Az SCWR-FQT tesztszakaszának CFD analízise: a be- és kilépő rész vizsgálata

Hasonló dokumentumok
Az SCWR-FQT tesztszakaszának CFD analízise: a belépési hatás vizsgálata

Az SCWR-FQT tesztszakasz be- és kilépő részének CFD analízise

Az SCWR-FQT tesztszakaszának CFD analízise: a be- és kilépő rész vizsgálata

KÍSÉRLETEK AZ ANCARA MÉRŐKÖRÖN

A HPLWR tanulmányozásához használt csatolt neutronfizikai-termohidraulikai programrendszer továbbfejlesztése

Aktuális CFD projektek a BME NTI-ben

SCWR ÜZEMANYAGBAN LEJÁTSZÓDÓ TERMOHIDRAULIKAI FOLYAMATOK MODELLEZÉSE AZ ANSYS CFX 10.0 KÓDDAL

CFX számítások a BME NTI-ben

Aktuális CFD projektek a BME NTI-ben

MERVAY BENCE TDK DOLGOZAT

CFD vizsgálatok az ALLEGRO kerámia kazetta belső szubcsatornájára

Szívókönyökök veszteségeinek és sebességprofiljainak vizsgálata CFD szimuláció segítségével

ALLEGRO gázhűtésű gyorsreaktor CATHARE termohidraulikai rendszerkódú számításai

ALLEGRO Reaktorral Kapcsolatos Reaktorfizikai Kihívások XV. MNT Szimpózium

Atomenergetikai alapismeretek

HÍDTARTÓK ELLENÁLLÁSTÉNYEZŐJE

A HPLWR szuperkritikus nyomású reaktor egyensúlyi kampányszámítása

Magyarországi nukleáris reaktorok

VVER-440 (V213) reaktor (főberendezések és legfontosabb üzemi jellemzők)

A Nukleáris Technikai Intézet és az atomenergetikai

Tar Dániel, Baranyai Gábor, Ézsöl György

MERVAY BENCE TDK DOLGOZAT

A Nukleáris Technikai Intézet és az atomenergetikai képzések

MUNKATERV/BESZÁMOLÓ. György Hunor Sándor Ph.D. hallgató 5. szemeszter (2014/2015 tanév 1. félév)

Beszámoló az. Új nukleáris energiatermelési módszerek technológiai elemeinek fejlesztése (NUKENERG) pályázatról szeptember augusztus 31

ÚJ NUKLEÁRIS ENERGIATERMELÉSI MÓDSZEREK TECHNOLÓGIAI ELEMEINEK FEJLESZTÉSE

Az ALLEGRO gyors reaktor kerámia kazettájának vizsgálata CFD módszerrel. TDK dolgozat

Ellenörző számítások. Kazánok és Tüzelőberendezések

Lemezeshőcserélő mérés

Artériás véráramlások modellezése

SZIMULÁCIÓ ÉS MODELLEZÉS AZ ANSYS ALKALMAZÁSÁVAL

Artériás véráramlások modellezése

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem (BME) Természettudományi Kar (TTK) Nukleáris Technikai Intézet (NTI)

A diplomaterv keretében megvalósítandó feladatok összefoglalása

235 U atommag hasadása

Overset mesh módszer alkalmazása ANSYS Fluent-ben

Az ALLEGRO reaktor kerámia kazetta sarok régiójának CFD vizsgálata

MELCOR súlyos baleseti elemző kód validálása gázhűtésű gyorsreaktorra

SZUPERKRITIKUS NYOMÁSÚ VÍZZEL HŰTÖTT REAKTOR CSATOLT REAKTORFIZIKAI - TERMOHIDRAULIKAI ELEMZÉSE

TOL A MEGYEI SZILÁRD LEÓ FIZIKAVERSE Y Szekszárd, március óra 11. osztály

Gazdaságosabb üzemanyag és üzemanyag ciklus a paksi reaktorok növelt teljesítményén

IV. generációs reaktorok kutatása. Czifrus Szabolcs BME NTI

VVER-440 ÜZEMANYAG-KAZETTÁKBAN LEJÁTSZÓDÓ HŰTŐKÖZEG-KEVEREDÉS MODELLEZÉSE A CFX KÓD SEGÍTSÉGÉVEL. Ph.D. tézisfüzet TÓTH SÁNDOR

