Magyar Tudományos Akadémia KFKI Atomenergia Kutatóintézet
1121 Budapest, Konkoly Thege Miklós út 29-33. * Postacím: 1525 Budapest 114, Pf. 49. * Telefon: +36 1 392 2222 * E-mail: aeki@aeki.kfki.hu

Kutatási terület - Takács Antal

Az 1998 elõtti években a termohidraulikai jelenségek fizikájával, modellezéssel, a finn SMABRE TH rendszerkóddal (VTT), PMK-mérések kiértékelésével, a francia-német ESCADRE súlyos baleseti kóddal és a FLUENT CFD kóddal foglalkoztam. A kritikus DNBR kiértékelés kapcsán Biró Edit és Trosztel István kollégáimmal használtam a COBRA-szubcsatorna kódot és vizsgáltam a VVER-specifikus Bezrukov- és Szmolin-kritikus hõfluxus korrelációkat. Hidraulikai számításaimmal közremûködtem egy VVER-440/V213 specifikus adatbázis összeállításában, amely késõbbi termohidraulikai biztonsági számítások elvégzéséhez tartalmazza a legszükségesebb információkat.

A francia CATHARE2 termohidraulikai rendszerkódról és az ezzel kapcsolatos hazai tevékenységrõl

A CATHARE kód hivatalos logója.

1998 óta vagyok a CATHARE TH számítások témavezetõje a Termohidraulikai Laboratóriumban.

A CATHARE francia termohidraulikai rendszerkód az elmúlt 20 év során a hazai biztonsági kultúra részévé vált, az amerikai RELAP5 (US NRC) vagy a német ATHLET (GRS) termohidraulikai ún. best-estimate rendszerkódokhoz hasonlóan. 1990 és 1998 között Dr Hózer Zoltán kollégám és barátom -aki most a Fûtõelem Laboratórium vezetõje- vezette a CATHARE kóddal kapcsolatos tevékenységet, amelybe több kollégámmal alkalomszerûen, projekttõl függõen bedolgoztunk (Farkas Istvánné és Dús Magdolna). Dr Hózer fejlesztette ki azt a kéthurkos CATHARE számítási modellt a VVER-440/V213-ra, amely a késõbb kifejlesztett hathurkos modell alapját képezte. A hathurkos modell fejlesztése 1999-ben kezdõdött.

A CATHARE-kóddal kapcsolatos legfontosabb tevékenység az elmúlt tíz évben a meglévõ kéthurkos modell geometriai és szabályozási logikák átdolgozása, szétbontása volt a hathurkos modell kívánalmainak megfelelõen. A hathurkos modell egyik fõ elõnye a kéthurkoshoz képest, hogy a biztonsági számításokban tükrözni képes a hurkok közötti asszimetriákat.

Vizsgálataink tárgya elsõsorban a reaktorzóna hûthetõsége különbözõ baleseti szituációkban konzervatív biztonsági konfigurációkat feltételezve. A különbözõ erõmûvi vagy kismodell-tranziensek elemzésében fontos szerepe van a releváns kétfázisú áramlási és hõtani jelenségek ismeretének.

A CATHARE kód fejlesztése a hetvenes évek közepére nyúlik vissza (CEN Grenoble, Franciaország), amikor részben sürgetõvé vált, részben a számítástechnika fejlettsége már lehetõvé tette nagy rendszerkódok kifejlesztését nyomott könnyûvizes reaktorok (még: BWR, RBMK,...) üzemi és üzemen túli tranzienseinek szimulációjára.

A CATHARE kód alapvetõen hategyenletes kétfolyadék-modellre épül, alapközege a víz. Felépítését Delhaye és mások azon hatvanas évekbeli elgondolása tette lehetõvé, hogy a kétfázisú folyadék leírását a víz/vízgõz sûrûségének legkevesebb 3 nagyságrendnyi eltérése okozta problémákat a fázisok szétválasztásával kerülték meg. Így a kontinuum-mechanika egyenleteit szétválasztották két fázisra, a transzportegyenleteket (tömeg, energia, impulzus) külön-külön írták fel és így adódik a hat parciális differenciálegyenletbõl (PDE) álló rendszer. Kezdetben egyetlen térdimenziós idõfüggõ egyenleteket írtak fel, így adódik a hat alapegyenlet, amelyekhez a két fázis mechanikai és termikus kölcsönhatását különbözõ empirikus és/vagy elméleti korrelációkkal vették figyelembe. Mivel a CATHARE nem súlyos baleseti kód, a folyadékot határoló geometria idõben nem változhat. Ugyanezért nem számol a burkolatban termelõdõ esetleges oxidációs hõvel sem.

A korrelációkat ún. SET mérésekkel (szeparált effektus) ellenõrizték vagy állították fel, ez az ún. kvalifikációs fázis. Az ún. validációs fázisban a kód együttes teljesítményét ellenõrzik, integrális berendezéseken végzett mérések (IET) utószámításával. Az ellenõrzés bázisául egy szigorú követelmények szerint összeállított kódvalidációs teszt-mátrix (CVM) szolgál.

A verifikációban használt integrális mérési eredményeket olyan berendezések szolgáltatták többek között, mint a LOFT, a LOBI, a ROSA, a PACTEL, a BETHSY, stb. és bár az új verzió mátrixában pénzügyi okok miatt már nem szerepel, mégis kellõ büszkeséggel jelenthetjük ki, hogy az AEKI THL-nél tervezett és kivitelezett PMK2-berendezésen elvégzett egyik mérés az 1.3L verzió verifikációs mátrixának eleme volt.

