مقدمه

مطالعات تجربی و محاسباتی روی راکتورها نشان میدهند که میتوان با بهینه سازی، شار حرارتی بحرانی را به همان میزانی که شکافت هستهای افت میکند برداشت کرد . بررسیهای اخیر بر این دلالت دارد که کاربرد نانو ذرات/آب (نانوسیال) در مدار اول یک راکتور آب سبک باعث برداشت بهتر حرارت از قلب خواهد شد.[۱ ۷ ۸ ۹ ۱۰] در مقالات قبلی، تاثیر نانوسیالات مختلف و با کسرهای حجمی متفاوت از نانو ذرات روی راکتور هسته ای VVER-1000 در یک مقیاس واقعی بررسی شد.[۲] از آنجا که تنظیم قدرت راکتور و کنترل واکنش زنجیرهای شکافت توسط سیستم تعدیل راکتیویته یعنی سیستم تنظیم بور و سیستم میلههای کنترل انجام میگیرد، مطالعهی اثرات نانوسیالات بر میله های کنترل ضرورت دارد.

روش کار

الف) توصیف راکتور VVER-1000

۷۲۸

یکی از انواع راکتورهای هستهای قدرت در حال گسترش در دنیا راکتور آب تحت فشار (PWR) میباشد. نیروگاه هستهای بوشهر، یک راکتور PWR با توان حرارتی ۳۰۰۰ MW(t) است که خنککننده و کندکننده آن آب میباشد و به مدل (VVER-1000) معروف است. قلب این راکتور شامل ۱۶۳ مجتمع سوخت و هر یک از مجتمعها نیز دارای ۳۱۱ میله سوخت است. ساختار مجتمعهای سوخت بگونهای است که علاوه بر میلههای سوخت، شامل کانالهایی موسوم به کانال هدایت است که میلههای کنترل و نیز میلههای سموم مصرفشدنی در آنها جا میگیرند درون هر مجتمع علاوه بر میلههای سوخت بسته به نوع مجتمع، ۱۸میلههای کنترل و یا ۱۸میله جاذب سوختی (سموم مصرف شدنی) وجود دارد. سطح مقطع بالایی قلب راکتور VVER-1000 به همراه اطلاعات قلب در شکل ۱ نشان داده شده است.

شکل -۱ نمایی بالایی قلب راکتور

VVER-1000

در این تحقیق برای طراحی هندسی و اعمال مواد ساختاری قلب از دادههای سازمان انرژی اتمی ایران (AEOI) استفاده شده است.[۳] دادههای طراحی قلب راکتور بوشهر در جدول ۱ نشان داده شده است.

ب) شبیهسازی قلب

کد مونت کارلوی -N ذرهای MCNPX 2,3,0 و یک سری دادههای کتابخانه سطح مقطع نوترونی موسوم به ENDF/VII برای پیشبرد یک مدل سه بعدی دقیق از قلب راکتور VVER-1000 بکار برده شد .[۴] برای مدل سازی قلب ۸ نوع مجتمع سوخت با غنای متوسط ۱/۶ تا ۴/۰۲ به همراه میلههای کنترل، میلههای سم سوختی

۷۲۹

H3BO3/Al2O3

و کانالهای اندازه گیری برای چرخه سوخت اولیه شبیه سازی شد. مجتمع سوخت نوع ۳۶ و مقطع هندسی قلب با استفاده از قابلیتهای نرم افزار Visual Editor در شکل ۲ نشان داده شده است. برای انجام مطالعات روی قلب راکتور و شبیه سازی تحت شرایطی که قلب با چرخه سوخت اولیه بارگذاری شده و درصد قدرت آن ۰% = ، بدون سموم( Xe-135 و ( Sm-149 ناشی از سوختن اورانیوم و خنک کننده در غلظت ۱۶g/kg و دمای قلب ۲۸۰oC قرار دارد انجام شد.

ج) مدلسازی قلب

برای چرخه اول، قلب شامل ۱۶۳ مجتمع سوخت است که بصورت شبکه شش وجهی منتظم مرتب شدهاند. از آنجا که دمای خنک کننده در وضعیتهای مختلف قلب ثابت نمیباشد بنابراین چگالی نانو سیالها نیز با تغییر دما تغییر میکند. از مطالعات انجام گرفته روی نانوسیال /Al2O3) آب) در کسرهای حجمی مختلف نشان می دهد که چگالی نانوسیالها برای کسرهای حجمی مختلف با افزایش دما کاهش مییابد. تغییر چگالی نانوسیال با دما طبق رابطه زیر محاسبه میشود :[۵]
(۱)× ۱ − ) ( ) + ( ) ) (t) =

در اینجا (t) ، (t) و (t) به ترتیب چگالی وابسته به دمای نانوسیال، خنک کننده و نانو ذره هستند
و کسر حجمی نانو ذره در خنک کننده میباشد. ضریب تکثیر نوترون، eff، از مهمترین پارامترهای طراحی

و کنترل راکتورهای هستهای هستند که همواره مدنظر محققان راکتور میباشد. هرگونه تغییری در هندسه قلب

و در مواد ساختاری بر وضعیت بحرانی راکتور و در نتیجه بر eff اثر میگذارد. مطالعات بکارگیری نانوسیالها

در راکتورهای آب سبک نشان میدهد که در غلظتهای پایین، نانوذرات آلومینا اساسا در برابر نوترونها شفاف هستند و برهمکنش با نانو ذرات اندک است. در محاسبات بحرانی، آن چه مورد جستجو است، یک مقدار بهینه از کسر حجمی نانو ذرات است که بر بحرانیت راکتور میزان کمی اثر بگذارد. برای غلظتهای خیلی کم نانوسیال، اثراتشان در خاصیت انتقال حرارت ناچیز است. در حال که برای غلظتهای بالا، ضریب تکثیر مؤثر به شدت افت میکند .[۶] در این تحقیق برای بررسی اثرات نانوسیال بر میلههای کنترل از نانوسیال
با کسر حجمی بهینه ۰٫۰۰۱ استفاده شده است. این نمونه از نانوسیال با این کسر حجمی در

مطالعات قبلی بر روی نانوسیالها پیشنهاد شده بود که نشان داد، برای افزایش شار حرارتی بحرانی در طی عملیات معمولی، نانو ذره با کمترین اثرات منفی روی eff و فاکتور پیک قدرت محلی ، آلومینا با کسر حجمی ۰٫۰۰۱ است.[۲]