2.GYAKORLAT (4. oktatási hét) PÉLDA

Beszámoló az. Új nukleáris energiatermelési módszerek technológiai elemeinek fejlesztése (NUKENERG)

ALLEGRO: Gázhűtésű gyorsreaktor Közép-Európában

Ipari és kutatási területek Dr. Veress Árpád,

A paksi atomerőmű. Készítette: Szanyi Zoltán RJQ7J0

Nemzeti Nukleáris Kutatási Program

Atomenergetikai alapismeretek

Beszámoló az. Új nukleáris energiatermelési módszerek technológiai elemeinek fejlesztése (NUKENERG)

Első magreakciók. Targetmag

Gázturbina égő szimulációja CFD segítségével

LOCAFI+ 4. Analítikus módszer és ellenőrzés. Lokális tűznek kitett függőleges acélelem hőmérséklet vizsgálata, disszemináció. Szerződésszám n

VVER-440 kazettafej modell előzetes validációs számításai

XXI. NEMZETKÖZI GÉPÉSZETI TALÁLKOZÓ

Dinamikus modellek felállítása mérnöki alapelvek segítségével

Készítette: Gönczi Gábor. Fővárosi Vízművek Zártkörűen Működő Részvénytársaság

A paksi kapacitás-fenntartási projekt bemutatása

Segédlet az ADCA szabályzó szelepekhez

A végeselem módszer alapjai. 2. Alapvető elemtípusok

Technikai áttekintés SimDay H. Tóth Zsolt FEA üzletág igazgató

A Paksi Atomerőmű üzemidő hosszabbításához. kábelek üzemzavari minősítő vizsgálata

BME HDS CFD Tanszéki beszámoló

Ellenáramú hőcserélő

1.1 Hasonlítsa össze a valós ill. ideális folyadékokat legfontosabb sajátosságaik alapján!

Kutatási téma Energetika MSc hallgatóknak BME NTI

A mikroskálájú modellek turbulencia peremfeltételeiről

Hőszivattyúk - kompresszor technológiák Január 25. Lurdy Ház

DL drainback napkollektor rendszer vezérlése

Danfoss Hőcserélők és Gömbcsapok

A hazai nukleáris kapacitás hosszú távú biztosítása

1. feladat Összesen 21 pont

3 Technology Ltd Budapest, XI. Hengermalom 14 3/ Végeselem alkalmazások a tűzvédelmi tervezésben

Belsőégésű motor hengerfej geometriai érzékenység-vizsgálata Geometriai építőelemek változtatásának hatása a hengerfej szilárdsági viselkedésére

Perturbációk elméleti és kísérleti vizsgálata a BME Oktatóreaktorán

Többjáratú hőcserélő 3

Forrócsatorna számítások a csatolt KIKO3D- COBRA kóddal az új blokkok biztonsági elemzéseihez

HŐKÖZLÉS ZÁRTHELYI BMEGEENAMHT. Név: Azonosító: Helyszám: K -- Munkaidő: 90 perc I. 30 II. 40 III. 35 IV. 15 ÖSSZ.: Javította:

HPLWR zónatervezési számítások

LEVEGŐ VÍZ HŐSZIVATTYÚ

1. feladat Összesen 25 pont

Hogyan mûködik? Mi a hõcsõ?

MSZ EN :2015. Tartalomjegyzék. Oldal. Előszó Alkalmazási terület Rendelkező hivatkozások...10

A BME NTI részvétele a Nemzeti Nukleáris Kutatási Programban

SZAKDOLGOZAT VIRÁG DÁVID

Az atommagtól a konnektorig

ALLEGRO: gázhűtésű gyorsreaktor Közép-Európában. Czifrus Szabolcs BME Nukleáris Technikai Intézet

MSZ EN :2015. Tartalom. Oldal. Előszó...8. Bevezetés Alkalmazási terület Rendelkező hivatkozások...10

Folyadékok és gázok áramlása

Folyadékok és gázok áramlása

TABLETTÁK ÉS KAPSZULÁK SZÉTESÉSE

FIZIKA II. 2. ZÁRTHELYI DOLGOZAT A MŰSZAKI INFORMATIKA SZAK

1. számú ábra. Kísérleti kályha járattal

DV285 lemezes hőcserélők, E típus

Anyagjellemzők változásának hatása a fúróiszap hőmérsékletére

Biomechanika előadás: Háromdimenziós véráramlástani szimulációk

PONTSZÁM:S50p / p = 0. Név:. NEPTUN kód: ÜLŐHELY sorszám

Hermetikus tér viselkedése tervezési és tervezésen túli üzemzavarok során a Paksi Atomerőműben

