 5000 rdzeni polskiego superkomputera – klastra Centrum Informatycznego Świerk (CIŚ).

12 grudnia 2016 r. Narodowe Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku podpisało umowę z holenderskimi partnerami z Petten o współpracy naukowo-badawczej w zakresie bezpieczeństwa reaktorów jądrowych.

Nasza współpraca to ogromne przedsięwzięcie naukowo-badawcze – podkreśla prof. dr hab. Mariusz Dąbrowski, kierownik Zakładu Energetyki Jądrowej i Analiz Środowiska NCBJ – Zajmiemy się dwoma podstawowymi problemami: wstrząsem termicznym w warunkach wysokiego ciśnienia oraz mieszaniem się chłodziwa w kasetach paliwowych.

Bezpieczeństwo to kluczowa kwestia w eksploatacji reaktorów jądrowych. Konstruktorzy i naukowcy starają się przewidywać i analizować nawet najbardziej nieprawdopodobne,  ekstremalne scenariusze zdarzeń mogących doprowadzić do awarii instalacji. Wyniki ich badań znajdują potem zastosowanie w przemyśle.

Jednym z takich niebezpiecznych scenariuszy jest sytuacja, kiedy reaktor jądrowy traci część swojego chłodziwa roboczego i następuje awaryjne uzupełnienie tego obiegu dodatkowym chłodziwem z Awaryjnego Systemu Chłodzenia Rdzenia – tłumaczy mgr inż. Piotr Prusiński lider Grupy Analiz CFD z Zakładu Energetyki Jądrowej i Analiz Środowiska NCBJ – Zimny strumień wody z systemu awaryjnego miesza się wstępnie z gorącym chłodziwem układu pierwotnego. Mieszanie rozpoczyna się w miejscu wstrzyknięcia, czyli przy zimnym (dolotowym) wlocie do zbiornika i propaguje dalej w kierunku dna po płaszczu rdzenia. Nagłe przechłodzenie może prowadzić do naprężeń poza zakresem wytrzymałości materiałów i do ujawnienia istniejących defektów w ściankach zbiornika. Zjawisko to nazywamy z języka angielskiego Pressurized Thermal Shock (PTS), czyli wstrząsem termicznym w warunkach wysokiego ciśnienia. Zjawisko to może zagrozić nawet integralności zbiornika reaktora, konstruktorzy muszą więc wiedzieć dokładnie, jakie są zakresy jego bezpiecznej pracy.

Ze względu na bardzo wysokie koszty, jak również problemy logistyczne, wielu testów kryzysowych (zniszczeniowych) nie można przeprowadzić w postaci realnych eksperymentów. W tym celu przeprowadza się analizy numeryczne, w których rzeczywiste instalacje i materiały zastępowane są modelami matematycznymi, odwzorowującymi ich najdrobniejsze szczegóły i właściwości. Potrzebna jest ogromna moc obliczeniowa do przetworzenia tak dokładnych symulacji. Centrum Informatyczne Świerk (CIŚ) specjalizuje się w tego rodzaju analizach. Wykorzystuje do tego celu m.in. oprogramowanie klasy Computational Fluid Dynamics (CFD) gwarantujące ogromną precyzję i dokładność odwzorowania sytuacji rzeczywistej.

Współpraca naukowców z NCBJ i NRG ma dotyczyć także projektowania optymalnych i bezpiecznych  kaset paliwowych. Mieszanie się cieczy chłodzącej w kasetach paliwowych reaktora zachodzi w  przestrzeni między prętami paliwowymi. Chłodziwo przemieszcza się w tej przestrzeni nie tylko prostymi strugami wzdłuż prętów, lecz także pomiędzy poszczególnymi szczelinami, redukując (co jest korzystne z punktu widzenia bezpieczeństwa) różnice temperatur na obwodzie poszczególnych prętów. Przewidywanie czasu wystąpienia i wartości skoku temperatury, czy też innych parametrów skomplikowanej struktury przepływu turbulentnego (burzliwego), jak również związanych z nimi niepewności wymaga zastosowania wyrafinowanych narzędzi, jakimi są kody CFD.

Zagadnienia te są szeroko opisywane w literaturze światowej, jednak dotychczas analizy i eksperymenty były prowadzone w ramach modeli opartych o trudne do zweryfikowania założenia – dodaje mgr inż. Tomasz Kwiatkowski z Grupy Analiz CFD w Zakładzie Energetyki Jądrowej i Analiz Środowiska NCBJ –  My chcemy pozbyć się tych niepewności. W naszych obliczeniach założenia modelowe zostaną zastąpione przez wyniki symulacji, które wiernie odwzorowują rzeczywiste przepływy. Są to tzw. symulacje Direct Navier-Stokes (DNS).

W obu wspólnych polsko-holenderskich projektach kluczowe są zarówno głęboka wiedza o procesach fizycznych zachodzących w reaktorze, jak i umiejętność modelowania tych procesów. Naukowcy z Petten mają ogromną wiedzę fizyczną i praktyczną dotyczącą fizyki reaktorów. Są też niekwestionowanymi w świecie specjalistami w modelowaniu procesów i przeprowadzaniu ich analiz numerycznych. Uczeni ze Świerka podobnie jak oni realizują z powodzeniem symulacje w skali przemysłowej. Jednak nowe wyzwanie to nie tylko ogromny wysiłek finansowy, ale również organizacyjny wymagający zaangażowania wielu specjalistów, których brakuje w obu krajach.  Zapoczątkowany projekt wymaga również potężnych mocy obliczeniowych. Na jego potrzeby NCBJ udostępni 5000 rdzeni klastra komputerowego CIŚ.

Badania zaplanowano na 36 miesięcy, przy czym same obliczenia numeryczne zajmą ponad rok. W efekcie ma powstać m.in. referencyjna baza wiedzy pozwalająca weryfikować modele uproszczone, które muszą być stosowane na co dzień ze względu na złożoność i czasochłonność analiz dokładnych. Niewątpliwą korzyścią z realizacji projektu będzie też wiedza, którą podzielą się ze sobą polscy i holenderscy naukowcy. Uczeni określają ten efekt mianem „science in return”.

 

Zdjęcia: NCBJ