Ważnym etapem wprowadzania koncepcji reaktorów jądrowych IV generacji są wszechstronne badania i modele ich działania. Na podstawie analiz potwierdzono np. pasywne bezpieczeństwo reaktora DFR_m, dzięki wyznaczeniu temperaturowego współczynnika reaktywności. W pracy opublikowanej ostatnio w czasopiśmie International Journal of Energy Research, po raz pierwszy przedstawiono obliczenia stanów przejściowych dla takiego reaktora.

Jądrowy reaktor dwupłynowy (DFR – Dual Fluid Reactor) to urządzenie pracujące na neutronach prędkich. Ze względu na zasadę działania, może być traktowany jako połączenie reaktora prędkiego chłodzonego ołowiem i reaktora na stopione sole. Paliwo reaktora DFR mogą stanowić zarówno stopione sole uranu - reaktor DFRs, jak również mieszanina eutektyczna (mieszanina mająca niższą temperaturę topnienia niż jej składniki osobno) uranu i chromu - reaktor DFRm. W przypadku paliwa w postaci stopionych soli, istnieje wiele analiz działania reaktora. Wariant z paliwem metalicznym nie został jeszcze dokładnie zbadany, jednak stanowi obiekt zainteresowań naukowców.

Pasywne bezpieczeństwo reaktora DFRm zostało potwierdzone dzięki precyzyjnemu wyznaczeniu temperaturowego współczynnika reaktywności, który okazał się ujemny. Oznacza to, że przy wzroście temperatury w rdzeniu reaktora, samoczynnie zmniejsza on liczbę zachodzących reakcji, powodując powrót do bezpiecznego stanu (o czym pisaliśmy w tym artykule: https://www.ncbj.gov.pl/aktualnosci/ujemny-wspolczynnik-reaktywnosci-reaktora-dwuplynowego). W najnowszej pracy dotyczącej reaktora DFRm, która została opublikowana w czasopiśmie Journal of Energy Research, wykonano analizę temperaturowych współczynników reaktywności na podstawie modelu reaktora wykonanego z wykorzystaniem kodu Serpent, opartego o metodę Monte Carlo. Autorzy artykułu zaproponowali także system do kontroli reaktywności oraz wykonali obliczenia stanów przejściowych reaktora.

Mimo silnie ujemnego temperaturowego współczynnika reaktywności, nie jest on na tyle duży aby pozwalał sterować reaktywnością jedynie przez zmianę temperatury. Dla zachowania bezpieczeństwa oraz w celu zapewnienia długiego czasu działania reaktora, konieczne jest wprowadzenie metody kontroli reaktywności. W trakcie pracy reaktora rozważane są dwa sposoby: poprzez wprowadzenie do rdzenia trucizny, która może być wypalona, bądź dodawanie niewielkich ilości świeżego paliwa, co jest dobrym rozwiązaniem w układzie z obiegiem paliwa. Dodatkowo, ze względu na budowę rdzenia reaktora DFR, pręty sterujące muszą znajdować się poza nim. W pracy przedstawiona została koncepcja umieszczenia ich w obszarze reflektora neutronów, jak również wyznaczono efektywny współczynnik powielenia k_eff podczas procedury SCRAM (procedura wygaszenia reakcji polegająca na wsunięciu wszystkich prętów kontrolnych). „Pomimo otrzymania wartości poniżej 1, jest ona na tyle wysoka (0,995), że konieczna jest modyfikacja modelowanej koncepcji, np. poprzez umieszczenie w strefie reflektora większej liczby prętów sterujących, bądź zmianę składu paliwa” – opisuje mgr inż. Tomasz Hanusek, doktorant z Zakładu Energetyki Jądrowej i Analiz Środowiska NCBJ, autor publikacji. „Jednak mimo otrzymania niewielkiego marginesu, uzyskany współczynnik powielenia wskazuje, że zatrzymanie pracy reaktora jest możliwe nawet w przypadku umieszczenia prętów kontrolnych wyłącznie poza rdzeniem”.

