Obor: Jaderná energetická zařízení

Témata diplomových prací pro školní rok 2014/2015 (předpoklad odevzdání 2016)
Obor: Jaderná energetická zařízení
Následuje seznam témat vypsaných Ústavem energetiky (obor jaderná energetická zařízení) a
spolupracujícími organizacemi.
Témata ústavu energetiky
1. Bezrozměrná analýza pro potřeby jaderné energetiky
Vedoucí: Doc. Václav Dostál, Sc.D.
Práce se bude věnovat aplikaci bezrozměrné analýzy na experimentální zařízení pro
potřeby jaderné energetiky – jak správně volit parametry experimentálního zařízení, aby
bylo dosaženo potřebných podobností.
2. Chlazení energetického fúzního reaktoru DEMO
Vedoucí: Doc. Václav Dostál, Sc.D. / konzultant: Ing. Slavomír Entler (CV Řež)
Pro dosažení průmyslové produkce elektřiny je v současnosti rozhodující výstavba a
zprovoznění reaktoru ITER. Na základě zkušeností získaných z provozu reaktoru ITER
bude realizován další krok k výrobě elektřiny z fúze – výstavba demonstrační elektrárny
DEMO s fúzním reaktorem o energetickém výkonu 2 až 4 GW. Student se seznámí s
problematikou technologie fúzních reaktorů z hlediska získávání energie, vypracuje
přehled aktuálního stavu výzkumu jaderné fúze a určí hlavní úkoly, které je nutné
vyřešit po vybudování fúzní elektrárny.
Klíčovým úkolem práce je návrh a výpočet chlazení fúzního reaktoru. Student porovná
dostupná chladící média s podmínkami panujícími v reaktoru, vybere média vhodná pro
toto prostředí a pro tato vybraná media provede analýzu chlazení reaktoru. Na základě
analýzy student vybere nejvhodnější chladící médium a jeho pracovní parametry.
Student také zváží možnost použití více médií pro chlazení různých částí reaktoru. Své
rozhodnutí student podrobně doloží včetně srovnávacích termohydraulických výpočtů.
V druhé části práce student navrhne primární okruh chlazení reaktoru s vybranými
médii a provede jeho hodnocení. Cílem práce je identifikace technicky, ekonomicky a
bezpečnostně nejvhodnějšího řešení chlazení fúzního reaktoru DEMO.
3. Řešení sekundárního okruhu fúzní elektrárny DEMO
Vedoucí: Doc. Václav Dostál, Sc.D. / konzultant: Ing. Slavomír Entler (CV Řež)
V blízké budoucnosti budou zahájeny projektové práce na první fúzní elektrárně. Již
nyní jsou k dispozici předběžná data o parametrech prvních fúzních energetických
reaktorů a možném řešení primárního chladicího okruhu.
Klíčovým úkolem zadání je porovnání a výběr vhodných variant sekundárního okruhu
fúzní elektrárny DEMO na základě parametrů předpokládaných variant primárního
okruhu. Student obdrží parametry čtyř variant primárních okruhů a provede křížovou
analýzu těchto okruhů s možnými řešeními sekundárních okruhů. Na základě analýzy
vybere vhodné kombinace primárních a sekundárních okruhů.
V druhé části práce pro vybrané kombinace okruhů student vypočítá účinnost výroby
elektrické energie a provede jejich hodnocení z technicko-ekonomického hlediska.
1
Cílem práce je nalezení technicky, ekonomicky a bezpečnostně nejvýhodnější
kombinace různých řešení chladících okruhů fúzní elektrárny.
4. Postup chladící fronty rewettingu (opětovném zaplavení) při havarijním chlazení
Vedoucí: Doc. Václav Dostál, Sc.D.
Rešerše teoretických modelů rewettingu ve složitých geometriích, analýza naměřených
dat a ověřování nových modelů postupu chladící fronty.
5. Teplotní pole v systému DHR demonstrátoru ALLEGRO.
Vedoucí: Doc. Václav Dostál, Sc.D.
Cílem je pomocí CFD spočíst rozložení teplot v komínech systému odvodu zbytkového
tepla (DHR – Decay Heat Removal) v nominálních podmínkách (tj. počáteční podmínka
pro havarijní stav) pro dvě různé varianty:
1. Stagnující atmosféra v systému DHR (ventil ve výměníku DHR uzavřen)
2. Kondiciovaná atmosféra systému DHR (malý řízený průtok chladiva systémem DHR
pro zajištění požadovaného delta T mezi hot a cold duct potrubí DHR)
6. Vyhořívající absorbátory jaderných paliv s použitím hafnia.
Vedoucí: Doc. Radek Škoda, Ph.D.
Na základě dat z modelu UWB1 navrhněte nové pokrytí jaderného paliva na bázi Hf,
které bude též plnit funkci vyhořívajícího absorbátoru. Proveďte ekonomické
zhodnocení pro Vámi vybraný jaderný reaktor. Vyjděte ze stávající literatury a ze
zkušeností s modelem UWB1.
