Narodowe Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) we współpracy z Nuclear Research and Consultancy Group (NRG) rozpoczyna badania nad bezpieczeństwem jądrowym współczesnych elektrowni jądrowych. Naukowcy przeanalizują m.in. wrażliwość zbiorników reaktorów jądrowych na nagłe zmiany temperatury. Prace potrwają trzy lata, w tym przez rok będą wykonywane same obliczenia numeryczne wykorzystując 5000 rdzeni polskiego superkomputera – klastra Centrum Informatycznego Świerk (CIŚ).Narodowe Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku 12 grudnia br. podpisało umowę z Nuclear Research and Consultancy Group (NRG) z Petten w Holandii o współpracy naukowo-badawczej w zakresie bezpieczeństwa reaktorów jądrowych.
– Nasza współpraca to ogromne przedsięwzięcie naukowo-badawcze. Zajmiemy się dwoma podstawowymi problemami: wstrząsem termicznym w warunkach wysokiego ciśnienia oraz mieszaniem się chłodziwa w kasetach paliwowych – podkreśla prof. dr hab. Mariusz Dąbrowski, kierownik Zakładu Energetyki Jądrowej i Analiz Środowiska NCBJ.
Bezpieczeństwo reaktorów najważniejsze
Bezpieczeństwo to kluczowa kwestia w eksploatacji reaktorów jądrowych. Konstruktorzy i naukowcy starają się przewidywać i analizować nawet najbardziej nieprawdopodobne, ekstremalne scenariusze zdarzeń, mogących doprowadzić do awarii instalacji. Wyniki ich badań znajdują potem zastosowanie w przemyśle.
– Jednym z takich niebezpiecznych scenariuszy jest sytuacja, kiedy reaktor jądrowy traci część swojego chłodziwa roboczego i następuje awaryjne uzupełnienie tego obiegu dodatkowym chłodziwem z Awaryjnego Systemu Chłodzenia Rdzenia – tłumaczy mgr inż. Piotr Prusiński lider Grupy Analiz CFD z Zakładu Energetyki Jądrowej i Analiz Środowiska NCBJ.
Zimny strumień wody z systemu awaryjnego miesza się wstępnie z gorącym chłodziwem układu pierwotnego. Mieszanie rozpoczyna się w miejscu wstrzyknięcia, czyli przy zimnym (dolotowym) wlocie do zbiornika i propaguje dalej w kierunku dna po płaszczu rdzenia.
– Nagłe przechłodzenie może prowadzić do naprężeń poza zakresem wytrzymałości materiałów i do ujawnienia istniejących defektów w ściankach zbiornika. Zjawisko to nazywamy z języka angielskiego Pressurized Thermal Shock (PTS), czyli wstrząsem termicznym w warunkach wysokiego ciśnienia. Zjawisko to może zagrozić nawet integralności zbiornika reaktora, konstruktorzy muszą więc wiedzieć dokładnie, jakie są zakresy jego bezpiecznej pracy – dodaje Piotr Prusiński.
Analizy numeryczne i modele matematyczne
Ze względu na bardzo wysokie koszty jak również wiele problemów logistycznych wielu testów kryzysowych (zniszczeniowych) nie można przeprowadzić w postaci realnych eksperymentów. W tym celu przeprowadza się analizy numeryczne, w których rzeczywiste instalacje i materiały zastępowane są modelami matematycznymi, odwzorowującymi ich najdrobniejsze szczegóły i właściwości. Potrzebna jest ogromna moc obliczeniowa do przetworzenia tak dokładnych symulacji. Centrum Informatyczne Świerk (CIŚ) specjalizuje się w tego rodzaju analizach. Wykorzystuje do tego celu m.in. oprogramowanie klasy Computational Fluid Dynamics (CFD) gwarantujące ogromną precyzję i dokładność odwzorowania sytuacji rzeczywistej.
Współpraca naukowców z NCBJ i NRG ma dotyczyć także projektowania optymalnych i bezpiecznych kaset paliwowych. Mieszanie się cieczy chłodzącej w kasetach paliwowych reaktora zachodzi w przestrzeni między prętami paliwowymi. Chłodziwo przemieszcza się w tej przestrzeni nie tylko prostymi strugami wzdłuż prętów, lecz także pomiędzy poszczególnymi szczelinami, redukując (co jest korzystne z punktu widzenia bezpieczeństwa) różnice temperatur na obwodzie poszczególnych prętów. Przewidywanie czasu wystąpienia i wartości skoku temperatury, czy też innych parametrów skomplikowanej struktury przepływu turbulentnego (burzliwego), jak również związanych z nimi niepewności wymaga zastosowania wyrafinowanych narzędzi, jakimi są kody CFD.
