研究人员开发先进模型以提高下一代反应堆的安全性

当 2011 年 3 月 11 日最大的现代地震之一袭击日本时，福岛第一核电站的核反应堆按设计自动关闭。本来可以帮助维持堆芯必要冷却的应急系统被随后的海啸摧毁。由于反应堆无法自行冷却，堆芯过热，导致严重的核熔毁，自 1986 年切尔诺贝利灾难以来从未出现过类似的情况。

从那时起，反应堆在安全性、可持续性和效率方面呈指数级提高。与使用液态冷却剂和铀燃料的福岛轻水反应堆不同，当前这一代反应堆有多种冷却剂可供选择，包括熔盐混合物、超临界水，甚至氦气等气体。

德克萨斯 A&M 大学核工程系的 Jean Ragusa 博士和 Mauricio Eduardo Tano Retamales 博士一直在研究一种新的第四代反应堆——球床反应堆。球床反应堆使用球形燃料元件(称为卵石)和流体冷却剂(通常是气体)。

“这样的反应堆中有大约 40,000 个燃料卵石，”拉古萨说。“把反应堆想象成一个非常大的桶，里面有 40,000 个网球。”

在事故发生期间，随着反应堆堆芯中的气体开始升温，来自下方的冷空气开始上升，这一过程称为自然对流冷却。此外，燃料卵石由热解碳和三结构各向同性颗粒制成，使其能够抵抗高达 3,000 华氏度的温度。作为超高温反应堆(VHTR)，球床反应堆可以通过被动自然循环进行冷却，理论上不可能发生像福岛这样的事故。

然而，在正常运行期间，高速流动会冷却鹅卵石。这种流动在燃料卵石周围和之间产生运动，类似于一阵风改变网球轨迹的方式。您如何解释鹅卵石之间的摩擦以及该摩擦在冷却过程中的影响?

这是 Ragusa 和 Tano 在他们最近在《核技术》杂志上发表的题为“球床反应堆中旁通流的耦合计算流体动力学-离散元方法研究”的出版物中旨在回答的问题。

“我们使用离散元方法解决了这些‘网球’的位置，其中我们考虑了所有网球之间的流动引起的运动和摩擦，”塔诺说。“然后在 SANA 实验中针对热测量对耦合模型进行测试。”

SANA 实验是在 1990 年代初进行的，测量了反应堆中的机制在将热量从圆柱体中心传递到外部时如何互换。这个实验让 Tano 和 Ragusa 有了一个可以验证他们的模型的标准。

因此，他们的团队开发了一种耦合计算流体动力学-离散元方法模型，用于研究卵石床上的流动。该模型现在可以应用于所有高温球床反应堆，并且是同类中第一个这样做的计算模型。正是像这样的高精度工具使供应商能够开发更好的反应器​​。

“我们创建的计算模型帮助我们更准确地评估反应堆中的不同物理现象，”塔诺说。“因此，反应堆可以以更高的利润运行，理论上产生更多的电力，同时提高反应堆的安全性。我们对能源部的熔盐反应堆模型做同样的事情。”

随着人工智能的不断发展，其在计算建模和仿真中的应用也在不断增长。“我们正处于这个领域非常激动人心的时刻，”拉古萨说。“我们鼓励任何对计算建模感兴趣的潜在学生伸出援手，因为这个领域有望长期存在。”