Атомная энергетика является ключевым игроком на будущем рынке чистой энергии, и многие компании стремятся развивать новые технологии, которые позволили бы увеличить долю атомной энергетики в области генерации чистой энергии. Компания Transatomic Power, основанная в 2011 году и расположенная в Кембридже (штат Массачусетс), является передовым стартапом в области ядерных технологий, занимающимся разработкой и коммерческим освоением реактора на жидкой соли (MSR – molten salt reactor).

В таком реакторе топливо находится в жидком состоянии, а не в твердом, как в традиционных реакторах. Эта технология, первоначально разработанная в Национальной лаборатории Оук-Ридж (ORNL – Oak Ridge National Laboratory) в 1960-х годах, имеет ряд преимуществ в плане безопасности и стоимости в сравнении с традиционными ядерными реакторами, в которых топливо находится в виде твердых таблеток, а сам реактор охлаждается водой.

Проект MSR Transatomic опирается на оригинальную разработку лаборатории ORNL и имеет ряд новых инновационных элементов, позволяющих уменьшить размер реактора и, как следствие, снизить его стоимость – а стоимость является очень важным показателем при строительстве новых атомных электростанций. Хотя процесс проектирования реактора является довольно длительным, мир нуждается в мощностях по генерации экологически чистой энергии, и эта цель движет вперед команду Transatomic.

Основы ядерной энергетики

Прежде чем описать роль ANSYS в процессе проектирования в компании Transatomic, я хотел бы кратко изложить некоторые основы ядерной энергетики, поскольку не все читатели могут быть знакомы с этой технологией. Фактически, современная ядерная энергетика зависит от атомов урана, которые поглощают нейтроны и расщепляются в процессе, называемом ядерным распадом. Распад высвобождает большое количество энергии, которая превращается в тепло, а также приводит к образованию ещё большего числа нейтронов, которые в свою очередь инициируют деление других атомов урана. Если вызвать достаточное количество таких реакций распада в замкнутом пространстве (в ядерном реакторе), возникает самоподдерживающаяся цепная реакция – говоря на языке ядерной энергетики, реактор переходит в критическое состояние.

Кроме урана, который выступает в качестве топлива, в ядерной энергетике задействованы еще два основных компонента. Первый – это жидкий охладитель (вода или расплавленная соль), который переносит тепловую энергию от делящегося урана и отдаёт её на последующих этапах теплового цикла (как правило, посредством паровой турбины). Охлаждающая жидкость играет очень важную роль, так как без неё реактор будет продолжать нагреваться до тех пор, пока топливо не расплавится (именно такие тяжелые аварии – расплавление активной зоны ядерного реактора – произошли на АЭС в Три-Майл-Айленд и в Фукусиме).

Второй компонент, который присутствует во многих ядерных реакторах, – это замедлитель. Нейтроны, которые образуются в результате деления атомов урана, движутся с очень высокими скоростями и поэтому не очень эффективны с точки зрения участия в последующем делении изотопов урана, которые являются топливом в большинстве реакторов. Замедлитель – им может быть вода или графит – снижает скорость нейтронов до такой степени, при которой они смогут вызывать деление ядер урана. Некоторые передовые технологии пытаются использовать для деления исходные, незамедленные нейтроны (и есть причины, по которым это возможно), но Transatomic использует вещество-замедлитель.

И, наконец, отметим отличительные черты технологии, которую использует Transatomic. Поскольку Transatomic использует топливо в жидком состоянии, оно фактически протекает через замедлитель в процессе деления. По сути, мы имеем процесс, обратный принципу работы традиционных реакторов, в которых вода (в качестве охлаждающей жидкости и замедлителя) обтекает твёрдое топливо. Меняя эти материалы (топливо и замедлитель) местами, технология компании Transatomic позволяет избежать проблем с расплавлением топлива (поскольку оно постоянно находится в расплавленном состоянии), но возникают и новые проблемы – это сложность проектирования такого реактора.

Охлаждение замедлителя

При разработке проекта инженеры Transatomic определили ряд задач, для решения которых целесообразно использовать методы вычислительной гидрогазодинамики (CFD – computational fluid dynamics). В частности, такой задачей является оценка теплового состояния замедлителя, представляющего собой стержни из гидрида циркония, плакированные карбидом кремния (керамический материал, который характеризуется чрезвычайной долговечностью и хорошо зарекомендовал себя в ядерных реакторах).

В процессе разработки проекта команде инженеров нужно было убедиться, что стержни замедлителя не перегреваются от прямого воздействия делящегося топлива. При перегреве возможно выделение водорода из гидрида циркония, что снижает способность стержней замедлять нейтроны. Для точного расчёта распределения температуры в наиболее нагретом стержне (см. рисунок 1 ниже) с учётом распределения тепловыделения по оси стержня и теплообмена с окружающей средой расплавленной соли использовался расчётный модуль ANSYS Fluent.

Преодоление трения

Другой задачей, которую инженеры Transatomic решали путём моделирования в ANSYS, была оценка потерь на трение и расчёт потоков в реакторе. Когда топливо течёт через активную зону реактора, оно обтекает различные конструкции и детали, встречая на своём пути существенное трение, противодействующее потоку. Если трение превысит некоторый предел, возрастут требования к насосам, что повысит стоимость реактора и может привести к возникновению проблем с компоновкой.

Для моделирования потерь на трение в нижней камере реактора (нижней части активной зоны), где топливо поступает в зону замедлителей, инженеры Transatomic создали трёхмерную модель четверти камеры. Результаты моделирования позволили исследовать ряд вариантов с различными потоками и разработать оптимальный продукт с малыми потерями на трение.

Для быстрого и эффективного выполнения этой работы при низких затратах ключевым фактором стала программа для поддержки стартапов ANSYS Startup Program. Благодаря ей положение компании Transatomic стало более крепким – мы уверенно смотрим в будущее!

Источник: ansys-blog.com
Автор: Leslie Dewan