Ingenieurs moeten een maalstroom beheren in de kern van werkende kernreactoren. Kernreacties zetten een buitengewone hoeveelheid warmte af in de splijtstofstaven, het veroorzaken van een razernij van koken, borrelen, en verdamping in de omringende vloeistof. Van deze kolkende stroom, operators benutten de afvoer van warmte.

Op zoek naar meer efficiëntie in nucleaire systemen, wetenschappers hebben lang gezocht naar het karakteriseren en voorspellen van de fysica die ten grondslag ligt aan deze processen van warmteoverdracht, met slechts bescheiden succes.

Maar nu een onderzoeksteam onder leiding van Emilio Baglietto, een universitair hoofddocent nucleaire wetenschap en techniek aan het MIT, heeft een belangrijke doorbraak gemaakt in het detailleren van deze fysische verschijnselen. Hun aanpak maakt gebruik van een modelleringstechnologie die computational fluid dynamics (CFD) wordt genoemd. Baglietto heeft nieuwe CFD-tools ontwikkeld die de fundamentele fysica van koken, het mogelijk maken om snel evoluerende warmteoverdrachtsverschijnselen op microschaal te volgen in een reeks verschillende reactoren, en voor verschillende bedrijfsomstandigheden.

"Ons onderzoek opent het perspectief om de efficiëntie van huidige kernenergiesystemen te verbeteren en betere brandstof te ontwerpen voor toekomstige reactorsystemen, ', zegt Baglietto.

De groep, waaronder Etienne Demarly, een promovendus in nucleaire wetenschappen en techniek, en Ravikishore Kommajosyula, een promovendus in werktuigbouwkunde en berekening, beschrijft zijn werk in het nummer van 11 maart van Technische Natuurkunde Brieven .

Baglietto, die in 2011 bij het MIT aankwam, is thermische hydrauliek lead voor het Consortium for Advanced Simulation of Lightwater Reactors (CASL), een in 2010 gestart initiatief om voorspellende modelleringstools te ontwerpen om de huidige en volgende generatie reactoren te verbeteren, en om de economische levensvatbaarheid van kernenergie als elektriciteitsbron te verzekeren.

Centraal in het CASL-werk van Baglietto stond de kwestie van de kritische warmteflux (CHF), die "een van de grote uitdagingen voor de warmteoverdrachtgemeenschap vertegenwoordigt, " zegt hij. CHF beschrijft een toestand van koken waarbij er een plotseling verlies van contact is tussen de borrelende vloeistof, en het verwarmingselement, wat in het geval van de nucleaire industrie de splijtstofstaaf is. Deze instabiliteit kan plotseling ontstaan, als reactie op veranderingen in vermogensniveaus, bijvoorbeeld. Als het koken een crisis bereikt, een dampfilm bedekt het brandstofoppervlak, die vervolgens plaats maakt voor droge plekken die snel zeer hoge temperaturen bereiken.

"Je wilt dat zich bellen vormen en vertrekken vanaf het oppervlak, en water verdampt, om warmte af te voeren, " legt Baglietto uit. "Als het onmogelijk wordt om de hitte te verwijderen, het is mogelijk dat de metalen bekleding faalt."

Nucleaire regelgevers hebben vermogensinstellingen vastgesteld in de commerciële reactorvloot waarvan de bovengrenzen ver onder het niveau liggen dat CHF zou kunnen veroorzaken. Dit betekende dat reactoren onder hun potentiële energie-output moesten draaien.

"We willen zoveel mogelijk laten koken zonder CHF te bereiken, ", zegt Baglietto. "Als we konden weten hoe ver we te allen tijde van CHF verwijderd zijn, we zouden net aan de andere kant kunnen opereren, en de prestaties van reactoren te verbeteren."

Dit bereiken, zegt Baglietto, vereist een betere modellering van de processen die leiden tot CHF. "Vorige modellen waren gebaseerd op slimme gissingen, omdat het onmogelijk was om te zien wat er werkelijk gebeurde aan de oppervlakte waar het koken plaatsvond, en omdat modellen geen rekening hielden met alle natuurkunde die CHF aanstuurde, ', zegt Baglietto.

