Когда 11 марта 2011 года в Японии произошло одно из крупнейших современных землетрясений, ядерные реакторы на Фукусима-Даиичи автоматически отключились, как и было задумано. Аварийные системы, которые помогли бы поддерживать необходимое охлаждение активной зоны, были разрушены последующим цунами. Поскольку реактор больше не мог охлаждать себя, активная зона перегрелась, что привело к сильному ядерному расплаву, подобного которому не было со времен Чернобыльской катастрофы в 1986 году.
С тех пор реакторы значительно улучшились с точки зрения безопасности, устойчивости и эффективности. В отличие от легководных реакторов на Фукусиме, которые имели жидкий теплоноситель и урановое топливо, реакторы нынешнего поколения имеют множество вариантов теплоносителя, включая смеси расплавленных солей, воду в сверхкритическом состоянии и даже такие газы, как гелий..
Доктор. Джин Рагуза и доктор Маурисио Эдуардо Тано Ретамалес с факультета ядерной инженерии Техасского университета A&M изучают новый реактор четвертого поколения с галечным слоем. Реакторы с галечным слоем используют сферические топливные элементы (известные как галька) и жидкий теплоноситель (обычно газ).
«В таком реакторе находится около 40 000 топливных камешков», - сказал Рагуза. «Подумайте о реакторе как о большом ведре с 40 000 теннисных мячей внутри».
Во время аварии, когда газ в активной зоне реактора начинает нагреваться, холодный воздух снизу начинает подниматься вверх, процесс, известный как естественное конвекционное охлаждение. Кроме того, топливные гранулы изготовлены из пиролитического углерода и триструктурно-изотропных частиц, что делает их устойчивыми к температурам до 3000 градусов по Фаренгейту. Как высокотемпературный реактор (VHTR), реакторы с галечными слоями могут охлаждаться за счет пассивной естественной циркуляции, что делает теоретически невозможным возникновение аварии, подобной Фукусиме..
Однако при нормальной работе высокоскоростной поток охлаждает гальку. Этот поток создает движение вокруг топливных камешков и между ними, подобно тому, как порыв ветра меняет траекторию теннисного мяча. Как вы объясняете трение между камнями и влияние этого трения на процесс охлаждения?
Это вопрос, на который Рагуза и Тано стремились ответить в своей последней публикации в журнале Nuclear Technology, озаглавленной «Исследование байпасных течений в реакторе с галечным слоем методом сопряженных вычислений гидродинамики и дискретных элементов».
«Мы определили местоположение этих «теннисных мячей», используя метод дискретных элементов, где мы учитываем вызванное потоком движение и трение между всеми теннисными мячами», - сказал Тано.«Затем объединенная модель проверяется на соответствие тепловым измерениям в эксперименте SANA».
Эксперимент SANA был проведен в начале 1990-х годов и измерял, как взаимодействуют механизмы в реакторе при передаче тепла от центра цилиндра к внешней части. Этот эксперимент позволил Тано и Рагузе получить стандарт, по которому они могли проверять свои модели.
В результате их группы разработали совмещенную модель вычислительной гидродинамики и методов дискретных элементов для изучения потока над галечным слоем. Эта модель теперь может быть применена ко всем высокотемпературным реакторам с галечным слоем и является первой вычислительной моделью такого рода, которая делает это. Такие высокоточные инструменты, как этот, позволяют поставщикам разрабатывать более совершенные реакторы.
«Вычислительные модели, которые мы создаем, помогают нам более точно оценивать различные физические явления в реакторе», - сказал Тано. «В результате реакторы могут работать с более высоким запасом, теоретически производя больше энергии при одновременном повышении безопасности реактора. То же самое мы делаем с нашими моделями жидкосолевых реакторов для Министерства энергетики».
По мере того, как искусственный интеллект продолжает развиваться, расширяются его приложения для вычислительного моделирования и имитационного моделирования. «Мы находимся в очень захватывающее время для поля», сказал Рагуза. «И мы призываем всех потенциальных студентов, интересующихся вычислительным моделированием, связаться с нами, потому что мы надеемся, что эта область будет существовать еще долгое время».