Thomas van de Sandt
Het is een voorbeeld van de volgende generatie veiligere kernreactoren. In een hoge-temperatuurreactor (HTR) zou – ook bij het uitvallen van de koeling – een meltdown (het smelten van de brandstofelementen) onmogelijk zijn. Over die claim is inmiddels echter twijfel ontstaan. Nuclear Research and consultancy Group (NRG) in Petten maakt computermodellen om de temperatuuropbouw in een dergelijke reactor te kunnen voorspellen. En dat blijkt een hels karwei.
Een HTR, waarvan momenteel in China en Japan testinstallaties draaien, is gevuld met brandstofballen ter grootte van een tennisbal. Deze zijn gemaakt van grafiet, waarin duizenden kleine uraniumkorreltjes zijn ingebed. Een splijtingsreactie in een HTR kan volgens deskundigen niet uit de hand lopen, omdat de ballen nooit zo heet worden dat ze smelten, dus ook niet als de koeling uitvalt. Bovendien zou de kernsplijting bij hogere temperaturen worden vertraagd. Dit zou kernsmelting moeten voorkomen. Temperatuurmetingen in een oude proefreactor van dit type in Jülich laten echter zien dat een HTR toch warmer kan worden dan gedacht, waardoor ook de claim van ‘onsmeltbare reactor’ op de tocht is komen te staan.
Om meer inzicht te verkrijgen in hoe de temperatuuropbouw in een HTR nu daadwerkelijk in elkaar zit, voert de afdeling CFD van NRG op basis van computational fluid dynamics computersimulaties uit van het ballenbed. ‘Het doel is een betrouwbaar model van honderdduizenden ballen, die willekeurig liggen gestapeld, maar daar moeten we stapje voor stapje naartoe’, vertelt Ferry Roelofs, CFD-deskundige van NRG.
Aangezien praktijktests onmogelijk waren, zijn de onderzoekers gestart met een numeriek experiment. Hierbij berekenden zij voor een heel klein bed (van één à twee ballen) op basis van de natuurkundige behoudswetten heel nauwkeurig de temperatuuropbouw. ‘Hiervoor hebben we, na enkele maanden voorbereidingstijd, acht maanden lang circa zestig computers laten rekenen’, geeft Roelofs een indruk van de complexiteit van de gebruikte modellen. ‘We zijn nu bezig met het vergelijken van meer praktijkgerichte modellen, die minder rekenkracht vergen, met de referentiedata uit het numerieke experiment.’
De volgende stap is het opschalen naar grotere ballenbedden. Hierbij treden ook weer complicaties op. ‘Nu hebben we een geïdealiseerd ballenbed in het midden van de reactor, maar aan de randen vertoont de reactor bijvoorbeeld weer een heel ander gedrag’, aldus Roelofs. Dat soort fenomenen worden bijvoorbeeld bij de TU Delft, dat in het project met NRG samenwerkt, geanalyseerd.
Hoewel het modelleren nog zeker jaren zal duren, is Roelofs positief over de betrouwbaarheid van het uiteindelijke model. ‘Bij elke modelleerstap maken we een schatting van de nauwkeurigheid van het model en na de eerste stappen zijn de resultaten hoopvol.’
Mocht uiteindelijk blijken dat het ballenbed toch te heet wordt, moet daar bij het ontwerp van toekomstige HTR’s rekening mee worden gehouden. ‘Hoe dat moet, is nog koffiedik kijken. Maar met het model dat wij ontwikkelen, hebben we in ieder geval een instrument om de gevolgen van eventuele aanpassingen door te rekenen.’