7. Použití ThO2 ke zvýšení tepelné vodivosti LWR paliv.
Vedoucí: Doc. Radek Škoda, Ph.D.
Na základě dat z modelu UWB1 navrhněte nové jaderné palivo na bázi UO2 a ThO2,
které bude též zlepšovat tepelnou vodivost. Proveďte ekonomické zhodnocení pro Vámi
vybraný jaderný reaktor. Vyjděte ze stávající literatury a ze zkušeností s modelem
UWB1.
8. Testy neutronové kamery.
Vedoucí: Doc. Radek Škoda, Ph.D.
Za použití reaktoru LR-0 proveďte testy neutronové kamery NVT90 na směsné pole
neutronů a gama. Použijte Au fólie a HPGe detektor, popřípadě pixelový detektor.
Vyjděte ze stávající literatury a ze zkušeností s kamerou NVT90.
9. Použití materiálů s fázovou změnou v zadní části palivového cyklu.
Vedoucí: Doc. Radek Škoda, Ph.D.
Prostudujte možnosti zadní části palivového cyklu a navrhněte použití PCM pro zvýšení
jaderné bezpečnosti. Zaměřte se na mokré i suché mezisklady.
2
10. Ověření výpočetního modelu reaktoru VVER-440 na naměřených datech
Vedoucí: Ing. Pavel Zácha, PhD.
Na stávajícím výpočetním modelu celého reaktoru VVER-440 provést simulace s
podchlazenými smyčkami. Cílem je stanovení příspěvku jednotlivým kazetám od dané
smyčky. Upřesnění:
- zdroj viz Ph.D. ing. Záchy,
- data z JE Mochovce/Dukovany,
- výpočty se provedou pro všechna měření (vždy je podchlazena pouze 1 smyčka).
11. Optimalizace divertoru energetického fúzního reaktoru DEMO
Vedoucí: Ing. Pavel Zácha, PhD. / konzultant: Ing. Slavomír Entler (CV Řež)
Divertor je nejvíce zatížené vnitroreaktorové zařízení fúzních reaktorů. Předpokládaný
tepelný tok na terče divertoru osahuje 20 MW/m2. Proto je řešení divertoru intenzivně
vyvíjeno v různých variantách, z nichž bude při experimentálních testech vybrána ta
nejvhodnější.
Klíčovým úkolem zadání je návrh nové konstrukce divertoru na základě současných
variant, která by mohla tepelným tokům odolat. Student obdrží technický popis čtyř
aktuálních variant provedení divertoru a provede jejich porovnání prostřednictví
simulace v prostředí ANSYS. Na základě výsledků simulace student vyhodnotí
jednotlivé varianty řešení a vybere nejlepší řešení.
Druhou částí práce bude vlastní návrh studenta na zlepšení termomechanických a
termohydraulických vlastností divertoru. Student zpracuje tento návrh v prostředí
ANSYS a vyhodnotí přínos navržených změn. Tento krok bude student opakovat
formou iterace směrem k optimalizaci konstrukce divertoru. Cílem práce je zdokonalení
konstrukce divertoru reaktoru DEMO.
12. Optimalizace první stěny energetického fúzního reaktoru DEMO
Vedoucí: Ing. Pavel Zácha, PhD. / konzultant: Ing. Slavomír Entler (CV Řež)
První stěna reaktoru DEMO bude vystavena tepelnému toku až 5 MW/m2. Současně
musí umožnit bezztrátový průchod fúzních neutronů. Proto je řešení první stěny
intenzivně vyvíjeno v různých variantách, z nichž bude při experimentálních testech
vybrána ta nejvhodnější.
Klíčovým úkolem zadání je vytvoření modelu současných variant první stěny reaktoru
DEMO. Student obdrží technický popis čtyř aktuálních variant provedení první stěny a
provede jejich porovnání prostřednictví simulace v prostředí ANSYS. Na základě
výsledků simulace student vyhodnotí jednotlivé varianty řešení a vybere nejlepší řešení.
Druhou částí práce bude vlastní návrh studenta na zlepšení termomechanických a
termohydraulických vlastností první stěny. Student zpracuje tento návrh v prostředí
ANSYS a vyhodnotí přínos navržených změn. Tento krok bude student opakovat
formou iterace směrem k optimalizaci konstrukce první stěny. Cílem práce je
zdokonalení konstrukce první stěny reaktoru DEMO.
