Цифровые Материалы представили новый подход для моделирования теплофизических свойств перспективных теплоносителей жидкосолевых реакторов
Статья Integrating moment tensor potentials with finite-element modeling for heat transfer prediction in FLiBe-based molten salt systems представляет подход, объединяющий в сквозное моделирование молекулярнодинамические расчёты с использованием машиннообучаемых потенциалов MTP и конечно-элементное моделирование. Разработанная методология направлена на ускорение разработки безопасных и эффективных жидкосолевых ядерных реакторов (ЖСР) за счёт замены дорогостоящих экспериментов на высокоточные компьютерные прогнозы.
Работа начинается с подготовки MTP на данных квантовомеханических расчётов для систем, актуальных для ЖСР: расплавов солей фторидов, в частности FLiBe с добавкой ядерного топлива UF₄ и моделирующих продукты его распада LaF₃. С помощью обученных потенциалов рассчитан ряд свойств, определяющих теплогидравлику теплоносителя — плотность, вязкость, коэффициент диффузии, теплоёмкость и теплопроводность. Основные полученные результаты расчётов представлены на рисунке.
Свойства расплава FLiBe (66:34) с добавлением UF₄, полученные в МД с MTP. Зависимости плотности (а), вязкости (б) и теплопроводности (в) от температуры. Зависимость теплоёмкости расплава от мольной доли UF₄ (г). Кластерный состав расплава FLiBe-UF₄ в зависимости от температуры (д).
Полученные расчётные свойства были сопоставлены с экспериментальными. Для составов замечено систематическое завышение коэффициентов теплопроводности и занижение вязкости примерно на 20 %. При этом качественное поведение систем воспроизводится корректно: зафиксировано увеличение плотности и вязкости и снижение теплопроводности при добавлении UF₄ и LaF₃. Таким образом, в работе показано, что, несмотря на погрешности в определении абсолютных значений свойств, качественное поведение системы и относительные изменения при добавлении топлива моделируются правильно. Моделирование также позволило качественно объяснить физику наблюдаемых изменений в свойствах расплавов солей, тяжёлые элементы ядерного топлива и продуктов его распада образуют тяжелые малоподвижные кластеры, которые увеличивают вязкость и снижают эффективность теплопереноса.
Далее нашими коллегами из ИВТЭ РАН была построена трёхмерная конечно-элементная модель экспериментальной установки, на которой исследуются расплавы солей для ЖСР и поведение его элементов. Модель была провалидирована при помощи экспериментальных данных, при этом воспроизведено поведение расплава соли в установке и тепловые потоки в ней. После этого было проведено моделирование расплавов, экспериментальное исследование которых было затруднительно из-за присутствия в расплаве ядерного топлива.
Было получено, что эффективность теплопереноса в расплаве с топливом и продуктами его деления снижается на значение от 8 до 11 % по сравнению с чистым FLiBe. При этом добавка ядерного топлива оказывает более значительное влияние на теплоперенос, чем продукты его деления.
Таким образом, разработанная методология дополняет дорогостоящие высокотемпературные эксперименты и открывает путь к быстрому виртуальному прогнозированию поведения элементов безопасных и эффективных ЖСР будущего.