仿真盐冷却反应堆的安全性

作者:Fatih Sinan Sarikurt,美国阿拉米达市Kairos Power公司的CFD及热流体工程师

全球对电力的依赖程度越来越高,而核能是一种无碳能源。为改进现有技术,Kairos Power借助计算流体动力学(CFD)和结构仿真解决方案为低压高温核电反应堆研发传热系统。

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salt cooled reactor

随着对电力的需求不断增长,低碳能源发电正在全球电气化的进程 中发挥重要作用。对燃烧煤炭和天然气的热电厂进行升级是消除 或降低二氧化碳和其它温室气体排放的最佳机会。消费者和工业 企业都在寻求利用电力驱动汽车,为建筑物供暖制冷以及为一系列其他使用低 碳资源的系统供能。

ansys fluent

Ansys Fluent帮助设计KP-FHR中间换热器的扭曲管,为反应堆核心设计提供了深度信息

这就是核电的用武之地,目前核电站发电量占总发电量的20%,属于无碳能源。核反应堆在工作时不会产生空气污染或排放碳氧化物,所以它们有助于减少全球碳排放,新型核反应堆技术有望进一步减少碳排放。

在全球450座核电反应堆中,96%属水冷堆。大部分反应堆在315摄氏度下工作,需要用高压防止水蒸发,保持其传热能力。

Kairos Power公司主要从事高级反应堆技术的一体化设计、授权和演示,为了提升安全性、效率、可持续性并降低成本,该公司正在为商业电网发电研发一种独特的第四代高级核反应堆。该公司的低压高温“Kairos Power氟化盐冷却高温反应堆(KP-FHR)”系统既能减轻水冷却技术的相关风险,又能实现零碳排放。

packed pebble reactor core

填充卵石状燃料块的反应堆核心使用TRISO燃料颗粒

KP-FHR能充分利用三结构各向同性(TRISO)燃料颗粒⸺一种外有涂层的铀核心。这种燃料颗粒能承受1600摄氏度高温且不融化,在传热过程中使用氟化盐冷却剂替代水。由于熔融的盐在500摄氏度到1600摄氏度之间无需增压就能保持液态,它在超高温下仍具有优异的换热能力。KP-FHR从球状燃料块释放热给熔融盐,然后将热传输到换热器,换热器采用扭曲椭圆管几何结构,提高传热效率以及摩擦损耗的边际增长,从而缩小换热器体积,降低运营成本。

Kairos Power使用Ansys Fluent描述KP-FHR中间换热器设计的特征。与物理测试相比,Kairos Power通过仿真减少了设计迭代次数、降低成本并缩短总体研发周期。

该公司之所以采用Ansys的技术支持(包括安全相关和非安全相关两种系统)的设计,是因为Ansys长期致力于研发Fluent和Ansys Mechanical等满足美国国家能源署(NRC)认可的ASME“核能质保规定-1”(NQA-1)要求的软件工具。

ansys fluent simulation

Ansys Fluent仿真显示即时流速

ansys fluent simulation coefficient

Ansys Fluent仿真显示平均表面传热系数等值线图

用多孔介质建模解决高难度计算问题

对于熔融盐流经随机填充的卵石床反应堆核心的KP-FHR等系统来说,分析其流动和传热特征难度很大。除了使用其他Fluent功能外,工程师在反应堆核心的初始设计迭代中可使用多孔介质模型进行建模,进行包括计算温度分布在内的仿真分析。

因为核心中存在大量卵石状燃料块,用任何其他方法为流场和温度场建模都需要大量的计算单元和不切实际的计算能力。借助Fluent中的多孔介质建模功能,工程师利用合理数量的网格单元为整个反应堆装置建立局部均衡模型。由此他们能够计算反应堆核心中不同位置的燃料、熔融盐和内部结构的温度。

twisted tube heat exchanger

扭曲管换热器提高传热效率,降低运营成本

仿真压降和传热系数

为了给KP-FHR反应堆系统建立准确的降阶模型,工程师特别关注显式填充的卵石床核心中的压降和传热系数值。

一般可以使用过去实验的经验关联值,特别是在雷诺数范围相近的时候。在本例中,不能使用气冷反应堆的传热关联值,因为熔融盐的属性显著不同,具有很高的普朗特数。作为替代,仿真技术为Kairos Power的工程师提供了一个更快获取所需信息的方法,以满足敏捷设计流程的时间限制要求。

影响其它设计的设计

面对这样复杂且存在大量不确定性的设计,Kairos Power还需要可靠的方法测试扭曲椭圆管。

运用Ansys Fluent中基于Mosaic的网格划分技术,工程师先为扭曲管束创建了网格,然后将结果与实验关联值对比,相较于Kairos Power工程师过去使用过的其它网格划分软件,并行网格划分流程以八倍速度和更少的用户输入生成了高质量网格。

design iterations

通过仿真,Kairos Power减少了设计迭代次数,与物理测试相比,降低了成本同时缩短整个研发周期

从Fluent扭曲椭圆管仿真获得的压降值不仅影响扭曲椭圆管设计;而且还推动对泵等其他组件设计的需求。此外,通过识别反应堆核心中的热点和冷点,仿真帮助工程师改进结构材料的完整性。最后Fluent的缩放功能使Kairos Power能够在较小规模的几何结构上快速开展迭代测试,在优化研发预算的同时加快设计评估速度。

Kairos工程师通过实验只能采集到有限的数据,但通过Ansys仿真,他们能获得详尽的空间求解数据,以更好地了解局部流动条件。

加快设计与评估

ansys fluent transient simulation

Ansys Fluent瞬态仿真展示扭曲管的速率大小等值线

KP-FHR的高温度范围预示着效率,但也带来设计难题。Kairos的设计策略强调使用原型流体和替代流体,通过等比例缩放测试来实现快速迭代。Ansys帮助该公司加快设计速度,对快速设计/建造/测试迭代过程中发生的缩放失真问题并加深理解。Kairos工程师通过实验只能采集到有限的数据,但通过Ansys仿真,他们能获得详尽的空间求解数据,以更好地了解局部流动条件。

最终Fluent和Mechanical帮助工程师加深对以下问题的理解:

  • 几何结构与流动条件对扭曲椭圆管设计的影响
  • 整个域内的热点/冷点
  • 热分层
  • 伴随扭曲椭圆管束增多的放大行为
  • 如何对工厂规模的换热器进行建模

Kairos Power在设计、建模和测试间实现快速迭代,提高了风险管理能力,并能尽早发现高风险问题。

虽然KP-FHR尚未发展到商业化阶段,Ansys仿真软件加快了设计评估速度,实现测试的快速迭代,帮助降低了技术开发风险。

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