סימולציות מולטיפיזיקליות סייעו לחברת Sogin S.p.A בתכנון מערכת הפחתת לחות פשוטה וחוסכת אנרגיה למטרת מניעת קורוזיה בתופים של פסולת רדיואקטיבית.

קורוזיה היא האויב חסר הרחמים של המתכת, והמאבק עימה פשוט לא יכול להיגמר כאשר מעורבים תופי פלדה עמוסים בפסולת גרעינית.
זהו המצב באיטליה, בה הופסק הייצור המקומי של אנרגיה אטומית, ועדיין קיים הצורך באחסון בטוח של פסולת רדיואקטיבית ברמה נמוכה המיוצר כתוצר לוואי של ייצור חשמל, ופעולות של מחקר, רפואה ותעשייה.
Sogin S.p.A הינה החברה האיטלקית בבעלות הממשלה האחראית על הוצאה מכלל שימוש של אתרים גרעיניים באיטליה ועל הניהול של פסולת רדיואקטיבית.

אחסון פסולת גרעינית מצריך בקרת לחות מדויקת

פרוייקט אחד של סוגין הינו השיקום המתמשך של בניין במפעל לשעבר של אנרגיה אטומית הממוקם במרכז איטליה. היעד הוא לעמוד בדרישות האיטלקיות והבינלאומיות של אחסנה זמנית של פסולת רדיואקטיבית ברמה נמוכה עד אשר הפסולת תעבור למקום האחסון הלאומי הקבוע.
המתקן הזמני הינו חלל מלבני חד קומתי במימדי 30 מ' על 15 מ' המחולק לשני חדרים. הפסולת מאוחסנת בתופי פלדה אטומים בבטון מסיבות רדיולוגיות. לתופים יש קוטר חיצוני באורך 0.8 מטרים, והאריזה מעל בקוטר של 1 מטר. לחות יחסית של 65 אחוזים ומטה חייבת להישמר בכדי למנוע קורוזיה.

ג'יאנלוקה ברבלה הינו מהנדס בניין בסוגין ומנהל הצוות בפרויקט. "הצורך בבקרת הלחות באוויר נובע מכך שהתופים עשויים מפלדה שאינה אל-חלד. האריזות העליונות מבטון משמעותן שהתופים אינם ניתנים לבדיקה בלי לחלץ אותם קודם, מה שהופך קשה יותר את הניטור הקבוע של תהליך הקורוזיה. בנוסף, האתר חשוף לכמות גבוהה של לחות יחסית. בשל כך הבקרה אחר הלחות היא נושא קריטי", הוא מסביר.

למרות זאת, ישנה עלות גבוהה בהפעלת מערכת לחימום, אוורור ומיזוג אוויר במטרה לשמור על תנאים אופטימאליים על פני 25 שנות החיים הצפויות של המתקן. בנוסף, כיוון שאין אפשרות להרחיב את המתקן, המקום שתופסת מערכת המיזוג בא על חשבון פחות מקום לאחסון הפסולת. יתרה על כך, זמן דמימה של מערכת המיזוג הוא בלתי נמנע הן בשל תפקודים לקויים בציוד והן בשל תחזוקה מתוכננת.

אלטרנטיבה פוטנציאלית היא שימוש בקולטי לחות איזותרמיים במקום, אשר קטנים באופן יחסי, ניידים, מצריכים פחות תחזוקה, ועלות תפעולם נמוכה בהרבה. יחידות אלו מבוססות על מנוע קרנו תרמי הפוך: מאוורר משגר אוויר אל תוך היחידה, אשר עובר דרך מאייד ומתקרר. לחות עודפת מהאוויר מתגבשת לטיפות מים שנופלות למיכל. לאחר מכן האוויר עובר דרך מרכז בו הוא מתחמם ע"י מספר מעלות. אחרי זה הוא חוזר לסביבה כאוויר חם ויבש יותר.

הפרוייקט של סוגין נסמך על סימולציות נומריות בכדי לחקור את ההשפעות של גדלים וקונפיגורציות שונות של שני קולטי לחות איזותרמיים תעשייתיים שונים. האנליזות בוצעו ע"י פיירג'יאני ג'רלדיני מהמחלקה לתכנון מכאני. המטרות היו לזהות דרישות ציוד וגם לקבוע מיקום אופטימלי של היחידות בחדרים.

סימולציות סייעו בקביעת התוכנית האופטימלית

הצוות חקר תחילה זרימה טורבולנטית של אוויר בחדר ע"י ביצוע של מחקרים סטאציונאריים של זרימה המבוססים על מודל של מערבולת k-epsilon חד פאזית בלתי דחיסה. מטרת הצוות היא לשכפל את שדה מהירות האוויר באזור האחסון בהנחה שקולטי הלחות בשימוש. לאחר מכן הם השתמשו בתוצאות המחקר הזה בסימולציות תלויות זמן מצומדות לחלוטין כדי ללמוד אודות מעבר החום והלחות בתוך האטמוספירה של החדר. נעשה שימוש בכלל התוצאות בפיתוח תוכנית אופטימלית לקולטי הלחות.

כל הסימולציות בוצעו בתוכנת COMSOL Multiphysics ומודול מעבר חום. "ללא שימוש בכלי סימולציה כה מתקדם, היינו מוכרחים למדל את תהליך קליטת הלחות ע"י השערות פשוטות יחד עם עקומות ביצוע של קולט הלחות המסופקות ע"י יצרני היחידות. אך הסימולציות הראו לנו כי ל- COMSOL יש יכולת עוצמתית בפתרון בעיות תלת מימדיות של מעבר חום ולחות ", אומר פיירג'יאני. "COMSOL Multiphysics מקל מאוד על הצימוד של כמה פיזיקות, הוא בעל ממשק משתמש אינטואיטיבי, והוא פותח את האפשרות של ניהול כולל של תהליך המידול באותו ממשק".

"הסימולציות עזרו לנו בתכנון מערך המבוסס על שימוש בשני קולטי לחות המספקים את אותה כמות של קליטת לחות כמו מערכים אחרים, אך כאלה המצריכים ארבע יחידות", מסכם ברבלה. "המערכת שתכננו תגביל כיסי אוויר עומדים, דבר שיאפשר למערכת לעבוד בשיא היעילות, ותסייע לנו בהפחתת הסכנה של קורוזיה בתוף ברגע שהמתקן יתגבש ויזווד".