V današnjem svetu je jedrska energija uveljavljena kot čist in zanesljiv vir energije v omrežjih številnih držav. V luči doseganja ničelnih izpustov CO2 se raziskave o uporabi jedrske energije razvijajo v različne smeri. Daljinsko ogrevanje z jedrsko energijo je obetavno področje, o katerem razmišljajo zlasti številne severne države. Na Finski Lappeenranta University of Technology je to sprožilo razvoj eksperimentalnega reaktorja za daljinsko ogrevanje LUTHER.
LUTHER je razširljiv lahkovodni reaktor z nizko gostoto moči. Običajno vodo pri relativno nizkem tlaku in temperaturi uporablja kot moderator in hladilno tekočino. Del razvoja reaktorja predstavljajo varnostni sistemi. Študija, izvedena v tem magistrskem delu, raziskuje izvedljivost pasivnega sistema za odvajanje zaostale toplote za podzemno izvedbo reaktorja LUTHER z nazivno močjo 24 MWth. Zanka uporablja mešanico zraka, vode in vodne pare kot delovno tekočino in se zanaša na naravno konvekcijo za odvajanje toplote iz zadrževalnega hrama v zemljo v okolici elektrarne.
V prvem poglavju je predstavljen obsežen pregled literature, ki opisuje zasnove hlajenja zadrževalnih hramov večine sodobnih jedrskih elektrarn. Sledi pregled študij, ki obravnavajo hlajenje s kondenzacijo pare v dvofaznem toku vode, vodne pare in zraka.
V drugem poglavju sta predstavljena dva analitična modela, ki sem jih razvil za izvedbo analize. Temeljita na ustreznih korelacijah za določitev geometrijskih in obratovalnih parametrov sistema. Analiza se izvaja z uporabo programa MATLAB. Začetni izračuni so izvedeni za primer čiste pare brez prisotnosti nekondenzibilnih plinov, v našem primeru zraka. Učinek zraka, ki je prisoten v zadrževalnem hramu, je upoštevan v posodobljenem modelu prenosa toplote s kondenzacijo z uporabo degradacijskega faktorja (Lee & Kim, 2011), ki upošteva poslabšanje prenosa toplote ob prisotnosti zraka.
V tretjem in četrtem poglavju je opisana numerična študija z uporabo termično-hidravličnega računalniškega programa TRACE. Gre za sistemski računalniški program razvit v ZDA za termo-hidravlične analize vodno hlajenih jedrskih reaktorjev. Simulacije sem sprva izvajal za delno dolžino ene same hladilne cevi zakopane v tla, da sem preizkusil učinek različnih
parametrov na prenos toplote: tlaka, naklona cevi, materiala tal in količine zraka v zanki. Rezultati, pridobljene s preskusom z enojno cevjo, sem preučil in jih uporabil pri razvoju celotne zanke, ki bo vsebovala snop takšnih cevi in bo dovolj zmogljiva, da bo iz zadrževalnega hrama odvajala vso zaostalo toploto ki se sprošča zaradi radioaktivnih razpadov v ustavljenem jedrskem reaktorju.
V 5. poglavju sem predstavil in primerjal rezultate analitičnih in numeričnih študij in z rezultati pojasnil delovanje sistema in njegove omejitve. Ocenil sem tudi negotovosti rezultatov. Kvalitativno analitični in numerični rezultati kažejo podobne trend, a je med obema modeloma precejšnja kvantitativna razlika. Na podlagi dobljenih rezultatov ta študija dokazuje izvedljivost predhodne zasnove podzemnega sistema za odvajanje zakasnele toplote. Kot je razvidno iz spodnje slike, je hladilna zanka varnostnega sistema sposobna pasivno odvajati dovolj veliko količino zakasnele toplote daljše obdobja po zaustavitvi reaktorja. Prisotnost zraka v zanki ima le malo vpliva na proces kondenzacije in ne poslabša bistveno celotne učinkovitosti sistema. Pred dokončno potrditvijo zasnove varnostnega sistema bo potrebno dele računalniškega programa TRACE preveriti z dodatnimi eksperimenti. Na koncu pa bo za varnostne analize potrebno ponoviti obsežne numerične študije različnih možnih dogodkov.
|
