بخشی از مقاله
مقدمه:
مطالعات اخیر نشان میدهد که استفاده از سوخت حلقوي در نیروگاههاي هستهاي، موجب بهبود نرخ برداشت حرارت از میلههاي سوخت میشود.به این منظورمطالعاتی در زمینههاي نوترونیک و ترموهیدرولیک این نوع سوختها و خنک کنندهاي که همراه آن به کار می رود،صورت گرفته است.[1]
این عمل علاوه بر افزایش سطح انتقال حرارت، موجب کاهش دماي میله سوخت شده، که از لحاظ ایمنی بسیار مورد توجه است.[2]اما نکتهاي که در استفاده از سوخت حلقوي وجود دارد، کاهش ضریب انتقال حرارت جابجایی خنککننده در سطح خارجی میله سوخت میباشد؛ که با استفاده از نانوسیال علاوه بر فائق آمدن بر این مشکل، میتوان ضمن کاهش دبی جرمی خنککننده، توان نیروگاه را هم افزایش داد4]،3و.[5در اینپژوهشقصد داریمبابررسیتغییراتغلظتشش نوع نانوذره، شامل آلومینا، آلومینیوم، اکسید مس، مس، زیرکونیا و تیتانیادر خنککننده یک نوع راکتور با مجتمع سوخت حلقوي که پیش از این با ایده از یک راکتورVVER-1000 طراحی شده است، اثراتآنرا برپارامتر نوترونیک ضریب تکثیر موثر((Keff بررسی کنیموضمن طراحی بهینه نوع و غلظت نانوسیال، اثر ته نشینی نانوذره بر روي غلاف سوخت را نیز مشاهده کنیم. به
21st Iranian Nuclear Conference 25-26Feb 2015 University of Isfahan
_ ت و ی_ ن ا س _ ه _ی ان
۶و۷ ا" د ماه ۳۹۳۱ دا+ گاه ) هان
اینمنظور،ازکدهاینوترونیک((WIMS & CITATIONکه توسط یک برنامه نوشته شده با زبان جاوا به یکدیگر ارتباط داده شدهانداستفادهکردهایم.قلب راکتوري که این نوع سوخت در آن استفاده شدهاست، مشابه یک راکتور VVER-1000، که شامل 163 عدد مجتمع سوخت شش ضلعی، که هرکدام از آنها داراي 311 میله سوخت حلقوي با قابلیت خنک کنندگی از داخل و خارج است،میباشد. همچنین قرصهاي سوخت از جنسUO2همراه با غلافی از جنس زیرکالوي میباشند.در جدول((1 مشخصات هندسی سوخت و در شکل (1) نمایی از میلهسوخت حلقوي و یک نوع مجتمع سوخت نشان داده شده است.
جدول -1 مشخصات میله
قطر خارجی غلاف خارجی 13/66 میلیمتر
ضخامت غلاف خارجی 0/87 میلیمتر
قطر داخلی غلاف خارجی 11/92 میلیمتر
ضخامت gap خارجی 0/05 میلیمتر
قطر خارجی سوخت 11/82 میلیمتر
قطر داخلی سوخت 9/2 میلیمتر
ضخامت gap داخلی 0/06 میلیمتر
قطر خارجی غلاف داخلی 9/08 میلیمتر
ضخامت غلاف داخلی 0/54 میلیمتر
قطر داخلی غلاف داخلی 8 میلیمتر
شکل -1 نمایی از یک میله سوخت حلقویو مجتمع
روش کار
-1 مدلسازي مجتمع هاي سوخت:
قلب راکتور از شش نوع مجتمع سوخت تشکیل شده است کهبا معرفی مشخصات هندسی میله ها، انواع مواد به کاررفته در آنها در کد محاسباتی wimsمدل شدهاند. با بکارگیري هندسه سوزنی، سلول معادل را براي سه نوع مجتمع سوخت با غناهاي متوسط 4/6،2/1 و3/6 درصد استنتاج کردیم تا کد معادله انتقال نوترون را با استفاده از روش احتمالات برخورد در شرایط cold & cleanحل کند.
در ضمن در وارد کردن خواص خنک کننده در کد از رابطه زیر براي دانسیته نانوسیال استفاده کردهایم:
21st Iranian Nuclear Conference 25-26Feb 2015 University of Isfahan
_ ت و ی_ ن ا س _ ه _ی ان
۶و۷ ا" د ماه ۳۹۳۱ دا+ گاه ) هان
nf (1 ) f p
که پارامترهاي آن به صورت زیر میباشند:
: چگالی جرمی، : کسر حجمی نانوذرات، : p نانوذرات، : f سیال پایه، : nf نانوسیال. -2 مدل سازي قلب راکتور:
در طول سیکل اول، 163مجتمع سوخت با آرایش شش ضلعی در کنار هم قرار گرفتهاند که به علت تقارن،ما در کد محاسباتی قلب (citation) براي محاسبات بحرانیت، یک ششم قلب را مانند شکل شماره((2با در نظرگرفتن 10 مش محوري مدل کردهایم.
