پایان نامه با کلید واژه های تقسیم بندی، هیدرولیک، امکان سنجی

گونه روشهای حل، این معادله پس از گسسته سازی همه متغییرها، یک دستگاه بسیار بزرگ از معادلات جبری برای ما باقی می ماند که بایستی همه آنها همزمان حل گردند. حال برای نشان دادن حجم این محاسبات، فرض کنید که سه بعد طولی مساله را هر کدام به100 قسمت تقسیم بندی کرده ایم و گستره انرژی و زاویه را هم هرکدام فقط به 10بازه تقسیم بندی کرده ایم. مشاهده می کنیم که برای هر بازه زمانی مدنظر لازم است که دستگاه معادلات جبری شامل 〖10〗^8 معادله حل گردد[12].
روش دیگری که برای حل معادله انتقال نوترون بکار برده می شود، روش Monte-Carlo می باشد که کد محاسباتی MCNP(Monte-Carlo Method for Neutral Particles) از این روش برای حل معادله بالا بهره می جوید. این یک روش آمار و احتمالاتی14 است. تجزیه و تحلیل های مونت کارلو از روشهای آماری برای مدل کردن ریاضی یک فرایند و سپس تخمین زدن میزان احتمال و امکان خروجی های آن فرایند استفاده می کند[12]. روش مونت کارلو کاملا با روشهای Deterministic متفاوت است. از این جهت که در روش های Deterministic متوسط رفتار یک ذره برای حل معادله در نظر گرفته می شود، در حالی که در روش مونت کارلو اولا معادله صریحا حل نمی شود وهمچنین رفتار همه ذرات در نظر گرفته می شود و تمام جنبه های آماری ذرات ثبت می شود.
روش های آماری مانند روش مونت کارلو بر اساس شبیه سازی محیط و حرکت ذره در محیط استوارند. در این روش به دلیل اجتناب از حل معادله پیچیده انتقال نوترون ، امکان تعریف هندسه های پیچیده و داخل کردن متغییرها با گسستگی کمتر و بعضا پیوسته وجود دارد. اما به دلیل اینکه تک تک ذرات بررسی می شوند و بدلیل اندرکنشهای پیش رویشان با حجم بسیار بالایی از محاسبات وارده روبرو هستیم که روندی زمانگیر را موجب می شود.
برای انجام محاسبات بحرانیت (Criticality Calculations) در این پایان نامه، بدلیل امکان تعریف هندسه های پیچیده تر از کد محاسباتی آماری MCNP استفاده شده است.
در این روش ابتدا به همه متغییر ها یک تابع توزیع احتمال نسبت داده می شود. سپس توسط یک تولید کننده اعداد تصادفی15 پیشینه های متفاوتی (Histories) از همه متغییرها ثبت می شود و در نهایت توسط قضیه حد مرکزی16 نتایج تک تک پیشینه ها معدل گیری می شود.
یکی از مهمترین نتایج حل معادله انتقال نوترون بدست آوردن مقدارویژه مربوط هندسه تعریف شده و مواد بکاررفته است که با keff نشان داده می شود. این کمیت در فیزیک راکتور به ضریب تکثیر موثر نوترونها مشهور است. از لحاظ تعبیر فیزیکی، این کمیت نسبت نرخ تولید به نرخ نابودی نوترون تعریف می شود. بدیهی است اگر این مقدار مساوی عدد یک باشد بنابراین سیستم در حالت تعادل و پایداری زمانی قرار دارد[13].
2-4-1- ساختارکد محاسباتی MCNP
فایل ورودی MCNP ، هندسه مسئله، مواد مورد استفاده و چشمه های بکار رفته را توضیح می دهد ، در این زمینه پیکربندی بوسیله تعریف سلول (cell ) و سطوحی (surface ) که سلول ها را احاطه کرده است توضیح داده می شود[14].
در MCNP فضا بوسیله سلول ها تقسیم بندی می شود که این سلولها بوسیله ی مواد مورد استفاده در مسئله می تواند پر شود یا به صورت تهی تعریف شود.
هر فایل ورودی MCNP دارای سه بخش است که عبارتند از:
1- کارت سلول Cell Card
این بخش، بخش اولیه فایل ورودی است که در این بخش سلول بندی فضا بوسیله ی تعریف شماره سلولها و ماده ای که قرار است سلول مورد نظر را پر کند و تعریف سلول ومشخص کردن مد کاری تعریف می شود.
2- کارت سطح Surface Card
در این بخش سطوحی که احاطه کننده سلول ها هستند تعریف می شوند.
3- کارت اطلاعات Data Card
این قسمت بخش انتهایی فایل ورودی است که خود شامل چند بخش است،در این بخش ماده ها و دستور محاسبه بحرانیت و همچنین تعریف چشمه های مورد نیاز انجام می شود.در بحث بحرانیت این بخش، ما با معرفی پیکربندی مسئله و مواد و چشمه های مورد نظر می خواهیم ضریب تکثیر نوترونی را در قلب محاسبه کنیم[14].