Projektfeladatok 2014, tavaszi félév

Átírás:

Az SCWR-FQT tesztszakaszának CFD analízise: a be- és kilépő rész vizsgálata Kiss Attila, Vágó Tamás, Prof. Dr. Aszódi Attila Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem (BME) Nukleáris Technikai Intézet (NTI), 1111 Budapest, Műegyetem Rkp. 9., +36 1 463 1997, kissa@reak.bme.hu Összefoglaló Az SCWR-FQT projekt egy 2010-ben elnyert Európai Uniós FP7-es kutatási projekt, amelyben 6 európai partner (köztük az NTI) dolgozik együtt. A projekt célja egy tesztkör megtervezése és a tervek korszerű elemző kódokkal való analízise. A tesztkör a Prága melletti Řež -i kutatóintézet LVR-15-ös reaktorába behelyezve lépne üzembe valamikor 2015 után. Az analíziseknek olyan részletességűeknek kell lenniük, hogy a cseh nukleáris hatóságnál lefolytatandó engedélyeztetési eljárást is megalapozzák. Az NTI feladata a tesztszakasz be- és kilépő geometriájának optimalizálása annak érdekében, hogy stabil és homogén belépő és megfelelő keveredéssel jellemezhető kilépő áramképet biztosítsunk. Ez a cikk a tesztszakasz be- és kilépő rész geometriájának optimalizációjáról szól. Az SCWR és hűtőközegének termohidraulikai tulajdonságai Amerikai kezdeményezésre megalapították 2000-ben a Generation IV International Forum (GIF) szervezetet. Az alapítók célja olyan negyedik generációs nukleáris rendszerek kifejlesztése volt, ami növeli az atomenergia-felhasználás széleskörű elterjedését. Ehhez közel két éves egyeztetések során megfogalmazták a fő fejlesztési célokat és kiválasztották azt a hat reaktorkoncepciót a száz megvizsgált közül, amelyek elképzelésük szerint 2030-ra kereskedelmi forgalomba fognak kerülni [1]. Az említett hat koncepciót egy komoly kiválasztás előzte meg, melynek során megvizsgálták a futó fejlesztéseket (K+F), felvázolták a jövő várható energia- és környezeti igényeit, majd kijelölték az ezekhez legjobban illeszkedő kutatási irányokat. A kiválasztott hat reaktorkoncepció egyike az SCWR (Supercritical Water Cooled Reactor), ami egy könnyűvízhűtésű reaktor [2]. A hűtőközege a termodinamikai kritikus nyomás (p kr =22,064 MPa) feletti állapotban van üzem közben. A fosszilis tüzelőanyaggal üzemelő erőművekben alkalmazták először a kritikus pont közeli vagy azt meghaladó nyomású hőhordozó közeget. Mind a Szovjetunióban mind pedig az Egyesült Államokban az 1950-es években indult fejlődésnek ez a technológia. Azért alkalmazták a szuperkritikus paraméterű vizet (SCW) hűtőközegként, mert így jelentősen növelhető a rendszer hatásfoka. Az SCWR nagyban hasonlít a már használatban lévő szuperkritikus nyomású fosszilis üzemanyaggal működő erőművekre, továbbá PWR és BWR blokkokra. Néhány különbség azonban felfedezhető. A PWR-től abban különbözik, hogy egy hurkos rendszerről van szó. Mivel a kritikus nyomás feletti a közeg nyomása, így fázisátalakulás nem fordul elő a turbináig, így külön gőzfejlesztőre sincs szükség. A BWRben használatos gőzszeparátorokra és szárítókra, továbbá recirkulációs rendszerre sincs szükség, továbbá a szabályzó- és biztonságvédelmi rudakat a reaktortartály tetejéről vezetik be a zónába. A koncepciók tulajdonságait alapvetően meghatározzák a kritikus, pszeudó-kritikus pont környékén tapasztalt jelenségek [3]. Az 1. ábrán látható, hogy a víz sűrűsége monoton csökken a hőmérséklet növekedésével, a pszeudokritikus hőmérsékletnél a fajhő pedig egy lokális csúcsot mutat. 1