Jelenleg a képességeiben jelentõsen bõvített CATHARE2V2.5 verzió az elterjedt (4. generációs reaktorok, nátrium, gáz és egyéb hûtõközegek, stb.), de a CATHARE2V1.3L verziót a mai napig használják az újabb kódverziókkal kapcsolatos benchmark-okra és nagy töréses események számítására.

A CATHARE2V2.5 verzió mögött körülbelül 6-800 mérnökévnyi munka van. Ma kb. 930,000 FORTRAN sorból áll a kód. Világszerte úgy kétszáz CATHARE-felhasználót tartanak számon, a legtöbb értelemszerûen francia (CEA, IRSN, EDF, AREVA), de nagy érdeklõdést tapasztaltam a kínaiak, a vietnamiak részérõl is. Magyarországon egyetlen felhasználója vagyok.

Moduláris felépítésû, a geometriát a 0D (VOLUME), az 1D (AXIAL), a T (TEE) elem mellett a 3D modullal (THREED) lehet leírni, ezeket junction-ök kötik össze. A THREED modul 10 egyenletbõl áll (3-3 impulzus, 2 tömeg, 2 energia). Ami a zóna leírását illeti, pontkinetikus modellt tartalmaz, de számos más kóddal kapcsolható, 3D kinetikával (pl. CHRONOS), a CEN Cadarache-ban kifejlesztett ICARE mechanisztikus zónadegradáció-szimuláló kóddal vagy CFD kóddal (pl. FLICA) is. A fejlesztés a CATHARE3 kód felé folyik, amely teljességében C-nyelvû lesz a könnyebb csatolhatóság és a grafikai megjelenítés tágabb lehetõségei miatt. A V2.5 mellé grafikus csomag is jár: a GUITHARE nevû software segít a nodalizáció elkészítésében, vizuális ellenõrzésében és az eredmények megjelenítésében. A szabályozási logikák tekintetében egyelõre nincs vizuális jellegû segítség, a CATHARE által rögzített operátori eszköztár alapján kell a logikákat beprogramozni.

Fontos tulajdonsága a kódnak, hogy a felhasználói hatás (user effect) csökkentése végett minimális azon fizikai modellek száma, amelyek az inputban (felhasználói felületen) átparametrizálhatók (a numerika is elzárt a felhasználó elül). Két ilyen, erõsen geometriafüggõ fizikai modul van: a CCFL (gõz-víz ellenáramlás leírása pl. a zóna és a felsõ keverõtér között felsõ elárasztáskor) és a REFLOOD (nagy LOCA esetén a felhevült zóna újranedvesítési folyamata) modulok. A CATHARE a csöveken csak radiális hõátadást számol, azonban REFLOOD esetén axiális hõtranszportot is figyelembe kell venni. Tehát kétdimenziós hõátadást kell számolni úgy, hogy az újranedvesítési front helyzete változik. Numerikusan ez egy kétdimenziós, a nedvesítési fronttal azonos sebességgel mozgó finom rácson történõ számítással történik. A hõátadás jellege ebben a fizikai szituációban hangsúlyosan nemlineáris. Külön kezeli a kód az alulról és a felülrõl történõ elárasztást, mivel a felsõ esetén a zónába lezúduló víz mozgását gátolja a fûtõelemeken képzõdõ gõz (ezért ebbe az ún. TOP-DOWN reflood modellbe egy külön Wallis-típusú CCFL-korreláció is be van építve).

Ami a hazai felhasználást illeti, elsõsorban az OAH-nak végzünk -lévén az AEKI Technical Support Organization- a CATHARE-ral elemzéseket a paksi VVER-440/V213 reaktorra, a PMK2 berendezésre illetve nemzetközi projektekben is megjelenünk.

1999 óta elkészítettem a paksi reaktor hathurkos CATHARE-modelljét, amelyet minden egyes újabb kódverziónál felülvizsgálunk és szükség esetén módosítunk.

A kóddal kapcsolatos ismereteket egyes mért PMK2 tranziensek számításai bõvítették, a PMK2-vel kapcsolatos tapasztalatokat a hathurkos reaktormodellben hasznosítottam.

Jelenleg zárunk le egy négyéves OAH projektet, amelyben az APROS kódot használó BME NTI-vel közösen végeztünk validációs tevékenységet.

A CATHARE-ral kapcsolatos tevékenységem listája a Publikációk címszó alatt fellelhetõ.

Kérem, hogy amennyiben hibát, elütést észlel a Nyájas Olvasó e leírásban, vagy kérdése van a területtel kapcsolatban, forduljon hozzám bizalommal.

Érdekességek az áramlástan világából

Buborék vízcseppben mikrogravitációban.

1. Egy kis fizika a Nemzetközi Ûrállomásról (2003.05.22.)

Kis gömbölyû vízcsepp ül egy növény levelén, középen egy mozdulatlan buborék. Ez is csak a világûrben történhet meg...

Az itt bemutatott képet Nyikolaj Budarin, a Nemzetközi ûrállomás legénységének orosz tagja készítette. A lencsevégre kapott jelenet a súlytalanság (vagy mostanában elterjedt nevén mikrogravitáció) legalább három, a földi szemlélõ számára meglehetõsen furcsa következményét illusztrálja.

Elõször is, a vízcsepp nem gördül le a pici levélrõl, ahogy itt lenn a földön azt joggal várhatnánk. Másrészt a csepp tökéletesen gömbölyû, arra utalva, hogy alakját csupán a vízmolekulák közt ható összetartó erõk határozzák meg.
A leglátványosabb mégis a csepp közepén levõ piciny buborék, amely felhajtó erõ híján nem "kívánkozik" a folyadék felszínére.