Recensie:

Recent verscheen het boek Thermal hydraulics aspects of liquid metal cooled nuclear reactors onder redactie van Ferry Roelofs, tevens mede-projectcoördinator van het Europese samenwerkingsproject SESAME namens NRG. Het is het sluitstuk van het vier jaar durende Europese SESAME-project dat zich richtte op de koeling en het warmtetransport van kernreactoren die gekoeld worden met vloeibare metalen. Eind maart vond de afsluitende SESAME International workshop plaats bij NRG, waarbij tijdens een officiële ceremonie het boek aan Roelofs werd overhandigd.

Redacteur Ferry Roelofs: “We hopen dat de resultaten beschreven in dit boek zullen bijdragen aan het tot stand komen van één of meerdere prototypen van dit soort reactoren wereldwijd en zo te kunnen bijdragen aan de verdere ontwikkeling en inzet van kernenergie voor een schone, betaalbare en veilige wereld.” Kernenergie is een van de belangrijkste CO2-vrij bronnen van elektriciteit wereldwijd. De meeste kerncentrales maken gebruik van uranium als splijtstof. Volgens opgave is er nog voor honderden jaren uranium om in onze energiebehoefte te voorzien en zelfs voor duizenden jaren als het mijnen van uranium uit zeewater economisch haalbaar wordt. Een nadeel van de huidige wijze van het splijten van uranium in lichtwaterreactoren is dat er slechts een fractie van het beschikbare uranium geschikt is. Door over te stappen op andere typen reactoren is het mogelijk om het uranium veel efficiënter te gebruiken en om de hoeveelheid radioactief afval van kernreactoren sterk te verminderen.

Innovatieve kernreactoren

In 2015 startte NRG het vier jaren durende Europese SESAME samenwerkingsproject. Het groots opgezette project kende 25 projectpartners, waarbij elke partner minimaal twee personen inzette en NRG als projectleider met zeven mensen aan de slag was gegaan. Eén van de belangrijkste uitkomsten van dit project is een boek over de koeling van innovatieve kernreactoren met koelsystemen van vloeibare metalen. Van deze reactoren zijn er mondiaal ongeveer dertig in bedrijf geweest. Warmtetransport wordt gezien als een van de belangrijkste uitdagingen op wetenschappelijk gebied en een mogelijkheid om tot de ontwikkeling van nieuwe innovatieve kernreactoren te komen. In het boek wordt kort aandacht besteed aan deze ontwikkeling van metaalgekoelde reactoren waarbij een paar Europese initiatieven worden uitgelicht: de natriumgekoelde ASTRID uit Frankrijk, de loodgekoelde ALFRED in een Europees consortium onder aanvoering van Ansaldo uit Italië, de Belgische loodbismuth gekoelde MYRRHA en de Zweedse kleine loodgekoelde SEALER.

Computational Fluid Dynamics

Vervolgens gaan de samenstellers in op de uitdagingen die er zijn waar het gaat om metaalgekoelde reactoren, waarna ingegaan wordt op het ontwerp, de constructie en de uitvoerig van experimenten met vloeibare metalen en bijbehorende meettechnieken. Ongeveer een derde van het boek is gewijd aan Computational Fluid Dynamics (CFD). CFD is de naam voor een verzameling numerieke methodes die met behulp van computersimulaties stromingen berekenen. Dat kan zowel in gassen als in vloeistoffen zijn. Zo wordt deze techniek bijvoorbeeld ook toegepast om ventilatie in gebouwen te onderzoeken of bij windhinder- of klimaatonderzoek. CFD neemt zo’n groot aandeel van het SESAME-onderzoek in beslag omdat experimenten van innovatieve systemen zoals met vloeibare metalen tijdrovend en kostbaar zijn en het in detail meten van vloeistofstroming en temperatuur in zo’n vloeibaar metaal uiterst complex zo niet onmogelijk is. In de introductie van dit deel van het boek leggen medewerkers Roelofs en Shams van NRG uit, dat juist vanwege bovengenoemde uitdagingen CFD een aantrekkelijke en aanvullende discipline binnen het vakgebied is om tot ontwerpen en evaluaties te kunnen komen. Roelofs: “Binnen het project is het gedrag van vloeibaar metaal als koelmiddel van een kernreactor bestudeerd. Heel fundamenteel is gewerkt aan nieuwe modellen om het warmtetransport van en naar vloeibaar metaal als koelmiddel te beschrijven. We hebben dit op verschillende niveaus bestudeerd. Van de kleinste details tot het niveau van de uitwerking in belangrijke reactorcomponenten zoals de koeling van de splijtstof, de koeling in het reactorvat, en uiteindelijk het totale koelsysteem.”

Efficiënt en economisch gebruik

In het voorlaatste hoofdstuk van het boek sommen Roelofs, Planquart en Koloszar nog een keer de best practice guidelines op voor CFD van vloeibare metalen binnen de nucleaire technologie en wijzen in de inleiding al direct op de moeilijkheid van deze discipline voor een CFD-ingenieur om uit te maken of de resultaten van een simulatie al dan niet betrouwbaar zijn. Voor de ontwikkeling van kennis op deze gebieden gaan experimenten altijd samen met ontwikkeling en validatie van geavanceerde numerieke simulatiemethodes. Door de vergroting van kennis en vernieuwing van simulatietechnieken kunnen met grotere nauwkeurigheid voorspellingen gedaan worden van het koelgedrag. Dat is uiteraard van belang voor zowel de veiligheid als het efficiënt en economisch gebruik van zo’n reactor.

Het boek is het resultaat van gedegen onderzoek door erkende experts binnen het vakgebied. NRG als coördinator geldt wereldwijd als één van de grote experts op het gebied van kennis over de koeling van metaalgekoelde reactoren. “We hopen dat de resultaten beschreven in dit boek zullen bijdragen aan het tot stand komen van één of meerdere prototypen van dit soort metaalgekoelde reactoren in Europa en wereldwijd en zo te kunnen bijdragen aan de verdere ontwikkeling en inzet van kernenergie voor een schone, betaalbare en veilige wereld”, aldus Roelofs.