نتایج
شکل -2 نماییکششمقلبراکتوربوشهردرشرایط cold &
ضریب تکثیر موثر (Keff) یکی از کلیدي ترین فاکتورها براي کارکرد و کنترل راکتور میباشد. هر تغییري در خواص مواد به کاررفته در قلب راکتور، موجب تغییر بحرانیت قلب و از این رو تغییر در Keff میشود.
مطالعات قبلی بیانگر این نکته است که وجود درصدهاي حجمی کم نانوذره در خنککننده راکتورهاي آب سبک، به علت شفافیت نوترون نسبت به ذرات نانو، کمترین اثر را بر فعالسازي خنککننده دارد.[4] همچنینبراي درصدهاي حجمی بسیار کوچک، کمترین تاثیر بر نرخ انتقال حرارت مشاهده شده است.[4]از طرف دیگر با افزایش درصد حجمی نانوذرات، کاهش ضریب تکثیر قلب و اثرات ته نشینی ذرات نانو بر روي غلاف میله سوخت پراهمیت می شوند.
ما براي شش نوع نانوذره انتخابی، شش مقدار کسر حجمی مختلف 0/0001) تا (0/1 را به کار بردهایم.
نتایج در شکل((3 نشان میدهد که با افزایش کسرحجمی نانوذرات در خنککننده، ضریب تکثیر موثر قلب کاهش مییابد که نتایج آن شبیه مطالعات قبلی میباشد که بر روي سوخت توپر صورت گرفتهاست.[4] در ضمن کمترین کاهش در دو نانوذره Al2O3و ZrO2 مشاهده شده است.
21st Iranian Nuclear Conference 25-26Feb 2015 University of Isfahan
_ ت و ی_ ن ا س _ ه _ی ان
۶و۷ ا" د ماه ۳۹۳۱ دا+ گاه ) هان
شکل -3 نمودارضریبتکثیرموثربرحسب درصد حجمی نانوذرات مختلف
شکل((3 بیانگر این نکته نیز است که اگر جنبههاي ایمنی راکتور مدنظر باشد، نانوذره Cu مناسبترینمیباشد؛چون که بیشترین کاهش را در ضریب تکثیر داشته است.
اثر مهم دیگرکهباید در بهکارگیري نانوسیال به عنوان خنککننده در قلب راکتور در نظر گرفته شود، ته نشینی ذرات نانو بر روي غلاف سوخت می باشد. لازم به ذکر است که ته نشینی ذرات نانو با غلظتهاي کم بر روي غلاف از نقطهنظر ترموهیدرولیکی میتواند موجب افزایش شار حرارتی بحرانی((CHF در برخی راکتورها شود. که علت آن ایجاد یک ناحیه متخلخل بر روي سطح و در نتیجه افزایش جوشش هستهاي باشد. راکتور مورد بررسی ما در فاز مایع کار میکند، اما نباید از اثر تهنشینی نانوذره بر روي بحرانیت راکتور غافل شد. به اینمنظور ما در این مقاله براي دو نانوذره Al2O3وZrO2که در شکل شماره (3) رفتار خوبی را از خود در کاهشندادن ضریب تکثیر نشان دادهاند، در سه درصد حجمی مختلف، با مدل کردن یک لایه از آنها بر روي سطوح غلاف خارجی و داخلی سوخت حلقوي، اثرات ته نشینی آنها را بر روي ضریب تکثیر موثر مشاهده کردهایم. نتایج به صورت نمودار در شکل((4آورده شدهاست.
همانطور که از شکل (4) مشاهده میشود، با افزایش ضخامت نانوذرهاي که روي سطوح ته نشین شدهاست، مقدار ضریب تکثیر موثر کاهش یافته است؛ به طوریکه این کاهش در غلضت هاي زیادتر ذرات نانو در خنککننده بیشتر
21st Iranian Nuclear Conference 25-26Feb 2015 University of Isfahan
_ ت و ی_ ن ا س _ ه _ی ان
۶و۷ ا" د ماه ۳۹۳۱ دا+ گاه ) هان
شکل -4 نمودارضریبتکثیرموثربرحسب ضخامت ته نشینی دو نانوذره Al2O3و
دیده میشود. با مقایسه نتایج حاصله و کارهاي مشابه صورت گرفته بر روي سوخت توپر[4]، اثر کاهشی ضریب تکثیر در اثر ته نشینی براي سوخت حلقوي محسوس تر میباشد که به علت سطح تماس بیشتري که نانوسیال با سوخت در این حالت دارد، همین انتظار را هم باید داشته باشیم.
