Niezawodny sposób oceny bezpieczeństwa reaktorów jądrowych chłodzonych cieczą
Jednym z najważniejszych argumentów przemawiających na korzyść technologii reaktorów prędkich jest ich bezpieczeństwo – wykorzystujące płynne chłodziwo metalowe reaktory na prędkich neutronach korzystają z ważnej właściwości metali, jaką jest bardzo wysoka przewodność cieplna. W teorii oznacza to, że chłodzony ciekłym metalem reaktor prędki może wyłączyć się samodzielnie nie przekraczając przy tym temperatury granicznej. Projektowanie reaktorów wykorzystujących jako chłodziwo ciekłe metale wymaga jednak doskonałego zrozumienia i pełnej wiedzy na temat zachodzących w nich zjawisk cieplno-przepływowych, na których skupił się projekt SESAME (thermal hydraulics Simulations and Experiments for the Safety Assessment of MEtal cooled reactors) dążący do zbudowania bazy wiedzy związanej z tą dziedziną. Prace projektu skupiły się na technologii reaktora prędkiego chłodzonego ołowiem (LFR) oraz reaktora prędkiego chłodzonego sodem (SFR), czyli dwóch technologii uznawanych przez Międzynarodowe Forum IV Generacji za najbardziej obiecujące technologie jądrowe dla reaktorów nowej generacji. Jak twierdzi koordynator projektu dr Mariano Tarantino: „Celem naszych prac było zwiększenie bezpieczeństwa reaktorów prędkich chłodzonych ciekłymi metalami poprzez udostępnienie nowych wyników eksperymentów związanych z bezpieczeństwem i innowacyjnych modeli numerycznych. Pozwolą one projektantom systemów i układów na usprawnienie urządzeń związanych z bezpieczeństwem reaktorów, co z kolei doprowadzi do poprawy standardów i kultury bezpieczeństwa”. Zespół skoncentrował się na czterech europejskich reaktorach prototypowych: ASTRID (prototyp przemysłowy mający na celu sprawdzenie innowacji dotyczących technologii reaktorów prędkich chłodzonych sodem), ALFRED (prototyp reaktora prędkiego chłodzonego ołowiem na terenie Rumunii), MYRRHA (wielozadaniowy obiekt napromieniowujący neutronami prędkimi, służący jako zakład pilotażowy wykorzystujący chłodzenie ołowiem na terenie Belgii), a także SEALER (niewielki reaktor chłodzony ołowiem, opracowany na potrzeby komercyjnego wytwarzania energii elektrycznej w Kanadzie, zlokalizowany na terenie Szwecji). Badacze skupili się przede wszystkim na fundamentalnych zagadnieniach i prenormatywnych wyzwaniach dotyczących bezpieczeństwa dotyczących czterech badanych prototypów. W ramach projektu SESAME został opracowany szereg modeli numerycznych wspomagających projektowanie oraz ocenę bezpieczeństwa tych zaawansowanych reaktorów. Wśród rezultatów projektu można wymienić między innymi lepsze zrozumienie zjawisk turbulencji w kasetach paliwowych, mieszania oraz zmian temperatury zachodzących w zbiorniku reaktora, a także bazę danych właściwości oraz zaawansowanych modeli turbulentnego przepływu ciepła. W ramach projektu badacze rozważali także szereg scenariuszy cieplno-przepływowych dotyczących rdzenia reaktora, w którym panują najwyższe temperatury. Dodatkowo w ramach projektu przeprowadzono pozytywną weryfikację modeli obliczeniowej dynamiki płynów (CFD) stosowanych w różnych scenariuszach, a badacze zaprojektowali także stanowisko do przeprowadzania eksperymentów związanych z naturalną konwekcją i zamarzaniem ołowiu w obiekcie o geometrii zbiornika, przeprowadzili także ocenę wyników cieplno-przepływowych reaktora zbiornikowego chłodzonego mieszanką ciekłego ołowiu i bizmutu w sytuacji utraty przepływu chłodziwa. Szczegółowe zalecenia oraz podręcznik Kolejnym ważnym rezultatem projektu jest zestaw wytycznych obejmujących między innymi zalecenia dotyczące weryfikacji, walidacji oraz kwantyfikacji niepewności stosowania narzędzi numerycznych w celu analizy ciekłych metali. „W ramach projektu opracowano i opublikowano również podręcznik przedstawiający najważniejsze osiągnięcia projektu SESAME oraz obejmujący także międzynarodowy wkład i perspektywy. Podręcznik ten stanowi dobry punkt wyjścia dla profesjonalistów wchodzących na rynek oraz studentów poznających dopiero tę dziedzinę nauki”, stwierdza dr Tarantino. Podsumowując, projekt SESAME umożliwił zgromadzenie fundamentalnej wiedzy potrzebnej do budowania reaktorów prędkich chłodzonych ciekłymi metalami, jednocześnie zapewniając wsparcie organom regulacyjnym i organizacjom wsparcia technicznego w Europie. Oczekuje się, że dane uzyskane w wyniku doświadczeń oraz modele symulacji opracowane w ramach projektu będą stanowiły wsparcie w kontaktach pomiędzy interesariuszami oraz społeczeństwem obywatelskim dotyczących bezpieczeństwa reaktorów jądrowych, natomiast bada wiedzy zbudowana w ramach projektu pozwoli Unii Europejskiej i poszczególnym państwom członkowskim na opracowanie i wdrożenie dobrych zasad bezpieczeństwa.
Słowa kluczowe
SESAME, ocena bezpieczeństwa, energia jądrowa, chłodzenie metalem, wytwarzanie energii, ocena, wytyczne, reaktor prędki, ciekły metal