فصل سوم
3- مروری بر تحقیقات انجام شده
یکی از اقداماتی که برای بهبود توان راکتورهای PWR انجام گرفته است عبارتند از تغییر هندسه سوخت دراین نوع راکتورها. این تغییر هندسه به نحوی است که هیچ تغییری درابعاد وتعداد مجتمع سوختها حاصل نمی شود درنتیجه ابعاد قلب راکتور نیز به تبعیت ازآن تغییری ندارد وتنها موردی که تغییرمی کند تعداد میله های سوخت می باشد. برای این منظور و همچنین به منظورپایین ترآوردن ماکزیمم دمای سوخت در راکتورهای تحت فشار تکنولوژی ساخت سوختهای حلقوی مورد توجه قرار گرفته است . لازم به توضیح است که پایین ترآوردن ماکزیمم دمای سوخت بهبودی درSafety Margin می باشد. چون در این حالت، در اثر یک حادثه احتمالی گرمای کمتری را بایستی از قلب خارج نمود.
3-1- انواع سوختهای حلقوی
درطراحی سوختهای حلقوی، به دو مدل طراحی برخورد می کنیم که عبارتند از [15]:
الف) سوختهای حلقوی سینتر شده (Sintered)
سوختهای حلقوی با خنک کننده درونی و بیرونی (VIPAC17)
3-1-1- سوختهای حلقوی سینترشده (Sintered)
قرصهای حلقوی سینترشده با فضای خالی مرکزی 10% برای راکتورها یPWR توسط Caner M. و E.T. Dugan در سال 2000 ارزیابی شده است که این نوع سوختها فقط درمرکز خود یک فضای خالی حدود 10 درصد دارند که با گاز هلیوم پرشده اند [16].
همچنین توسط Mildrum C.M. در سال 1980 مشخص شده است که این نوع سوختهای حلقوی با 45% فضای خالی می توانند 10% افزایش راکتیویته درشروع سیکل را درمقایسه باسوخت معمول داشته باشند[17]. همچنین سوختهای حلقوی با اکسید اورانیم طبیعی درفضای مرکزی آن توسط Jensen درسال 1978 مورد آزمایش قرارگرفته اند ومشخص شده است که انبساط شعاعی سوخت و درنتیجه واکنش مکانیکی میان غلاف وسوخت18 کاهش می یابد[18]. همچنین سوختهای حلقوی باخنک کن درونی وبیرونی با مجتمع سوخت پلوتونیم پیشرفته (Pu Fuel AssemblyAdvanced) بوسیله Brochard وهمکاران درسال 2001 بررسی شده است. پیروآن سوخت حلقوی . باغلاف های متحد المرکز درونی وبیرونی جهت عبورخنک کن از درون واطراف سوخت ساخته شد[20]. اکسید اورانیوم سینترشده در سوخت های حلقوی با خنک کنندگی از درون وبیرون با توانایی منطبق شدن برراکتورهای PWR درحال کاروهمچنین بدست آوردن چگالی قدرت قلب برابر یا بیشتردردانشگاه MIT پیشنهاد شد. تحقیقاتی دراین زمینه توسط وKazimi M.S. وهمکارانش از سال 2001 تاکنون درزمینه تحلیل رفتارنوترونیک و ترمودهیدرولیک این نوع راکتورها وهمچنین امکان سنجی ساخت این نوع سوختها انجام گرفته است[21]. بنابراین این مسئله که ابعاد مجتمع سوخت حلقوی همانند مجتمع سوخت راکتورهای درحال کار می باشد وهمچنین نسبت Coolant به سوخت به همان اندازه راکتورهای PWR امروزی می باشد برای ما می تواند بسیارمطلوب باشد.
سپس S.Oggianu وKazimi M.S. در سال 2000 سوخت های با پایه UO2+ThO2را که می توانند تقریبا Burnup معادل دوبرابر سوخت های مرجع را داشته باشند، پیشنهاد کرد. همچنین این سوخت ها حجم کمتری از سوخت مصرف شده را در انتهای عمر خود خواهند داشت[22].
Kyu Hyun Han در سال 2003 توسط یک کد محاسباتی ترموهیدرولیکی که خودش توسعه داده بود نشان داد کهMDNBR19 در این نوع سوختها بیشتر از سوخت های مرجع می باشد[19]. D. Feng در سال2005 نشان داد که این نوع سوختها مقاومت بیشتری در برابر ناپایداری های جریان و نوسانات دانسیته سیال نشان می دهند و همچنین مقدار PCT20 در مواقع LOCA21 بسیار کمتر خواهد بود[23].
