Laskentamallit kuulakekoreaktorin säteilylämmönsiirrolle

Abstract

Reaktorityyppinä kuulakekoreaktori on pitkään kehitettyä tekniikkaa, vaikka on suosiossa jäänyt vesijäähdytteisten reaktoreiden varjoon. Maailmassa on vain yksi varsinaisessa käytössä oleva kuulakekoreaktori. Normaalikäytössä reaktorin korkea lämpötila tekee säteilylämmönsiirrosta hallitsevan lämmönsiirtomekanismin konvektioon ja johtumiseen nähden.

Kandidaatintyön päätavoite on esittää kuulakekoreaktorin säteilylämmönsiirron mallintamiseen tarkoitettuja laskentamalleja. Malleilla ratkotaan reaktorisydämessä olevien polttoaine- ja/tai grafiittikuulien lämpösäteily efektiivisenä lämmönsiirtona. Yksittäisen kuulan lämmönsiirto käsitellään energiataseen avulla.

Kandidaatityössä käsitellään myös kuulakekoreaktorin tyypillinen rakenne ja sen ominaisuudet neutronien moderoinnissa, jäähdytteen kierrossa ja turvallisuudessa.

Säteilylämmönsiirron perusteista kerrataan ne asiat, jotka ovat olennaisia laskentamalleissa. Tällöin muun muassa säteilyn heijastavuus, absorbtointi, aallonpituus ja avaruuskulma jätetään tämän kandidaatintyön ulkopuolelle. Laskentamalleissa esiintyy emissivieetti, joka on todellisuudessa riippuvainen lämpötilasta aallonpituudesta ja avaruuskulmasta. Se on kuitenkin ennaltamääritetty tai on vain lämpötilan funktiona esitettävissä laskentamalleissa. Näkyvyyskerroin määritetään pääosin simuloinnilla, vaikka yhdessä laskentamallissa se laskentaan kokeellisen datan pohjalta.

Lähdemateriaalin pohjalta tutkitaan laskentamallien soveltuvuutta. Kolmesta esitetyistä laskentamalleista kaksi osoitetaan päteviksi lähdemateriaalin nähden. Säteilylämmönsiirron mallintamisessa on tulosten nähden vielä kehitettävää.

The pebble bed reactor is a long-developed technology, although it has fallen out of popularity compared to water-cooled reactors. There is only one pebble bed reactor currently in actual operation worldwide. In normal operation, the high temperature of the reactor makes radiation heat transfer the dominant heat transfer form compared to convection and conduction.

The main objective of this thesis is to present models for radiation heat transfer in pebble bed reactors. These models predict the thermal radiation of fuel and/or graphite spheres in the reactor core as effective heat transfer. The heat transfer of individual pebbles is solved using the energy balance.

The thesis also discusses the typical structure of the pebble bed reactor and its characteristics in neutron moderation, coolant circulation, and safety. The basics of radiation heat transfer are reviewed, focusing on aspects relevant to the calculation models. This excludes considerations such as radiation reflectivity, absorption, wavelength, and spatial angle, from the scope of this bachelor's thesis. The models involve emissivity, which is dependent on temperature, wavelength and spatial angle. However, in calculation models, it is either predetermined or expressed as a function of temperature. The view factor is mainly determined through simulation, although one calculation model derives it from experimental data.

Based on the source material, the models are evaluated. Out of the three presented models, two are demonstrated to be valid compared to the source material. There is still demand for improvement in modeling radiation heat transfer based on the results.