模拟盐冷却反应堆的安全性

作者:Fatih Sinan Sarikurt，美国阿拉米达Kairos Power公司CFD和热流体工程师

世界越来越依赖电力，而核能是一种无碳能源。为了改进现有技术，Kairos Power使用计算流体动力学(CFD)和结构模拟方案研制低压高温核动力反应堆的传热系统。

随着电力需求的增加，低碳发电在全球电气化进程中发挥着重要作用。使用煤和天然气的火力发电厂提供了最好的升级机会，以消除或减少二氧化碳和其他温室气体的排放。消费者和工业公司正在寻求获得电力，为汽车提供动力，为建筑物供暖和制冷，以及使用小碳足迹来源的各种其他系统。

Ansys Fluent实现了KP-FHR中间热交换器扭曲管的设计，并为反应堆堆芯的设计提供了见解。

这就是核能的用武之地。目前占发电量的20%，核电站是无碳的。核反应堆在运行时不会产生空气污染或二氧化碳，因此它们可以帮助减少世界的碳足迹。新的核反应堆技术有可能使影响更大。

在全球450座核反应堆中，96%是水冷的。大多数在315℃左右运行，需要高压来防止水蒸发和失去传热能力。

为了提高安全性、效率、可持续性和成本，专注于先进反应堆技术的综合设计、许可和示范的Kairos Power正在开发一种独特的第四代先进核反应堆，用于商业电网发电。该公司的低压高温Kairos动力氟盐冷却高温反应堆(KP-FHR)系统降低了与水冷技术相关的风险，并且碳足迹接近于零

热交换器的扭曲椭圆管几何形状改善了传热，但摩擦损失略有增加，这意味着热交换器体积更小，运行成本更低。

Kairos电源使用Ansys流利介绍了KP-FHR中间换热器的设计特点。通过仿真，Kairos Power减少了设计迭代的次数，与物理测试相比降低了成本，缩短了整体开发时间。

该公司采用Ansys技术为安全和非安全相关系统的设计提供信息，因为Ansys致力于开发软件工具，包括Fluent和Ansys机械，符合美国核管理委员会(NRC)认可的ASME核质量保证-1 (NQA-1)要求。

复杂计算的多孔介质建模

在KP-FHR这样的系统中，熔盐流经随机填充的球床堆芯，分析其流动和传热特性是很困难的。在其他Fluent特性中，工程师在反应堆堆芯的初始设计迭代中使用了多孔介质建模，包括计算温度分布。

由于岩心中有大量的卵石，用任何其他方法模拟流场和温度场都需要大量的计算单元和不可行的计算能力。通过使用Fluent的多孔介质建模功能，工程师们用合理数量的网格单元创建了整个反应堆容器的局部平衡模型。结果，他们能够计算出反应堆堆芯不同位置的燃料、熔盐和内部结构的温度。

一种设计会影响其他设计

由于设计如此复杂，而且事关重大，凯洛斯电力公司还需要一种可靠的方法来测试扭曲的椭圆管。

利用Ansys Fluent中的马赛克网格技术，工程师创建了扭曲管束的网格，然后将结果与实验相关性进行比较。与Kairos Power工程师之前使用的其他网格划分软件相比，并行网格划分过程产生高质量网格的速度提高了8倍，并且用户输入更少。

通过仿真，Kairos Power减少了设计迭代的次数，与物理测试相比降低了成本，缩短了整体开发时间。

Fluent扭椭圆管模拟得到的压降值不仅影响扭椭圆管的设计;他们还推动了其他组件的设计要求，包括泵。此外，通过识别反应堆堆芯中的热点和冷点，模拟使工程师能够提高结构材料的完整性。最后，Fluent的缩放功能允许Kairos Power在较小尺寸的几何形状上进行快速迭代测试，加速设计评估，同时优化研究预算。

Kairos工程师通过实验收集数据的能力有限，但通过Ansys模拟，他们可以提取详细的、空间分辨的数据，以更好地了解当地情况。

Kairos工程师通过实验收集数据的能力有限，但通过Ansys模拟，他们可以提取详细的、空间分辨的数据，以更好地了解当地情况。

最终，Fluent和Mechanical帮助工程师理解:

• 几何和流动条件对扭椭圆管设计的影响
• 热点/冷点遍布整个域
• 热分层现象
• 扭曲椭圆管束数量增加时的放大行为
• 如何对工厂规模的热交换器进行建模

Kairos Power在设计、建模和测试之间的快速迭代提高了风险管理能力，并能够早期识别高风险问题。

虽然KP-FHR尚未达到商业化阶段，但Ansys仿真软件加速了设计评估，实现了测试的快速迭代，并有助于降低技术开发风险。