در یک پروژه مشترک بین MIT، Westinghouse Electric Co.، Framatome ANP و Atomic Energy of Canada در سال2006 نشان داده شدکه مجتمع سوخت های حلقوی، حتی در سطح توان 150 درصد، رفتار مکانیکی بهتری را از نظر Vortex-Induced Vibration، Turbulent-InducedVibration خواهند داشت.همچنین اثرات سایشی ناشی از ضربه و لغزش در این نوع سوختها کمتر خواهد بود[24].
Ellis T.در سال2007 نشان داد که آرایش 13*13 سوخت های حلقوی، به علت نوسان کمترراکتیویته در طول مدت قرار گیری اش درون قلب، نسبت به بقیه آرایه ها کنترل پذیرترخواهد بود[25]. درشکل3-1 شماتیک کلی یک میله سوخت حلقوی سینتر شده نمایش داده شده است [26].
شکل 3-1: شماتیک کلی یک میله سوخت حلقوی سینترشده درراکتو PWR [26].
3-1-2- سوخت های حلقوی با خنک کننده درونی وبیرونی ( (VIPAC
ابعاد سوختهای حلقوی VIPACهمانند سوختهای حلقوی سینترشده می باشد به جز اینکه دراین نوع سوختها ازفضای بین سوخت وغلاف صرفنظر شده است . سوختهای معمولی VIPAC برای اولین باردرآزمایشگاه Pacific North West درسال 1959 توسط Freshly و Bruley توسعه داده شد [27] و میله ها ی سوخت MOX برای راکتور آزمایشی آب جوشان EBWR توسط Sharp وهمکاران درسال 1964 ساخته شده است [28]. پودر سوخت با انرژی بالای هوای فشرده به صورت فشرده درآمده وبه صورت ارتعاشی داخل لوله مربوطه فشرده وجا زده می شود.
Yuan, Y در سال 2004 نشان داد که میزان کرنش (Strain) غلاف به میزان قابل توجهی کاهش می یابد و همچنین بهینه ترین فشار گاز هلیوم 1.4 تا2.0 Mpa میباشد. همچنین اندازه بهینه ذرات سوخت بین μm600-300 میباشد. سوخت MOX (VIPAC شده ) دربرخی راکتورهای تحقیقاتی آمریکا وبرخی LWR های تجاری به کاربرده شده وBurn up معادل MWd/t28500 حاصل کرده است[29]. درشکل 3-2 شماتیک کلی یک میله سوخت حلقوی VIPAC نمایش داده شده است.
شکل3-2: شماتیک کلی یک میله سوخت حلقویVIPACدرراکتورPWR [30].
در زمینه ضرائب ایمنی مورد بحث در این تحقیق که در فصل قبل اهمیت و تئوری آنها توضیح داده شد کارهای تقریبا کمی انجام شده است.
از کارهای انجام شده میتوان به تحقیق Faghihi F. وSaidi nezhad M. در سال 2010 در تعیین دو ضریب ایمنی برای راکتور آبی تحت فشار Westinghouse با مجموعه سوخت های حلقوی با آرایش 13*13 اشاره کرد[31].
با توجه به اینکه از زمان مطرح شدن مفهوم ساخت سوختهای حلقوی تقریبا تمام تحقیقات انجام شده و نتایج بدست آمده بر مبنای سوخت های حلقوی سینتر شده بوده است ، وباتوجه به هدف این پروژه ما نیز سوخت حلقوی سینترشده را در نظر می گیریم.
3-2- قلب راکتورهای PWR باسوخت حلقوی
قلب راکتورPWR باسوخت حلقوی با خنک کن داخلی وخارجی قابلیت افزایش چگالی قدرت را دریک حاشیه ایمنی یکسان با سوخت معمولی به سبب افزایش نسبت سطح به حجم داراست (حجم سوخت متناسب با فیژن و سطح سوخت متناسب با گرمای برداشته شده می باشد). مزیت این نوع سوختها درقلب راکتوراز نظر انتقال گرما نیز حائز اهمیت است بدین گونه که در این نوع سوختها انتقال حرارت هم از درون وهم از بیرون صورت می گیرد.
به هرحال دستیابی به انتقال گرمای جداگانه مابین کانال های داخلی و خارجی یک موضوع مهم می باشد.این طور که مقدارافزایش آنتالپی خنک کننده ومقدارمینیمم انحراف ازنسبت جوشش هسته ای22 در هر دوطرف سوخت به یک مقدار می باشد. [29].
هدف از طراحی سوختهای حلقوی با خنک کن داخلی وخارجی رسیدن به دمای پایین سوخت وافت فشار جریان خنک کننده کمتر درقلب وهمچنین MDNBR بالاتر می باشد [15].
3-3- امتیازات بالقوه سوخت های حلقوی
امتیازات سوخت های حلقوی عمدتا ناشی از کاهش دمای سوخت می باشد.
پیک دمایی برای سوختها ی حلقوی کمتراز سوخت معمول درراکتورهای PWR می

دیدگاهتان را بنویسید