Dus ging hij op zoek naar een alomvattende, high-fidelity weergave van kokende warmteoverdrachtsprocessen tot het punt van CHF. Dit betekende het maken van fysiek nauwkeurige modellen van de beweging van bellen, kokend, en condensatie die plaatsvindt op wat ingenieurs 'de muur' noemen - de bekleding van vier meter hoge, splijtstofstaven van één centimeter breed, die bij tienduizenden zijn verpakt in een typische kernreactorkern en omgeven zijn door hete vloeistof.

Terwijl sommige rekenmodellen van Baglietto gebruik maakten van bestaande kennis van de complexe warmteoverdrachtsprocessen van brandstofassemblages in reactoren, hij zocht ook nieuwe experimentele gegevens om zijn modellen te valideren. Hij riep de hulp in van afdelingscollega's Matteo Bucci, de Norman C. Rasmussen universitair docent nucleaire wetenschap en techniek, en Jacopo Buongiorno, de TEPCO Professor en associate departementshoofd voor nucleaire wetenschap en techniek.

Met behulp van elektrisch gesimuleerde kachels met vervangende brandstofassemblages en transparante wanden, MIT-onderzoekers waren in staat om de fijne details in de evolutie van koken tot CHF te observeren.

"Je zou gaan van een situatie waarin mooie kleine bubbels veel warmte afvoeren, en nieuw water overstroomde het oppervlak, dingen koud houden, naar een moment later toen er ineens geen ruimte meer was voor luchtbellen en er droge plekken zouden ontstaan ​​en groeien, ', zegt Baglietto.

Uit deze experimenten kwam één fundamentele bevestiging naar voren. De eerste modellen van Baglietto, in tegenstelling tot het conventionele denken, had gesuggereerd dat tijdens het koken, verdamping is niet de exclusieve vorm van warmteafvoer. Simulatiegegevens toonden aan dat bellen glijden, verdringen en vertrekken van het oppervlak verwijderde zelfs meer warmte dan verdamping, en experimenten valideerden de bevindingen van de modellen.

"Baglietto's werk vertegenwoordigt een mijlpaal in de evolutie van voorspellende mogelijkheden voor kooksystemen, waardoor we gedrag kunnen modelleren op een veel fundamenteler niveau dan ooit tevoren, " zegt W. David Pointer, groepsleider geavanceerde reactortechniek bij het Oak Ridge National Laboratory, die niet bij het onderzoek betrokken was. "Dit onderzoek stelt ons in staat om aanzienlijk agressievere ontwerpen te ontwikkelen die het door brandstof geproduceerde vermogen beter optimaliseren zonder afbreuk te doen aan de veiligheid, en het zal een onmiddellijke impact hebben op de prestaties van de huidige vloot en op het ontwerp van de volgende generatie reactoren."

Het onderzoek van Baglietto zal ook het proces voor de ontwikkeling van splijtstoffen snel verbeteren. In plaats van vele maanden en miljoenen dollars uit te geven aan experimenten, zegt aanwijzer, "We kunnen die lange reeks tests verkorten door nauwkeurige, betrouwbare modellen."

In de komende jaren, De alomvattende aanpak van Baglietto kan helpen bij het leveren van brandstofbekleding die beter bestand is tegen vervuiling en onzuiverheden, meer ongeval tolerant, en dat bevordert een hogere bevochtiging, waardoor oppervlakken beter in contact komen met water en minder kans hebben op het vormen van droge plekken.

Zelfs kleine verbeteringen in de output van kernenergie kunnen een groot verschil maken, zegt Baglietto.

"Als brandstof vijf procent beter presteert in een bestaande reactor, dat betekent vijf procent meer energie-output, wat kan betekenen dat er minder gas en kolen worden verbrand, "zegt hij. "Ik hoop ons werk zeer binnenkort te zien in Amerikaanse reactoren, want als we goedkoper meer kernenergie kunnen produceren, reactoren blijven concurreren met andere brandstoffen, en een grotere impact hebben op de CO2-uitstoot."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.