Iper

Aug 08, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12711 (2023) Citare questo articolo

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L'esaurimento iper-fedeltà (HxF) dei reattori a letto di ciottoli (PBR) è la capacità di modellare l'esaurimento per ogni ciottolo tenendo conto del movimento attraverso il nucleo. Il precedente lavoro di HxF ha dimostrato la fattibilità dell’esaurimento simultaneo di centinaia di migliaia di ciottoli stazionari entro tempi ragionevoli. Questo lavoro illustra il secondo passo verso HxF, accoppiando l'esaurimento con uno schema di movimento discreto. Il modello presuppone un letto ordinato con ciottoli che occupano posizioni fisse. Il movimento è semplificato come discreto poiché i ciottoli si muovono in linea retta da una posizione stabilita a un'altra. La metodologia è stata implementata in Serpent 2, combinata con le sue capacità di trasporto ed esaurimento. Sono state sviluppate routine ad hoc per garantire la compatibilità con la decomposizione del dominio e il ricircolo dei ciottoli dopo ogni passaggio in base ai criteri di scarico e all'inserimento di ciottoli freschi. Le capacità di HxF con movimento discreto sono dimostrate utilizzando un modello di reattore raffreddato a gas ad alta temperatura su vasta scala. Nello specifico, viene eseguito un approccio all'equilibrio e vengono mostrati risultati di esempio per i ciottoli interni e quelli scartati. I dati illustrano come HxF fornisca approfondimenti unici sul carburante PBR, producendo informazioni sulle distribuzioni statistiche piuttosto che solo sui valori medi, ottenuti con metodi tradizionali che si basano sulla zonazione spettrale per l’esaurimento. La conoscenza di queste distribuzioni può migliorare notevolmente l'analisi e la valutazione dei PBR.

L'esaurimento iperfedeltà (HxF) dei reattori a letto di ciottoli (PBR) è definito come la capacità di modellare l'esaurimento per ogni singolo ciottolo tenendo conto anche del suo movimento attraverso il nucleo. Ciò rappresenta un cambiamento di paradigma nella risoluzione delle sfide associate all’esaurimento del letto di ciottoli. Una lunga descrizione di queste sfide e del modo in cui sono state gestite in precedenza è fornita in un articolo precedente che dimostra la fattibilità computazionale di HxF1,2. Per completezza se ne riporta qui una breve sintesi. Poiché la dimensione di un ciottolo è piccola rispetto alla lunga lunghezza di diffusione dei neutroni in un moderatore di grafite, lo spettro dei neutroni in ciascun ciottolo non è autodeterminato, ma piuttosto dipende fortemente dal contenuto dei ciottoli adiacenti. A causa del continuo ricircolo e rifornimento di carburante dei ciottoli, il contenuto di carburante dei ciottoli adiacenti può differire drasticamente poiché il loro consumo è molto diverso e non noto a priori. Un semplice processo iterativo non è praticabile poiché un tipico nucleo PBR contiene poche centinaia di migliaia di ciottoli; pertanto, gli strumenti del passato hanno affrontato questa sfida dividendo il nucleo in macrozone (ciascuna contenente decine di migliaia di ciottoli), all’interno delle quali si presuppone una composizione uniforme del combustibile, quindi dello spettro dei neutroni3,4,5,6. Questi approcci sono in grado di fornire solo il comportamento medio dei ciottoli e mancano di verifica per le semplificazioni che introducono. HxF, invece, risolve ogni ciottolo in modo indipendente, il che significa che può fornire distribuzioni dettagliate di quantità di interesse come combustione, potenza e temperatura. Poiché i limiti di un sistema di reattore vengono spesso valutati in base agli estremi anziché ai valori medi (ad esempio, potenza massima per particella di combustibile, temperatura massima del combustibile, ecc.), si prevede che i dati generati tramite HxF miglioreranno notevolmente la nostra capacità di valutare il funzionamento sicuro dei PBR. Inoltre, questo metodo a risoluzione più elevata può servire da verifica per i tradizionali metodi a zone spettrali.

L’obiettivo finale di HxF è integrare la modellazione a elementi discreti (DEM) per un movimento realistico dei ciottoli, il trasporto di neutroni Monte Carlo per la distribuzione di potenza e i calcoli del consumo di carburante per ciascun sasso, e un modello termoidraulico per determinare la distribuzione della temperatura. Per raggiungere questo obiettivo ambizioso, invece di implementare tutte le parti in un unico tentativo, è stato adottato un approccio progressivo. Il primo passo è stato dimostrare la fattibilità dell’esaurimento di un gran numero di materiali in un arco di tempo ragionevole senza fare affidamento sul supercalcolo. È stato dimostrato1,2 che è possibile consumare fino a 0,5 milioni di ciottoli contemporaneamente utilizzando risorse di calcolo relativamente limitate ed entro un periodo di tempo compreso tra cinque e dieci giorni. Ancora più significativo, è stato dimostrato che HxF è un potente strumento per migliorare la nostra comprensione dei PBR rivelando preziose informazioni sul combustibile e sul comportamento del reattore, come i picchi di potenza e la distribuzione del consumo alla scarica, altrimenti non disponibili utilizzando gli strumenti tradizionali. Infine, anche se HxF non è adatto per un'analisi di scoping rapida, fornisce uno strumento di verifica per strumenti di bassa fedeltà.