1. ábra: A víz termohidraulikai tulajdonságainak változása a kritikus pont környékén. Ezen kívül forrás, mint elsőrendű fázisátalakulás jelei sem mutatkoznak meg a kritikus pont felett. A pszeudokritikus pontnál (25 MPa esetén 385 C) hatékonyan lehet elvonni a hőt a fajhő lokális csúcsa miatt. E pont feletti alacsony sűrűségű fluidumot gyakran hívják szuperkritikus gőznek ( gas-like behaviour ), míg az e pont alatt lévő magas sűrűségű fluidumot szuperkritikus víznek ( liquid-like behaviour ). Az entalpiakülönbség a víz és a gőz között akkora, hogy meglehetősen sok hőt lehet elvonni viszonylag alacsony hűtőközeg tömegárammal, miközben mérsékelten emelkedik a közeg hőmérséklete (~40 C). Az anyagjellemzők meredek változása a pszeudókritikus pont környezetében a tömegfluxushoz viszonyítva kellően magas hőfluxus érték esetén a hőátadási tényező elfajulásához vezet, amelynek pontos oka, fizikai magyarázata nem tisztázott, ez sokat kutatott terület. A hőátadási tényező elfajulását, ami fali hőmérséklet csúcsokat ( hot spot ) eredményezhet, mennyiségileg minden esetben pontosan még nem tudják számolni a rendelkezésre álló CFD kódok. A fali hőmérsékletek és a hőátadási tényező eloszlásának alakját jól visszaadják viszont, tehát minőségileg kiszámolható az elfajulás jelensége. Az SCWR-FQT projekt Európai kutatások is folynak a SCWR koncepció megvalósítása terén. Az európai koncepció High Performance Light Water Reactor (HPLWR) néven ismeretes [4]. Az európai HPLWR koncepció alapvetően különbözik az eredeti SCWR koncepciótól abban, hogy három párhuzamos huzamot alakítottak ki az aktív zónában, miután kiderült (lásd [4]), hogy egy huzamban nem lehetséges felmelegíteni az eredeti tervek alapján 280 C-ról 500 C-ra a hűtőközeget. Az SCWR-FQT (Supercritical Water Cooled Reactor-Fuel Qualification Test) projekt az európai HPLWR Phase 2 projekthez kapcsolódó üzemanyag minősítési teszt. Az SCWR-FQT Európai Uniós-kínai közös projekt fókuszában egy olyan berendezés tervezése áll, melynek segítségével a szuperkritikus nyomású vízhűtésű reaktorkoncepcióhoz végezhetnek üzemanyagkazetta-minősítő teszteket. A berendezés a Řež-ben található cseh kutatóintézet (CVR) LVR-15 típusú kutatóreaktorában fog majd üzemelni. A BME NTI feladatai a normál üzemállapot vizsgálatához tartoznak. Ezen vizsgálatok keretében a tesztkazetta geometriájának azon részének az optimalizációja folyik, ahol a be- és kiáramlás történik. CFD kód segítségével vizsgáljuk a stabil és homogén áramlási eloszlásokat (sebesség, nyomás, turbulencia) a belépésnél és a kazettán belüli, lehetőleg a szubcsatornák közötti minél homogénebb hőmérséklet eloszlást eredményező keveredés hatékonyságát különösen a kilépő keresztmetszet közelében. A tesztkazettán belüli ki- és beáramlásnál 2

