В большинстве современных атомных реакторов топливо твердое — таблетки диоксида урана в оболочках. В реакторах IV поколения топливо находится в жидком состоянии и циркулирует по отдельному контуру, а теплоноситель — расплавленный свинец. Такая схема дает КПД на 30% выше, но создет математическую проблему: жидкое топливо не подчиняется привычным законам теплопередачи, и существующие модели турбулентности заточены под воду и воздух.
Ученые Московского физико-технического института (МФТИ) совместно с коллегами из Швейцарии и США сравнили две популярные модели турбулентности — k-omega-SST и RSM BSL — применительно к жидкому урану. Они использовали суперкомпьютерное моделирование экспериментального реактора Dual Fluid Reactor, чтобы получить эталонные данные о температуре и скорости потока, а затем сопоставили их с предсказаниями моделей.
По своим характеристикам жидкий сплав урана и хрома — нечто среднее между традиционными жидкими металлами и воздухом. Это создавало неопределенность: возможно ли применять существующие модели к жидкому урану? Если модель ошибается, это может привести либо к недооценке тепловых нагрузок, либо к излишне консервативному проектированию. А именно в режиме естественной циркуляции особенно важно точно знать распределение температуры, чтобы системы безопасности сработали надежно.
Выяснилось, что более простая модель k-omega-SST работает точнее сложной RSM BSL. Последняя не показала преимуществ ни в одном из сценариев: она не учитывает разные механизмы турбулентности в разных участках потока. При продольном обтекании теплообменных стержней погрешность растет с увеличением скорости, а для поперечного течения погрешность мала. Авторы количественно оценили точность каждой модели, и теперь инженеры знают, где можно использовать упрощенные расчеты, а где нужна особая осторожность. Результаты опубликованы в журнале Nuclear Engineering and Design.
Ранее Наука Mail писала о том, что в Китае добыли уран из морской воды в килограммовых объемах.