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Aug 08, 2023

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12711 (2023) Citar este artigo

Detalhes das métricas

O esgotamento de hiperfidelidade (HxF) de reatores de leito de seixos (PBRs) é a capacidade de modelar o esgotamento de cada seixo enquanto leva em conta o movimento através do núcleo. Trabalhos anteriores de HxF demonstraram a viabilidade de esgotar centenas de milhares de seixos estacionários simultaneamente dentro de prazos razoáveis. Este trabalho ilustra o segundo passo em direção ao HxF, acoplando a depleção com um esquema de movimento discreto. O modelo assume um leito ordenado com pedras ocupando posições fixas. O movimento é simplificado como discreto, uma vez que as pedras se movem em linhas retas de uma posição definida para outra. A metodologia foi implementada no Serpent 2, combinada com suas capacidades de transporte e esgotamento. Rotinas ad-hoc foram desenvolvidas garantindo compatibilidade com decomposição de domínio e recirculação de seixos após cada passagem com base em critérios de descarga e inserção de seixos frescos. As capacidades de HxF com movimento discreto são demonstradas usando um modelo de reator refrigerado a gás de alta temperatura em escala real. Especificamente, uma abordagem ao equilíbrio é realizada e resultados de exemplo são mostrados para seixos no núcleo e descartados. Os dados ilustram como o HxF fornece insights exclusivos sobre o combustível PBR, produzindo informações sobre distribuições estatísticas em vez de apenas valores médios, obtidos por métodos tradicionais que dependem de zoneamento espectral para esgotamento. O conhecimento dessas distribuições pode melhorar muito a análise e avaliação dos PBRs.

O esgotamento de hiperfidelidade (HxF) de reatores de leito de seixos (PBRs) é definido como a capacidade de modelar o esgotamento para cada seixo individual, ao mesmo tempo que leva em conta seu movimento através do núcleo. Isto representa uma mudança de paradigma na resolução dos desafios associados ao esgotamento dos leitos de seixos. Uma longa descrição desses desafios e a maneira como eles foram tratados anteriormente é fornecida em um artigo anterior que demonstra a viabilidade computacional do HxF1,2. Para completar, um breve resumo é fornecido aqui. Como o tamanho de uma pedra é pequeno comparado ao longo comprimento de difusão de nêutrons em um moderador de grafite, o espectro de nêutrons em cada pedra não é autodeterminado, mas depende fortemente do conteúdo das pedras adjacentes. Devido à contínua recirculação e reabastecimento dos seixos, o conteúdo de combustível dos seixos adjacentes pode diferir drasticamente, uma vez que as suas queimas são muito diferentes e não são conhecidas a priori. Um processo iterativo simples não é viável, pois um núcleo PBR típico contém algumas centenas de milhares de pedras; portanto, ferramentas anteriores abordaram este desafio dividindo o núcleo em macrozonas (cada uma contendo dezenas de milhares de seixos), dentro das quais é assumida uma composição uniforme de combustível, portanto espectro de nêutrons3,4,5,6. Estas abordagens são apenas capazes de fornecer o comportamento médio do seixo e carecem de verificação das simplificações que introduzem. O HxF, em vez disso, resolve cada pedra de forma independente, o que significa que pode fornecer distribuições detalhadas de quantidades de interesse, como queima, potência e temperatura. Como as limitações de um sistema de reator são frequentemente avaliadas com base nos extremos e não em valores médios (por exemplo, potência máxima por partícula de combustível, temperatura máxima do combustível, etc.), espera-se que os dados gerados através do HxF melhorem significativamente a nossa capacidade de avaliar a operação segura dos PBRs. Além disso, este método de maior resolução pode servir como verificação para os métodos tradicionais de zona espectral.

O objetivo final do HxF é integrar modelagem de elementos discretos (DEM) para movimento realista de pedras, transporte de nêutrons de Monte Carlo para distribuição de energia e cálculos de queima de combustível para cada pedra, e um modelo termo-hidráulico para determinar a distribuição de temperatura. Para atingir este objectivo ambicioso, em vez de implementar todas as partes numa única tentativa, foi adoptada uma abordagem progressiva. O primeiro passo foi demonstrar a viabilidade de esgotar um grande número de materiais num prazo razoável, sem depender de supercomputação. Foi comprovado1,2 que é possível esgotar até 0,5 milhão de seixos simultaneamente usando recursos computacionais relativamente limitados e num prazo de cinco a dez dias. Mais significativamente, foi demonstrado que o HxF é uma ferramenta poderosa para melhorar a nossa compreensão dos PBRs, revelando informações valiosas sobre o comportamento do combustível e do reator, como picos de potência e distribuição de queima na descarga, que de outra forma não estariam disponíveis usando ferramentas tradicionais. Finalmente, mesmo que o HxF não seja adequado para análise rápida de escopo, ele fornece um instrumento de verificação para ferramentas de baixa fidelidade.