tapasztalható jelenségeken túl a tesztkazetta fölött lévő rekuperátor fokozat, mint ellenáramú hőcserélő CFD számításait is a BME NTI végzi. Az elemzések elvégzéséhez az ANSYS CFX 13.0 numerikus áramlástani szoftver került felhasználásra. A HPLWR kísérleti kazetta és annak CFD modellje A projekt végcélja, hogy a csehországi CVR kutatóintézet LVR-15 típusú kutatóreaktorának egy kazettája helyébe egy szuperkritikus nyomású vízzel hűtött kazettamodell hurkot helyezzenek. Ennek a teszthuroknak a majdani feladata az SCWR megvalósításához hozzájáruló megelőző kísérletek elvégzése, nevesen az európai koncepció, a HPLWR kazettaterveinek a működőképességét hivatott demonstrálni. Magában a projektben a megvalósítani kívánt berendezés létesítési engedélyéhez szükséges tervezési és biztonsági elemzéseket végzik el. Az LVR-15 (lásd 2. ábra) egy könnyűvízhűtésű, nyomástartó tartállyal felszerelt reaktor, melynek termikus teljesítménye 10 MW. E reaktorban főként anyagvizsgálati kutatásokat folytatnak. E célból került kiépítésre 5 vízkör és számos besugárzó csatorna is. A vízkörökben szimulálni tudják az üzemi hőmérsékletet, nyomást, dózisokat és vízkémiát. Emellett a reaktort orvosi medicinák készítésére is alkalmazzák. Ezen kívül az intézmény aktivációs analíziseket, szilikon egykristályok besugárzását és egyéb besugárzási vizsgálatokat is végez. A BME NTI két fő feladatot kapott a projektben. Az első a rekuperátor szakasz CFD analízise, amivel e cikk keretében nem foglalkozunk. A másik a teszt szakasz (más néven az üzemanyag kazetta, lásd 3-4. ábra) be- és kilépő szakaszának a CFD analízise és szükség esetén geometriai optimalizációja. A belépő szakaszon időben stabil és homogén áramképet, míg a kilépő szakaszon megfelelő keveredést és homogén hőmérsékletmezőt kell biztosítani. A 2. ábra mutatja a teszthurok tervezett helyét a reaktor aktív zónájában. 2. ábra: Az LVR 15 reaktor (jobbra), zónatérképe (bal lent) a hurok tervezett pozíciójával a zónában és a hurok elhelyezkedése a reaktorhoz képest (bal fent) [5]. A tervezett kísérleti berendezés kialakításában hasonlít egy atomerőműre. Van primer-, szekunder- és tercier köre, el van látva biztonsági rendszerekkel, víztisztító rendszerrel és 3

online mérő rendszerekkel. A primerkörben áramló szuperkritikus állapotú közeg fogja hűteni a négy nukleáris üzemanyagpálcából álló üzemanyagkazetta-modellt. Ehhez kapcsolódik egy speciális csőköteggel a teszthurok, még a reaktorban de több méterrel az aktív zóna felett elhelyezkedő részén a szekunder oldalt szimbolizáló hűtőkör. A primerkörből különböző megcsapolási pontokon keresztül vezetik el a hűtőközeg egy részét a víztisztító és mintavételi rendszerhez. A tervek szerint normál üzemállapotban 300 C-os hőmérsékleten, 25 MPa nyomáson és 0,253 kg/s tömegárammal fog belépni a hűtőközeg a reaktorba. Az aktív zónából (a tesztkazetta kilépésénél) kilépve 383 C-os hőmérsékletet ér el a szuperkritikus nyomású hűtőközeg. A szűkebb vizsgálataink az aktív szakaszra korlátozódtak, ezért annak felépítése kerül részletezésre a továbbiakban. Az aktív szakasz felépítése viszonylag bonyolult. Belépés után a közeg az aktív szakasz csöveinek a hengerpalástjai között áramolva háromszor 180 -os irányváltáson megy keresztül. A 3. ábrán látható az áramlási utak sematikus rajza. 3. ábra: Az aktív szakasz sematikus rajza az áramlási irányokkal feltüntetve [5]. Maga az aktív szakasz függőleges orientációjú, cső a csőben elrendezésű elem két-két felfelé és lefelé áramló huzammal. Az utolsó felfelé áramló huzam elején (alul) található a 680 mm magas tesztszakasz (üzemanyag kazetta), fölötte egy 4,2 m magas ellenáramú hőcserélő (rekuperátor), majd a hűtő fokozat következik az aktív csatornából való kilépés előtt. A tesztszakaszban 4 darab 7 mm belső és 8 mm külső átmérőjű 600 mm aktív hosszú nukleáris üzemanyag fog helyet kapni, amelyeket alul és fölül egy-egy távtartó elem biztosít. A jelen cikkben ismertetett CFD modellünk geometriája nem tartalmazza a teljes aktív szakaszt csupán a modellezett jelenség (a tesztkazetta be és kilépési effektusai) szempontjából lényeges részeit (lásd a 3. ábrán piros kerettel jelölve). Ezért egyes elemei a geometriai modellünknek magyarázatra szorulnak. A belső vezetőcső (a 3. huzam külső határoló palástja a 3. ábrán) elem hosszúsága 200 mm (lásd 4. ábra Belső vezető cső elem), ami eredetileg jóval hosszabb volt. A szakirodalom 20-50 egyenérték átmérőnyi hosszúságot említ, mint szükséges hosszt, amikor már kialakult áramlásról beszélhetünk. Jelen esetben az egyenértékű átmérő 5,19 mm, így a 200 mm-es hosszal felvett közel 40 D távolság megfelelő. A geometria egyik legérdekesebb eleme a helikális távtartó ( wrapped wire spacer ), amely a 4. ábrán látható az üzemanyagpálcák köré csavarva. A helikális távtartók hozzá vannak hegesztve az üzemanyagpálcák elejéhez és végéhez és a pálca - helikális távtartó közötti melegedés 4

