Команда российских и зарубежных физиков определила наиболее эффективный математический алгоритм для вычисления тепловых процессов в инновационных ядерных установках, работающих на жидком металле. Это достижение позволит конструкторам с высокой точностью прогнозировать температурный баланс внутри двухжидкостного реактора, когда он функционирует за счет естественной циркуляции теплоносителя. Об этом пресс-служба Московского физико-технического института сообщила ТАСС.
Созданная база данных станет фундаментом для проектирования систем экстренного охлаждения перспективных энергетических установок четвертого поколения. Подобные станции рассматриваются экспертами как главный инструмент для замыкания ядерного топливного цикла. Такая технология дает возможность использовать уран многократно, что радикально сокращает объемы накапливаемых радиоактивных отходов.
По информации разработчиков, мировое научное сообщество сейчас трудится над концепцией реакторов, где вместо привычных твердых топливных сборок применяется расплавленный сплав хрома и урана. Эта тяжелая жидкость перемещается по первичному контуру, отдавая тепло во вторичный контур, заполненный расплавленным свинцом.
Подобная архитектура сулит значительный рост эффективности — КПД возрастает примерно на треть по сравнению со стандартными водо-водяными блоками. Кроме того, это открывает путь к непрерывной переработке топлива прямо во время работы. Однако реализация такого проекта упирается в серьезные вычислительные барьеры. Главная сложность заключается в том, что динамика теплопередачи жидкого металла кардинально отличается от поведения воды или воздуха, из-за чего классические формулы турбулентности дают сбой.
Поиск надежной симуляции
Ранее специалисты не могли дать однозначный ответ на вопрос о применимости стандартных программных моделей турбулентности к урановому расплаву. Как отметил один из исследователей МФТИ Константин Сергеенко, любая погрешность в расчете нагрева ведет либо к риску недооценки критической нагрузки на узлы, либо к неоправданно дорогим запасам прочности при проектировании. Для обеспечения безопасности необходимо четко понимать карту распределения тепла, чтобы аварийные системы срабатывали вовремя.
Опираясь на эту задачу, авторы построили цифровую копию экспериментальной установки DFR. С помощью мощностей суперкомпьютерного центра они смоделировали поведение ядерного горючего и его температуру при прохождении через пучки охлаждающих трубок. Полученные «эталонные» показатели затем сопоставили с результатами двух популярных инженерных методик: сложной модели RSM GBSL и более экономичной k-omega-SST.
Выяснилось, что именно упрощенная схема k-omega-SST демонстрирует наилучшую адекватность. Проведенная работа позволила детально оценить пределы точности этого алгоритма при различных сценариях эксплуатации. В дальнейшем такой подход даст инженерам право применять быстрые расчеты там, где их достоверность уже доказана, избегая необходимости каждый раз запускать тяжелые ресурсные вычисления на суперкомпьютерах.
Изображение: разработано Мagnific.