Dzięki stworzonemu modelowi, wykonano jednocześnie procedurę optymalizacji parametrów reaktora DFRm, takich jak rozkłady temperatur paliwa i chłodziwa w rdzeniu, maksymalnej prędkości ich przepływu, czy utraty neutronów poza rdzeniem. Temperatura zarówno paliwa, jak i stopionego ołowiu używanego jako chłodziwo musi być odpowiednia, zarówno aby nie doprowadzić do zastygnięcia obu elementów, jak również by nie spowodować przegrzania i uszkodzenia materiałów konstrukcyjnych z węglika krzemu. Co więcej, stopione metale mogą powodować korozję i erozję elementów, więc ważne jest zminimalizowanie prędkości ich przepływu. Dodatkowo, w pracy zaproponowano także rozmiary obiegów paliwa i chłodziwa (długość i wielkość przekrojów). Na podstawie postawionych kryteriów dokonano obliczeń wielu przypadków, jednak tylko niektóre z nich spełniały wszystkie wymagane warunki, by ostatecznie wybrać najbardziej optymalną.

W pracy po raz pierwszy przedstawiono modelowanie i obliczenia stanów przejściowych dla reaktora DFRm, takich jak skokowe wprowadzanie reaktywności (zarówno dodatniej, jak i ujemnej), a także przegrzewanie i przechłodzenie chłodziwa. Do tego celu badacze wykorzystali zmodyfikowany kod TRACE, zaawansowane oprogramowanie do analizy systemów reaktorowych, opracowane przez amerykański urząd dozoru jądrowego . W przypadku wprowadzania reaktywności, wykazano, że przypadki reaktywności ujemnej i dodatniej są do siebie niemal zupełnie symetryczne (z dokładnością do wartości bezwzględnych wzrostu lub spadku mocy reaktora). Model pokazuje zmiany mocy i maksymalnej temperatury paliwa w trakcie takiego procesu, co pozwala stwierdzić, czy nie zostają przekroczone wartości dla bezpiecznej pracy. W badanym przypadku, maksymalna temperatura po dodaniu reaktywności osiągała około 1500 K., co pozostawia duży margines, biorąc pod uwagę bezpieczną temperaturę dla węglika krzemu, wynoszącą około 1650 K. Z kolei wprowadzenie ujemnej reaktywności powodowało spadek temperatury paliwa do około 1200 K., przy temperaturze jego topnienia około 1133 K.

Drugim stanem przejściowym, jaki poddano modelowaniu i analizie, było przegrzanie bądź przechłodzenie chłodziwa. Polegało ono na zwiększeniu lub zmniejszeniu ciepła odbieranego od stopionego ołowiu (przy bazowej mocy cieplnej reaktora 250 MW, badano przypadki odbierania od chłodziwa od 100 MW przy wariancie przegrzanym do 350 MW w wariancie przechłodzonym). Również w tym przypadku wyznaczono zmiany mocy reaktora i maksymalnej temperatury paliwa i chłodziwa w celu sprawdzenia bezpieczeństwa materiałów konstrukcyjnych z węglika krzemu. „We wszystkich badanych przypadkach, od przechłodzenia o 40% do przegrzania o 40%, osiągana temperatura maksymalna znajdowała się daleko od górnej granicy bezpieczeństwa” – opowiada mgr inż. Tomasz Hanusek. „Niemniej jednak, minimalna temperatura chłodziwa w pewnym momencie znalazła się jedynie 40 K. od temperatury topnienia ołowiu, co jest niewielkim marginesem. Oznacza to, że zasadne może być podniesienie temperatury roboczej całego układu, co zrównoważy marginesy bezpieczeństwa. Innym rozwiązaniem może być także zwiększenie przepływu zarówno chłodziwa, jak i paliwa.”

Badania mgr inż. Tomasza Hanuska są wykonywane w ramach prowadzonych przez NCBJ międzynarodowych studiów doktoranckich PHD4GEN, poświęconych najnowszym technologiom reaktorów jądrowych. Pełne wyniki badań znajdują się w artykule:

Hanusek T, Macian-Juan R. Analyses of the shutdown system and transients scenarios for the dual fluid reactor concept with metallic molten fuel. Int J Energy Res. 2022;1‐17. https://doi.org/10.1002/er.8387