hatására bekövetkező hosszváltozás különbséget rugók veszik majd fel. Azt várják ettől a helikális távtartós kialakítástól, hogy növeli a keveredést a tesztkazetta (és majdan a HPLWR kazetta) egyes szub-csatornái között, elősegítve a homogénebb hőmérséklet eloszlást és javítva a hőátadást úgy, hogy a kazettába belépő közegnek a főáramlás sebességkomponensére merőleges komponenseket ad és erősíti az áramlás turbulens jellegét. Hálófüggetlenségi vizsgálat 4. ábra: A vizsgált szakasz és a végleges geometria A projekt feladatainak elvégzését megelőzően szükség volt a hálófüggetlenségi vizsgálat elvégzésére, melynek során a numerikus rács finomításával és bizonyos célparaméterek (lásd [6]) monitorozásával kiválasztható az optimális rács sűrűség. A hálófüggetlenségi vizsgálat 4 különböző méretű numerikus rácsra került elvégzésre. Minden egyes háló megközelítőleg kétszer olyan sűrű, mint az előző így elvileg az 1 faktoros rács adja a legpontatlanabb, a 8 faktoros rács pedig a legpontosabb eredményeket. A hálófüggetlenségi vizsgálatokat és eredményeiket részletesen ismertettük korábban [7]. Összességében azt lehet konklúzióként elmondani, hogy a sikeres hálófüggetlenségi vizsgálatok, valamint a számítógépi kapacitások végessége miatt a 4 faktoros numerikus rácsot választottuk ki optimális, a további vizsgálatok során alkalmazható hálónak. A CFD modell peremfeltételei A teszt szakasz CFD modelljének különböző kezdeti- és peremfeltételei vannak. A peremfeltételeket a projektben résztvevő német kollégák biztosították. Az FQT teljes APROS (Advanced Process Simulator rendszerkód) modelljét megépítették és azzal lefuttatott számítások eredményei szolgáltak input adatként. A szuperkritikus nyomású víz anyagjellemzőit az IAPWS-IF97-es ipari formulákkal definiáltuk a CFD modellben. A vizsgált térrész belépésénél kellett megadni a hűtőközeg tömegáramot és a belépő közeg 5

hőmérsékletét az Inlet peremfeltétel miatt, ami 0,253 kg/s és 375,64 C. A fűtőelempálcák felületére profilírozott hőfluxust adtunk meg a német kollégák adatai alapján, továbbá súrlódásos falként modelleztük. A vizsgált térrész kilépésénél Opening peremfeltételt alkalmaztunk, amely megengedi a számítás során a be- és kiáramlást és nem épít virtuális falat a kilépő felületre, amely jelentősen megnövelné a számítási időt. Ezen kívül beállítottam a nyomásesést -11 000 Pa-ra és a kilépő közeg hőmérsékletét 383,26 C-ra. Az összes többi fentebb külön nem említett szilárd felületet súrlódásos adiabatikus fal ( Wall ) peremfeltétellel vettük figyelembe. Fontos megjegyezni, hogy a modellekben nem lett figyelembe véve a szilárd elemek falában lejátszódó hővezetés, továbbá a pálcák közötti hősugárzás is elhanyagolásra került. A számítások során a BSL k-ω turbulencia modell került felhasználásra, a numerikus stabilitás, a pontosság és irodalmi instrukciók miatt [8]. A kezdeti feltételeket az állandósult állapotra elvégzett számítások eredményei adták. A tranziens számítások teljes modellezési idejét úgy kellett megválasztani, hogy egy átlagos cellaméretű folyadékcsomag mennyi idő alatt halad át a vizsgált térrészen és annak az időnek megközelítőleg a 2-3 szorosára kell venni. Ezt a módszert alkalmazva a jelen modellhez szükséges modellezési idő 1,2 s. Az időlépés 0,001 s-re állítottuk és minden 25-ödik időlépésben (0,025 s-enként) elmentésre került a megoldó szoftver által az aktuális eredmény. A belépési szakasz vizsgálata A vizsgálatok első szakaszában [7] két jelentős probléma azonosítása történt meg a belépési szakaszon. Az első probléma az úgynevezett fordító kamrával (a 3. ábrán látható 3. és 4. huzam találkozási pontját magába foglaló geometria, ahol a hűtőközeg áramlási iránya 180 -ot fordul) kapcsolatban adódott, ugyanis a tárcsa alakú fenéklemez a berendezés fő méreteivel összemérhető nagyságú örvényeket generált. Ez a nagy örvény időben instabillá és inhomogénné tette a belépő szakaszon megfigyelhető áramképet. E probléma megoldására három új fenéklemez geometriai terv készült [7], amelyek CFD vizsgálata azt eredményezte, hogy az úgynevezett Type-3 fenéklemez típussal minimalizálni lehetett az örvényképződést, ha teljesen meg nem is szűnt. A Type-3 alkalmazásával a referencia és másik két fenéklemez variáns esetéhez képest időben stabilabb (lásd 5-6. ábra) és homogénebb [7] belépő szakaszi áramképet értünk el. 5. ábra: A belépő szakasz áramkép-stabilitásának szemléltetéséhez használt három pont elhelyezkedése: a., alulnézet; b., oldalnézet 6

