В Канадских ядерных лабораториях (Canadian Nuclear Laboratories – CNL) мультифизическое моделирование используется, чтобы оценить сложное поведение ядерного топлива.
В ядерной технике, где исследования направлены на повышение безопасности, эффективности и экономичности реакторов, для моделирующих исследований часто используются усовершенствованные и надежные компьютерные коды. Но они также являются реальным препятствием для инноваций из-за необходимости рассматривать множество строк кода, чтобы исследовать потенциальный эффект незначительной настройки системы. В качестве альтернативы для модификации устаревших кодов мультифизическая платформа предоставляет среду, позволяющую инженерам исследовать изменения в данных и методах моделирования без осложнений адаптации длинного кода.
Мультифизическое программное обеспечение для создания математической модели включает в себя большое количество физических явлений. Работа по моделированию включает представление ядерных топливных таблеток, включая перенос тепла, деформацию структурной механики, механический контакт, повышение давления из-за выделения газа продуктов деления и микроструктурные изменения из-за роста гранул, радиационного повреждения и выгорания. Также смоделировано поведение оболочки вокруг ядерного топлива.
В ядерном реакторе топливные таблетки, подвергающиеся реакциям деления, испытывают воздействие высоких температур, высоких температурных градиентов и теплового расширения. Кроме того, в топливных таблетках накапливаются продукты деления.
Микроструктура таблеток ядерного топлива изменяется после длительной высокотемпературной эксплуатации. Изготовленная структура гранул остается только снаружи, ближе к охлаждающей жидкости, где температура самая низкая. При чуть более высоких температурах гранулы растут (огрубляются), образуя область равноосного роста гранул. При самых высоких температурах механизм переноса паров приводит к миграции пор вдоль градиента температуры (по направлению к центру), образуя центральную пустоту и оставляя после себя длинные столбчатые гранулы.
Внутри керамического топлива образуются трещины. Существует также контакт между керамической таблеткой и ее металлической оболочкой. Необходимо учитывать радиационное повреждение, поскольку продукты деления высоких энергий, такие, как гамма и нейтронное излучение, изменяют микроструктуру всех материалов. Существует также макроскопическое набухание, поскольку вследствие деления один атом делится на два, и два атома занимают больше места, чем один. Два продукта деления, инертные газы ксенон и криптон, образуют пузырьки внутри топливных таблеток. Также необходимо учитывать проблемы коррозии, так как высокотемпературная вода в радиационной среде приводит к образованию продуктов радиолиза, которые вызывают коррозию снаружи оболочки.
Предотвращение отказа топлива. Поскольку свойства таблеток ядерного топлива резко меняются при облучении, инженеры в значительной степени полагаются на модели, чтобы предсказать, как характеристики топлива, такие, как пиковая температура, давление газа и деформация оболочки, будут меняться между доступными экспериментами. Точно так же знание о возможном проявлении в радиационной среде изменения конструкции требует обширной работы по моделированию и проверки с помощью физических измерений.
Одним из основных мотивов исследований было моделирование деформации оболочки и получение более точной оценки деформации оболочки, поскольку она является важным механизмом разрушения топлива. После того, как была создана модель для деформации оболочки, система могла быть оптимизирована виртуально. Стратегии оптимизации включают изменение топлива, зазора между топливом и оболочкой или способа обработки топлива один раз в реакторе.
Замена топлива является привлекательным подходом к модернизации АЭС. Это экономически выгодно, так как не нужно обновлять компоненты реактора. Инженеры просто загружают новое топливо, когда наступает время перегрузки топлива.
Несколько явлений в одной модели. С использованием программного обеспечения Comsol Multiphysics® создан инструмент моделирования топлива и оболочки (Fuel and Sheath Modelling Tool – FAST), чтобы фиксировать сложный перенос тепла, механику твердого тела и поведение материала ядерного топлива, оболочки и зазора между топливом и оболочкой.
Получены результаты моделирования FAST, чтобы показать гидростатическое давление, напряжение и осевую ползучесть в оболочке и топливных гранулах. Распределение этих полей является результатом конструктивных параметров, таких, как отношение длины к диаметру и размеры камеры, а также эксплуатационных рассмотрений, таких, как уровень мощности и температура охлаждающей жидкости.
Моделирование эволюции пористости границы гранулы. Для расширения инструмента моделирования и характеризации реактора другим способом смоделированы диффузия газа из топливных гранул, а затем образование и движение пузырьков на границах гранул, с использованием уравнения функциональности моделирования на основе программного обеспечения Comsol®.
При облучении и химической замене ядерного топлива газ просачивается из топливной гранулы, образуя пузырьки, которые сливаются. В традиционной фазовой области объем топливных гранул будет моделироваться. Этот метод игнорирует твердые частицы и моделирует движущуюся поверхность между твердыми частицами и газом. Это превращает трехмерную задачу в двумерную и значительно сокращает необходимые вычислительные ресурсы.
Модель использует два связанных уравнения слабой формы на поверхности гранулы, одно для расстояния до поверхности пузырька, а другое для химического потенциала. Знание того, сколько газа выходит из топлива, позволило рассчитать теплопроводность и давление газа внутри топливного элемента. Результаты этого анализа позволили определить другие ключевые показатели эффективности топлива. Этот набор расчетов служит нелинейным представлением деградации топлива. С помощью моделирования можно оценить, достаточно ли низкое давление, и в этом случае топливо можно продолжать облучать, что очень важно для безопасности.
Инновации в дизайне топлива. Используя мультифизическое моделирование, инженеры лабораторий CNL смогли создать полезный инструмент и подготовить более быстрое повторное проектирование и инновации. Мультифизическое моделирование может информировать другие области развития в ядерной технике. Инженеры могли бы полностью переосмыслить топливо, разрабатывая версии, устойчивые к сценариям тяжелых аварий.
В долгосрочной перспективе программное обеспечение для моделирования играет роль в разработке небольших модульных реакторов. Они могут быть сделаны из новых материалов и иметь новую геометрию.
Источник: Nuclear Engineering International: Features 4.7.2019