Szuperkritikus nyomású víz fűtött csatornában történő áramlásának termohidraulikai vizsgálata
A könnyűvíz kritikus pontjánál (373,95 °C és 220,64 bar) nagyobb hőmérsékletű és nyomású tartományt szuperkritikus régiónak nevezzük. Itt már nem különböztethető meg folyadék- és gőzfázis, a közeg áramlástani szempontból leginkább egy nagyon ritka folyadékhoz hasonlítható. A régióban elsőrendű fázisátalakulás nem lehetséges, azonban a forrásgörbe képzeletbeli meghosszabbításán egy állapotváltozás során áthaladva a közeg másodrendű fázisátalakulást szenved, amelynek folyamán fontos termofizikai jellemzői (pl. sűrűség, fajlagos hőkapacitás) jelentősen megváltoznak.
Az erőművi munkaközeg nyomásának szuperkritikus tartományba emelését többnyire a hőhordozó kimeneti hőmérsékletének növelése, és ezáltal a jobb termodinamikai hatásfok elérése szokta motiválni. A fosszilis tüzelőanyagú erőművek között már az 1950-es években megjelentek a szuperkritikus nyomású munkaközeggel működő blokkok, és ennek köszönhetően az elmúlt fél évszázadban tekintélyes tapasztalat halmozódott fel a nagynyomású víz alkalmazásának területén. Habár a szuperkritikus nyomású vízzel hűtött és moderált reaktorokra vonatkozó elképzelések és tervek története is több évtizedre nyúlik vissza, ilyen erőművi reaktort még nem konstruáltak. 2001 óta azonban a GIF (Generation IV International Forum) javaslatának köszönhetően a negyedik generációs nukleáris reaktorkoncepciók között is ott található az SCWR (Supercritical-Water-Cooled Reactor), és azóta egyre szélesedő nemzetközi kutatás folyik kifejlesztése érdekében.
Az eltérő munkatartomány következtében az SCWR-ek termohidraulikája és reaktorfizikája jelentősen különbözik a hagyományos könnyűvizes reaktorokétól. A reaktorzóna áramlási paraméterinek pontos meghatározása kizárólag nagy számítási kapacitást és gépidőt igénylő, szuperkritikus tartományon is megfelelően működő numerikus háromdimenziós folyadékdinamikai kódokkal lehetséges. Közelítő számításokhoz azonban gyakran egydimenziós rendszerkódok vagy egyéb egyszerű numerikus programok használata is szóba jöhet, különösen, ha ezek sokkal gyorsabbak háromdimenziós társaiknál.
TDK munkám egy ilyen egyszerű, egydimenziós, véges térfogatok módszerén alapuló, szuperkritikus víz áramlásának tanulmányozására szolgáló termohidraulikai kód kifejlesztésére irányult. A program pilléreit az áramlástan fundamentális megmaradási egyenletei és az IAPWS (International Association for the Properties of Water and Steam) által javasolt IF-97 ajánlás alapján készült vízfüggvények alkotják. Az egydimenziós számításoknál analitikusan figyelembe nem vehető jelenségeket (pl. távtartók hatása) elterjedten használt empirikus formulák alkalmazásával építettem be a modellbe. A program verifikálásához az APROS rendszerkódot és az igényes háromdimenziós hidrodinamikai számítások elvégzésére alkalmas ANSYS CFX programot használtam.