A második probléma a pálcák axiális pozícióját biztosító távtartórácsok alsó, a belépő szakasz elején lévő eleme után alakult ki [7]. Az alsó távtartó átáramlott keresztmetszetének geometriai kialakításából eredő áramlástani árnyékoló hatása miatt igen alacsony sebességgel jellemezhető zónák alakultak ki teszt szakasz négy szélső szubcsatornájában [7]. Ezek az alacsony sebességű zónák megmaradtak a távtartó nyomában egészen a fűtött szakasz kezdetéig gyengébb hőátadást eredményezve és lokális hőmérsékleti hot spot-okat indukálva. Ez a problémára is a geometria módosításával oldódott meg: két új távtartó geometria készült [7]. A referencia és a két új távtartó CFD vizsgálata azt eredményezte, hogy az úgynevezett New foot 2 (NF2) távtartóval és Type-3 fenéklemez típussal szerelt teszt szakasz geometrián (NF-2 geometria névvel jelölve a 6. ábrán) nemcsak homogénebb [7], de időben stabilabb a belépő szakasz áramképe (lásd az 5-6. ábrát). 6. ábra: A belépő szakasz áramkép-stabilitásának a szemléltetése: a pillanatnyi sebesség az 1., 2. és a 3. pontban (lásd még hozzá az 5. ábrát!) A kilépési szakasz vizsgálata A kilépési szakaszon a hűtőközeg megfelelő keveredését kell biztosítani, aminek elérése a hőmérsékletmező homogenitásának és a homogén mező időbeli stabilitásának a vizsgálatával kerül szemléltetésre. A 7. ábra a. része mutatja a kilépési szakasz hőmérsékletmezőjének vizsgálatához felvett vizsgálati síkokat és pontokat: 4-4 vizsgálati sík és pont került felhasználásra. Az 1. sík a fűtött szakasz végénél, a 2. sík a fűtetlen szakasz közepén, a 3. sík a fűtetlen szakasz végén, a 4. sík pedig a kilépési keresztmetszet előtt közvetlenül található. A 7. ábra b. része szemlélteti a hőmérsékletprofilokat a 4 vizsgált síkban. Mint látható, ahogy közeledünk a fűtött szakasz végétől a kilépési keresztmetszet felé, úgy válik egyre homogénebbé a hőmérsékletprofil: a 7. ábra b. részén látható, hogy a maximális és minimális hőmérséklet közötti különbség 1,6 K-ről (1. sík) 1,4 K-re (4. sík) 7