– Zagadnienia te są szeroko opisywane w literaturze światowej, jednak dotychczas analizy i eksperymenty były prowadzone w ramach modeli opartych o trudne do zweryfikowania założenia. My chcemy pozbyć się tych niepewności. W naszych obliczeniach założenia modelowe zostaną zastąpione przez wyniki symulacji, które wiernie odwzorowują rzeczywiste przepływy. Są to tzw. symulacje Direct Navier-Stokes (DNS) – dodaje mgr inż. Tomasz Kwiatkowski z Grupy Analiz CFD w Zakładzie Energetyki Jądrowej i Analiz Środowiska NCBJ.
Wiedza praktyczna
W obu wspólnych polsko-holenderskich projektach kluczowe są zarówno głęboka wiedza o procesach fizycznych, zachodzących w reaktorze jak i umiejętność modelowania tych procesów. Naukowcy z Petten mają ogromną wiedzę fizyczną i praktyczną dotyczącą fizyki reaktorów. Są też niekwestionowanymi w świecie specjalistami w modelowaniu procesów i przeprowadzaniu ich analiz numerycznych. Uczeni ze Świerka podobnie jak oni realizują z powodzeniem symulacje w skali przemysłowej. Jednak nowe wyzwanie to nie tylko ogromny wysiłek finansowy, ale również organizacyjny wymagający zaangażowania wielu specjalistów, których brakuje w obu krajach. Zapoczątkowany projekt wymaga również potężnych mocy obliczeniowych. Na jego potrzeby NCBJ udostępni 5000 rdzeni klastra komputerowego CIŚ. Badania zaplanowano na 36 miesięcy, przy czym same obliczenia numeryczne zajmą ponad rok. W efekcie ma powstać m.in. referencyjna baza wiedzy pozwalająca weryfikować modele uproszczone, które muszą być stosowane na co dzień ze względu na złożoność i czasochłonność analiz dokładnych. Niewątpliwą korzyścią z realizacji projektu będzie też wiedza, którą podzielą się ze sobą polscy i holenderscy naukowcy. Uczeni określają ten efekt mianem „science in return”.
Projekt realizowany jest ze środków własnych obu Instytucji.
Narodowe Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) to jeden z największych instytutów badawczych w Polsce, zatrudniający ponad tysiąc pracowników. Zajmuje się m.in. wspieraniem budowy polskiej energetyki jądrowej, badaniami podstawowymi z dziedziny fizyki subatomowej (fizyka cząstek elementarnych i jądrowa, fizyka plazmy gorącej itp.) oraz stosowaniem metod fizyki jądrowej i produkcją urządzeń dla rozmaitych gałęzi nauki i gospodarki, w tym medycyny. NCBJ posiada jedyny w Polsce reaktor badawczy Maria wykorzystywany do wytwarzania izotopów promieniotwórczych, radiacyjnej modyfikacji materiałów oraz badań na wiązkach neutronów. Ośrodek uczestniczy w międzynarodowych przedsięwzięciach badawczych oraz w pracach nad nowymi technologiami jądrowymi. Urządzenia opracowane w NCBJ będą wdrażane w Parku Naukowo-Technologicznym w Świerku.
Nuclear Research and Consultancy Group (NRG) jest dostawcą usług w branży jądrowej działającym międzynarodowo. Firma zajmuje się produkcją izotopów, prowadzi badania nad technologiami jądrowymi, jest też konsultantem w zakresie bezpieczeństwa i niezawodności instalacji jądrowych, dostarcza również usługi związane z ochroną radiologiczną. Badania prowadzone są na zlecenie rządów i mają na celu rozwój wiedzy o technologiach jądrowych. NRG jest światowym liderem w produkcji izotopów medycznych. W Holandii, NRG pełni rolę wiodącego ośrodka w zakresie zintegrowanej ochrony radiologicznej. NRG jest również operatorem reaktora High Flux Reactor należącego do Unii Europejskiej. Firma zatrudnia ok. 500 światowej klasy specjalistów o unikalnym know-how, którzy pracują dla i z partnerami z sektora opieki zdrowotnej, rynku energii, przemysłu, agencji rządowych czy nauki.