Θερμοφυσικές ιδιότητες ψυκτικών μέσων πυρηνικών αντιδραστήρων ισχύος: συγκριτική μελέτη και κώδικες υπολογισμού

Abstract

This PhD thesis presents the developent of computer codes for the calculation of the thermodynamic and transport properties for the main coolants presently in use in nuclear reactors, namely: light water, heavy water, and liquid Na. The latter is expected to be the main coolant of Generation IV reactors, which are planned for commercial deployment until 2030. The codes are based on numerical methods and contemporary correlations for the properties in question, which have been developed and presented within the past 15 years. Entry to the codes is mainly performed using pressure and temperature. Results obtained agree within accepted uncertainty with the published tables for the thermophysical properties of reactor coolants. All codes were designed taking into account the need for a friendly interaction with the user. To this end, code interfacing is flexible enough to connect easily with the user's applications. The code results are also available on-line with the use of a simple web application also developed in the course of this PhD. It is noteworthy that regarding both heavy water and liquid Na, there exist no published calculation codes providing the thermophysical properties. Consequently, the respective web application which gives the thermodynamic and transport properties for these two important reactor working substances is available for the first time. In addition, all thermophysical properties codes presented, have been based on the same common programming structure, so that to allow for easy and similar expansion and further development when there exists a need for adding calculations pertaining to more properties, or even when there is a need for modifying the kind of the input properties to obtain results. In this thesis a computational investigation has been included regarding the comparison of the cooling behaviour and performance between light and heavy water during the rewetting process after a LOCA. There exist indications that for pressures below 25 bar, rewetting time using heavy water can be less than that using light water. Following this promising finding, further experimental and computational investigation on this matter could be engaged later on.

Η υπόψιν Διδακτορική Διατριβή αποτελεί έρευνα πάνω στην ανάπτυξη κωδίκων Η/Υ για τον υπολογισμό των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων και των ιδιοτήτων μεταφοράς των κυριότερων ψυκτικών μέσων που χρησιμοποιούνται σήμερα στους Πυρηνικούς Αντιδραστήρες Ισχύος. Ως τέτοια προσδιορίζονται, το ελαφρύ και το βαρύ ύδωρ και το υγρό Νάτριο, το οποίο αναμένεται μάλιστα να είναι το κυριότερο ψυκτικό μέσο των αντιδραστήρων 4ης γενιάς, που σχεδιάζεται να έχουν διατεθεί για εμπορική εκμετάλλευση μέχρι το 2030. Οι αναπτυσσόμενοι κώδικες βασίζονται σε αριθμητικές μεθοδολογίες και σύγχρονες σχετικές εξισώσεις υπολογισμού των υπόψιν ιδιοτήτων που διατυπώθηκαν την τελευταία δεκαπενταετία και οι οποίες με είσοδο την πίεση και τη θερμοκρασία δίνουν αποτελέσματα για όλες τις ιδιότητες με ακρίβεια που συμφωνεί με δημοσιευμένους έγκριτους πίνακες. Επιδιώχθηκε οι κώδικες να υλοποιηθούν με πρόνοια φιλικότητας και αλληλεπίδρασης, για το χρήστη που επιθυμεί να πάρει τα αποτελέσματά τους και στο επίπεδο της δικής του εφαρμογής. Δίνεται επίσης, η δυνατότητα, σε χρήστες που το επιθυμούν, να χρησιμοποιήσουν τους κώδικες μέσω του διαδικτύου, αξιοποιώντας σχετική διαδικτυακή εφαρμογή που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της Διατριβής. Σημειώνεται ότι τόσο για το βαρύ ύδωρ, όσο και για το Νάτριο, δεν υπάρχουν ακόμη σχετικοί δημοσιευμένοι κώδικες. Συνακόλουθα εννοείται βεβαίως ότι η διαδικτυακή εφαρμογή για τις θερμοδυναμικές και τις ιδιότητες μεταφοράς του βαρέος ύδατος και του Νατρίου αποτελεί την πρώτη δημοσιοποίηση τέτοιων αποτελεσμάτων στα πλαίσια του παγκόσμιου δικτυακού ιστού. Τονίζεται ότι όλοι οι κώδικες, για τις ιδιότητες όλων των ψυκτικών, αναπτύχθηκαν με βάση την ίδια κοινή αριθμητική και προγραμματιστική δομή ώστε να είναι δυνατό να επεκτείνονται εύκολα και με παρόμοιο τρόπο, όταν χρειάζεται, τόσο για να υπολογίζονται και άλλες ιδιότητες όσο και για να τροποποιούνται ώστε να δέχονται ως είσοδο άλλα ζεύγη θερμοδυναμικών μεγεθών, όπως για παράδειγμα την ενθαλπία και την πίεση, ή την εντροπία και την θερμοκρασία ή την ενθαλπία και την εντροπία. Σημαντική πρωτοτυπία και ενδιαφέροντα αποτελέσματα προέκυψαν στα πλαίσια της Διδακτορικής Διατριβής σε ό,τι αφορά στη σύγκριση της ψυκτικής συμπεριφοράς του ελαφρού και του βαρέος ύδατος κατά τη διαδικασία επανάψυξης σε τυποποιημένο κανάλι ψύξεως Πυρηνικού Αντιδραστήρα Ισχύος, το οποίο έχει υποστεί ατύχημα απώλειας ψυκτικού. Συγκεκριμένα, διαπιστώνεται ότι αν η πίεση που επικρατεί στο κανάλι κατά την έναρξη της επανάψυξης είναι κάτω από 25 bar, ο χρόνος επανάψυξης με τη χρήση βαρέος ύδατος μπορεί να είναι μικρότερος από ό,τι του ελαφρού. Η διαπίστωση αυτή γίνεται για πρώτη φορά, όπως επαληθεύεται και από τα μέχρι στιγμής δημοσιεύματα στα σχετικά επιστημονικά περιοδικά και είναι ενδεχόμενο, μετά από περαιτέρω διερεύνηση, να οδηγήσει σε κατασκευαστική αναθεώρηση ορισμένων από τα συστήματα εκτάκτου ψύξεως πυρήνα των Πυρηνικών Αντιδραστήρων Ισχύος.