csökken, ami homogén kilépési hőmérsékletprofilt jelzi. 7. ábra: A kilépési szakasz hőmérsékletmezőjének homogenitása a t=1,2 s időlépésben: a., vizsgált síkok és pontok, b., a hőmérsékletprofilok a vizsgált síkokban A 8. ábra szemlélteti a pillanatnyi hőmérsékleteket a 11-14. pontokban. Mint látható igen kis amplitúdójú oszcillációk figyelhető meg a 4 vizsgált pontban. Az ingadozó hőmérsékletek 0,2 K szélességű tartományon belül maradnak, így időben stabilnak minősíthető a kilépés hőmérsékletmezője, vagyis megfelelő a keveredés a kilépő szakaszon. 8. ábra: A kilépési szakasz hőmérsékletmezőjének homogenitásáról: a., vizsgált síkok és pontok, b., a pillanatnyi hőmérsékletek a vizsgált pontokban Konklúzió Az SCWR-FQT egy speciális szuperkritikus nyomású, vízhűtésű kísérleti hurok, amely a cseh CVR kutatóintézet LVR-15 típusú kutatóreaktorában fog üzemelni valamikor 2015 8

után. A kísérleti hurok célja az európai SCWR koncepció (HPLWR) kazettatervének vizsgálata, működőképességének demonstrálása. A belépő szakasz vizsgálata során két érdemi problémára derült fény. Egyrészt kiderült, hogy a fordító kamra kialakítása nagy örvényeket generált, ami időben instabillá és inhomogénné tették a belépő szakasz áramképét. Az örvényképződés megszűntetése, de legalább mérséklése céljából három új fenéklemez kialakítást vizsgáltunk meg, amelyek közül egyedül a Type-3 elnevezésű fenéklemez geometria tudta jelentősen mérsékelni az örvényes áramlási jelleget. A másik probléma, ami a vizsgálatok során kiderült az alsó távtartó áramlási keresztmetszetének kialakításából eredt. Alacsony sebességű zónák alakultak ugyanis ki a távtartó elem áramlási keresztmetszete után a sarkokban található szubcsatornákban és a fűtött szakasz kezdetéig ezek az alacsony sebességű zónák megmaradtak inhomogénné téve az áramképet és hőátadási elégtelenségeket okoztak. Ezen alacsony sebességű zónák megszüntetésére két új távtartó geometria került megvizsgálásra. Az eredmények azt mutatják, hogy a New Foot 2 elnevezésű távtartó geometria tudja jelentősen megnövelni a sebességet a sarki szubcsatornákban, ezzel nemcsak homogénebbé téve, de időben stabilabb áramképet is eredményezve a belépő szakaszon, ezért ez a megoldás került kiválasztásra. A kilépő szakasz áramképe is alapos vizsgálatnak lett alávetve és megállapítható, hogy a helikális távtartók homogén és időben stabil kilépő hőmérsékletprofilt hoznak létre, ami a megfelelő szubcsatornák közötti keveredés indikátora. Irodalomjegyzék [1] Csom Gyula: Nemzetközi összefogás a 21. század atomenergetikájáért, kézirat, Budapest, 2005. április [2] Yoshiaki Oka, Seiichi Koshizuka, Yuki Ishiwatari, Akifumi Yamaji: Super Light Water Reactors and Super Fast Reactors Supercritical-Pressure Light Water Cooled Reactors, 2010, Springer Kiadó, London. ISBN 978-1-4419-6034-4 [3] Kiss Attila, Aszódi Attila: SCWR üzemanyagban lejátszódó termohidraulikai folyamatok modellezése az ANSYS CFX 10.0 kóddal, V. Nukleáris Technikai Szimpózium, Paks, 2006. [4] T. Schulenberg, J. Starflinger: Three Pass Core Design Proposal for a High Performance Light Water Reactor, 2nd COE-INES-2 International Conference on Innovative Nuclear Energy Systems, INES-2, Yokohama, Japan, Nov. 26-30, 2006. Publikálva: Progress in Nuclear Engineering. [5] Petr Hajek, Ales Vojacek: Conceptual design of the test tube/active channel, SCWR- FQT Phase II. WP-1, SCWR-FQT European Kick-off Meeting, 2011. január 25-27. [6] Menter, F.R. et al., 2002, CFD Best Practise Guidelines for CFD Code Validation for Reactor-Safety Applications, ECORA project, FIKS-CT-2001-00154, Brussels, Belgium (2002). [7] Vágó Tamás, Kiss Attila, Prof. Dr. Aszódi Attila: Az SCWR-FQT tesztszakaszának CFD analízise: a belépési hatás vizsgálata, XI. MNT Nukleáris Technikai Szimpózium, Paks, 2012. november 29-30. [8] J.A. Lycklama á Nijeholt: Best practice guidelines for use of CFD-Codes for supercritical water. HPLWR Phase 2, Deliverable D5-06, 2009 9