3
13. Problematika podchlazeného varu v jednoduchém kanálu a jeho simulace pomocí
CFD
Vedoucí: Ing. Pavel Zácha, PhD nebo Ing. Václav Železný / konzultace Ing. Tomáš
Romsy
Student provede rešerši z oblasti problematiky krize varu. Provede rozbor schopností
stávající verze CFD programu ANSYS Fluent modelovat podchlazený var. Popíše
v programu dostupné modely dílčích fyzikálních jevů, které lze využít pro simulaci
proudění s podchlazeným varem. Jedná se o modely dvoufázového proudění, modely
pro přenos hybnosti, tepla a hmoty mezi fázemi, modely varu na stěně a modely pro
přenos mezifázového rozhraní. Pomocí těchto modelů provede simulaci několika
vybraných experimentů s podchlazeným varem realizovaných na ASU (Arizona State
University) a výsledky porovná s dostupnými experimentálními daty.
14. CFD simulace míšení chladiva v reaktoru VVER-1000
Vedoucí: Ing. Václav Železný
Student vytvoří model sestupné šachty a dolní směšovací komory reaktoru jaderné
elektrárny Kozloduj. Je možné využít a upravit existující model reaktoru ETE, neboť
reaktory se liší pouze polohou vstupních hrdel. S pomocí vytvořeného modelu bude
student v CFD programu Fluent simulovat experiment s míšením provedený na JE
Kozloduj. Provede několik simulací s různými pokročilými modely turbulence typu
RANS a výsledky porovná s experimentálními daty.
15. CFD simulace studeného jazyka po zahájení vstřikování vysokotlakého systému
HCHAZ
Vedoucí: Ing. Václav Železný, Ing. Pavel Zácha, PhD.
Student vytvoří idealizovaný model smyčky se vstřikem a pomocí CFD programu
Fluent ověří platnost kritéria pro teplotní stratifikaci. Model bude založený na geometrii
studené větve smyčky reaktoru VVER-440. Na vytvořeném modelu bude možné
otestovat vliv clony ve vstřikovacím potrubí na míšení ve smyčce.
Hlavním výstupem by mělo být provedení dvou simulací tvorby studeného jazyka pro
zadaný průtok a teplotu vstřiku. První simulace bude bez proudění od HCČ, druhá s
prouděním od HCČ. Výsledky porovná s existujícími výsledky z programu regionálního
míšení. (2 úlohy po 300s). Pro práci je možné využít a dále modifikovat již existující
model pro simulaci tlakově teplotního šoku.
16. CFD simulace vyhodnocení vlivu úniku teplého chladiva okolo dělícího prstence
Vedoucí: Ing. Václav Železný
Vyhodnocení vlivu úniku teplého chladiva okolo dělícího prstence mezi hrdly
studených a teplých větví smyček primárního okruhu. Simulace vybraného scénáře
tlakově-teplotního šoku na nátrubek se zohledněním mezery mezi dělícím prstencem a
košem aktivní zóny.
4
17. CFD simulace míšení v horní směšovací komoře experimentálního zařízení
ROCOM.
Vedoucí: Ing. Václav Železný
Student vytvoří model horní směšovací komory experimentálního zařízení ROCOM a
provede počítačovou simulaci vybraných experimentů s míšením se zaměřením
například na problematiku ředění bóru. Simulaci provede s několika různými modely
turbulence. Výsledky budou porovnány s experimentálními daty.
18. Analýza nesymetrií teplot na výstupu z palivových kazet
Vedoucí: Ing. Pavel Zácha, PhD / konzultace: Ing. Václav Bláha CSc.
Vytvoření algoritmu pro analýzu nesymetrií teplot na výstupu z palivových kazet a jeho
verifikace na reálných datech. Výstup bude sloučit pro rychlé stanovení rozložení
výkonu v aktivní zóně jaderného reaktoru a identifikaci, zda případné nesymetrie
nepřekračují předpokládané meze. K dispozici jsou reálná data z měření na
elektrárnách.
19. Tvorba modelu pro CFD simulace časové odezvy snímačů teploty na horké větvi
primárního okruhu reaktoru VVER 1000
Vedoucí práce: P.Zácha nebo V.Železný; konzultanti: V. Bláha, O. Burian
Cílem práce je vytvořit geometrii části horké větve primárního okruhu rektoru VVER
1000 v místě, kde se nachází jímky odporových teploměrů měření výstupní teploty,
včetně jímek a měřících části odporových teploměrů. V další fázi provede diplomant
několik (1-2) výpočtů (ANSYS FLUENT) základních přechodových dějů v horké větvi
s cílem možnosti sledování časové odezvy jímek a měřících části teploměrů na daný
přechodový děj. Vypočítané výsledky lze porovnat s dostupnými provozními daty,
naměřenými na skutečném zařízení.
Účelem celé práce je vytvoření modelu pro studium přechodových dějů instrumentace
měření teploty na horké větvi. Dále se zde nachází prostor pro další téma DP zaměřené
na podrobnější výpočty přechodových dějů a zpřesnění vytvořeného modelu.
Dostupné podklady: podrobná dokumentace skutečného stavu jímek, provozní data
naměřená na skutečném zařízení.
5