Best Paper Award konferencji NUTHOS-13 za pracę na temat modelowania przepływu turbulentnego

Mgr inż. Tomasz Kwiatkowski z Zakładu Energetyki Jądrowej i Analiz Środowiska NCBJ otrzymał nagrodę Best Paper Award za pracę zaprezentowaną podczas 13th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal-Hydraulics, Operation, and Safety (NUTHOS-13). Nagrodzona praca dotyczy analizy niepewności modeli turbulentnych przepływu chłodziwa w ściśle upakowanych kasetach paliwowych w reaktorach jądrowych.

Konferencja International Topic Meeting on Nuclear Reactor Thermal-Hydraulics, Operation, and Safety (NUTHOS) jest jedną z najwiekszych międzynarodowych konferencji reaktorowych na świecie. Jej 13 edycja, NUTHOS-13, odbyła się w tym roku w Hsinchu na Tajwanie w dniach 5-10 września 2022 roku formule zdalnej. Naukowcy prezentowali na niej m.in. wyniki badań dotyczących przemysłu jądrowego, a w szczególności badań termohydraulicznych (zagadnienia termodynamiki, mechaniki płynów i przenoszenia ciepła), jak również dotyczących bezpieczeństwa funkcjonowania elektrowni jądrowych. Za najlepsze prace zaprezentowane podczas każdej z sesji tematycznych, przyznawane są nagrody Best Paper Award. Wyróżnienie w swojej sesji otrzymał mgr inż. Tomasz Kwiatkowski, naukowiec z Zakładu Energetyki Jądrowej i Analiz Środowiska NCBJ, za prezentację zatytułowaną "Uncertainty and Sensitivity Study of RANS Based CFD Modelling Approach for Flow in a Tightly Spaced Bare Rod Bundle". Współautorami badań byli dr Michał Spirzewski (NCBJ) i dr Afaque Shams (KFUPM, Arabia Saudyjska).

Modelowanie przepływu i wymiany ciepła w kasetach paliwowych używanych w instalacjach jądrowych jest istotnym zagadnieniem przy analizie i projektowaniu nowych instalacji jądrowych, jak również ulepszaniu istniejących konstrukcji. Ze względu na specyfikę budowy rdzenia reaktora jądrowego, chłodziwo nie przepływa w sposób zupełnie gładki. W trakcie odbierania ciepła od paliwa, powstają lokalne zaburzenia i zawirowania, które mogą powodować nierównomierny odbiór ciepła od elementów paliwowych czy ścian zbiornika reaktora, a w efekcie powstawanie różnicy temperatur i ciśnień, co przekłada się na szybsze zużycie materiału konstrukcyjnego. Obecne modele nie są w stanie idealnie odwzorowywać rzeczywistego przepływu chłodziwa, więc są one stale modyfikowane i ulepszane, aby coraz dokładniej opisywały wymianę ciepła i przepływ w kasetach paliwowych.

Badania mgr inż. Tomasza Kwiatkowskiego skupiają się na sprawdzaniu modeli turbulencji względem symulacji wysokiej dokładności przepływu w ściśle upakowanych kasetach paliwowych. Dzięki narzędziom numerycznej dynamiki płynów (CFD) i z wykorzystaniem mocy obliczeniowej Centrum Informatycznego Świerk, wykonana została bezpośrednia symulacja numeryczna (DNS), która stanowi referencyjną bazę danych do testowania modeli turbulencji niższych rzędów. Z jej użyciem, możliwa jest ocena poprawności modeli przepływu i wymiany ciepła. Dodatkowo, w ostatnich badaniach, poza wiernością odwzorowania modeli, przeprowadzono również analizę wpływu parametrów modelu na niepewność wyników.

„Ogólnodostępne modele numeryczne nie są w stanie idealnie odwzorować przepływu i wymiany ciepła w kasetach paliwowych” – mówi mgr inż. Tomasz Kwiatkowski. „Problem wynika z faktu, że modele te zostały stworzone i zweryfikowane w oparciu o przepływy w prostych geometriach takich jak gładkie rury czy kanały. Dlatego też tak istotne jest sprawdzenie stosowalności modeli w przypadkach bardziej złożonych. Dla konstruktorów reaktorów jądrowych szczególnie interesujący jest proces wymiany ciepła w kasetach paliwowych przy uwzględnieniu różnych czynników chłodzących takich jak woda, gaz, ciekłe metale. Dzięki porównaniu uproszczonych modeli z symulacjami numerycznymi wysokiej dokładności, jesteśmy w stanie zaproponować odpowiednie ulepszenia modeli, aby jak najlepiej pasowały do konkretnego zastosowania.”

Ważnym etapem w procesie udoskonalania modeli jest zrozumienie wpływu poszczególnych parametrów modelu na niepewność otrzymywanych wyników.

„Okazuje się, że w niektórych modelowanych obszarach pojedyncze parametry danego modelu mogą odpowiadać nawet za 90% całkowitej niepewności” – wyjaśnia naukowiec. „Przeprowadzane analizy pomagają nam jeszcze skuteczniej przygotowywać modele, które będą pomocne dla naukowców i inżynierów pracujących nad projektowaniem przyszłych instalacji jądrowych”.

Prace Tomasza Kwiatkowskiego dotyczące przepływu w ściśle upakowanych kasetach paliwowych były już wcześniej nagradzane, m. in. nominacją do zaprezentowania w konkursie dla młodych naukowców na światowej konferencji FISA2019 / EuradWaste’19 (https://old.ncbj.gov.pl/aktualnosci/jak-sprawdzic-czy-turbulencje-moga-b...), oraz na konferencji International Congress on Advances in Nuclear Power Plants – ICAPP 2021. Sam autor został także nagrodzony tytułem „Naukowiec przyszłości” podczas 6 Forum Inteligentnego Rozwoju we wrześniu 2021 roku (https://old.ncbj.gov.pl/aktualnosci/tomasz-kwiatkowski-naukowcem-przyszl...).