Küçük modüler ergimiş tuz reaktörü acil tahliye sisteminin hesaplamalı akış dinamiği ve deneysel analizi

Abstract

Acil tahliye sistemi (ATS), tahliye borusu, katı tıpa, tıpa soğutma sistemi ve tahliye tankından oluşan ergimiş tuz reaktörlerinde (ETR) kullanılan pasif güvenlik sistemlerinden biridir. Bu sistemin en önemli elemanlarından olan katı tıpa, normal çalışma koşullarında bir soğutucu sistemi yardımıyla katı formda tutulan bir tuzdur ve reaktör ile tahliye tankı arasında bariyer görevi görmektedir. Katı tıpanın görevi kaza anında pasif olarak eriyip açılarak reaktördeki yakıt tuzunun tahliyesini başlatmaktır. Katı tıpanın, normal çalışma şartlarında katı kalarak tıpa görevini görmesi ve reaktördeki yakıt tuzunun istenmeyen tahliyesini engellemesi de gerekmektedir. Bir ETR tipi nükleer güç santralinde güç kesintisi kazası nedeniyle soğutmanın devamlılığının sağlanamadığı durumda, bozunum ısısı kaynaklı olarak reaktör içinde sıcaklık artacaktır. ATS çalışma senaryosuna göre reaktör içinde yükselen sıcaklık ile katı tıpa eriyecek ve yakıt tuzunun tahliyesi başlayacaktır. Reaktörü ve tahliye tankını birbirinden ayıran tıpa eriyince, yakıt tuzu tahliye borusundan tahliye tankına yerçekimi etkisi ile akacak ve bozunum ısısı tahliye tankından pasif ısı uzaklaştırıcı sistemler aracılığıyla çekilecektir. Bu senaryoda dikkat edilmesi gereken nokta, acil tahliye sisteminin reaktörü tahliye etme süresinin nükleer güvenlik prensipleri çerçevesinde hesaplanmasıdır. Bu bağlamda, reaktör içi sıcaklık reaktör malzemesi dayanım sıcaklığına erişmeden hem tıpanın erimesi hem de tahliyenin tamamlanması gerekmektedir. Bu tez kapsamında, 100 MW termal güçteki küçük modüler ergimiş tuz reaktöründe (KMETR) katı tıpanın erime ve katılaşma süreleri hesaplanmış, tıpanın eriyerek açılması sonrasında tahliye süresi belirlenmiş ve sonuç olarak tıpanın pasif güvenlik sistemi olarak kabul edilip edilemeyeceği değerlendirilmiştir. Hesaplamalar deneysel olarak doğrulanmış hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yöntemi kullanılarak ANSYS Fluent kodu ile yapılmıştır. İlk aşama olarak, kaza sonrası reaktör içi sıcaklığın malzeme dayanım sıcaklığına ulaşma süresi hem literatürdeki çalışmalar hem de bu araştırma kapsamında yapılan hesaplamalar dikkate alınarak hesaplanmıştır. Analizler reaktörün 900 saniye içerisinde tahliye edilmesi gerektiğini göstermiştir. İkinci aşama olarak, HAD sonuçlarının güvenilirliğini belirlemek için nümerik kodun doğrulaması yapılmıştır. Bu kapsamda Çek Teknik Üniversitesi'nin Nükleer Enerji Laboratuvarında kurulan deney setinde HITEC tuzu kullanılarak, erime süresi deneysel olarak hesaplanmıştır. Deneysel çalışmanın birebir modeli ANSYS Fluent kodunda oluşturularak, farklı geçiş bölgesi parametreleri için erime süreleri hesaplanmış ve elde edilen sonuçlar deney sonuçları ile kıyaslanmıştır. Geçiş bölgesi parametresi olarak 105 değeri kullanıldığında hesaplamaların hem daha düşük hata oranı ile sonuç verdiği hem de kodun daha stabil çalışarak kolay yakınsadığı belirlenmiştir. Bu nedenle, bu araştırma kapsamındaki diğer nümerik hesaplamalar belirlenen bu geçiş bölgesi parametresi değeri ile yapılmıştır. Üçüncü aşama olarak KMETR geometrisine uygun model ve malzemeler kullanılarak katılaşma ve erime simülasyonları farklı reaktör işletme koşulları için gerçekleştirilmiştir. Deneylerde kullanılan HITEC tuzu yerine FLiBe tuzu ve AISI 4145 alaşım çelik yerine Hastelloy-N alaşımı kullanılmıştır. Yapılan hesaplamalar sonucunda, katı tıpa tuzunun katılaşarak katı tıpa formu almasının 2700 saniye sürdüğü ve kazaya cevap olarak katı tıpanın erimesinin 400 saniyede tamamlandığı belirlenmiştir. Erime, duvar tarafından başlamış ve tıpanın duvar ile teması kalmayana kadar devam etmiştir. Duvar teması kalmayan tıpa, yer çekimine bağlı olarak düşerek açılmıştır. Son aşamada, reaktör içerisindeki yakıt tuzunun tamamının reaktörden tahliye tankına tahliye süresi hesaplanmıştır. 3 farklı yöntem kullanılmış ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Oluşturulan diferansiyel denklem öncelikle analitik olarak sonrasında ise Taylor serisi ve Heun nümerik yöntemleri ile çözülmüştür. Son olarak, ANSYS Fluent kodu ile simülasyon yapılarak tahliye süresi bulunmuştur. Analitik çözüm referans alındığında, simülasyonun %3 fark ile tahliye süresini hesapladığı görülmüştür. Analitik yöntem dikkate alındığında tahliyenin 166 saniyede tamamlandığı görülmüştür. Çalışmada elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde, katı tıpa erime süresi 400 s ve tahliyenin tamamlanma süresi 166 s dikkate alındığında tahliyenin 566 saniyede tamamlandığı ve bu sürenin limit zaman olarak belirlenen 900 saniyenin altında kaldığı görülmüştür. Sonuç olarak, acil tahliye sisteminin çalışma gerekliliklerini taşıdığı ve sistemin pasif olarak çalışabildiği sonucuna varılmıştır. Ayrıca, ETR'lerde güvenlik analizi için HAD uygulaması, tamamlayıcı yaklaşımların kullanıldığı doğrulama çalışmaları ile kanıtlanmıştır. Deneysel çalışmalar ve analitik çözümler, HAD modelleri tarafından üretilen sonuçların karşılaştırılması ve doğrulanması için ölçüt olarak hizmet etmiştir. Bu başarılı doğrulamalar, HAD metodolojisinin ETR'lerde güvenlik değerlendirmeleri için güvenilir bir şekilde kullanılabileceğine dair kanıtlar oluşturmakta ve literatüre önemli katkı sunmaktadır.