STRUCTURE-INFORMED MODELING OF GAS DIFFUSION IN NUCLEAR GRAPHITE USING EXPLODED-DISCRETE EXTERIOR CALCULUS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Final Thesis Draft) Final Thesis Draft_g202321430.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 31 December 2026. Download (4MB)

Arabic Abstract

يُعدّ الطلب المتنامي على الطاقة منخفضة الكربون، والدور المحوري للطاقة النووية في تحقيق الاستدامة، من أبرز الدوافع التي تستوجب فهماً معمّقاً للمواد التي تكفل سلامة المفاعلات وكفاءة تشغيلها. ويُستخدم الجرافيت النووي من نوع الجرافيت متساوي الخواص درجة 110 (IG-110) على نطاق واسع مادةً مُهدِّئةً للنيوترونات في تصميمات المفاعلات المتقدمة، إذ يتميز ببنية مجهرية مسامية بالغة التعقيد تتحكم في انتشار الغاز عبره، وتؤثر بالتالي في الأداء الحراري والسلامة البنيوية على المدى البعيد. غير أن أساليب النمذجة التقليدية إما تُفرط في تبسيط هذه البنية المجهرية، أو تنطوي على تكاليف حسابية باهظة تحول دون دقتها التنبؤية. تُقدّم هذه الدراسة إطاراً حسابياً حافظاً للبنية، مبنياً على حساب التفاضل الخارجي المنفصل (Discrete Exterior CalculusDEC) لنمذجة انتقال الغاز في الجرافيت النووي متساوي الخواص درجة 110 (IG-110) يدمج هذا الإطار البيانات المجهرية المستخلصة من الأدبيات العلمية في صياغة حساب التفاضل الخارجي المنفجر المنفصل (Exploded-DEC) متعددة الأبعاد، تُخصَّص فيها المسامات الصغيرة والمسامات الكبيرة والممرات الرابطة والشقوق الدقيقة لأبعاد خلوية مستقلة ضمن مؤثر منفصل موحّد واحد، فيما تُدمج المؤثرات المُصحَّحة هندسياً الهندسةَ المجهرية المُعيَّنة مباشرةً في عملية حلّ معادلات النقل. وعند تطبيق الإطار على تحقيقات عشوائية متكررة، أسفر عن متوسط نفاذية فعّالة قدره 0.799 ميلي دارسي عند مسامية نمذجة بلغت 19.48%، متوافقاً مع الاتجاه العام لعلاقة المسامية بالنفاذية المرصود في ثلاث عينات مقاسة مستقلة من الجرافيت النووي متساوي الخواص درجة 110 (IG-110)، أبلغت عن قيم نفاذية جوهرية بلغت 0.529 و0.595 و0.770 ميلي دارسي على التوالي. تحافظ صياغة حساب التفاضل الخارجي المنفجر المنفصل (Exploded-DEC) على الهوية الفيزيائية المتمايزة لكل مكوّن من مكونات البنية المجهرية، مما يُتيح قابلية للتفسير على مستوى المكونات، ويُرسّخ مكانتها أداةً واعدة للمحاكاة الفيزيائية القابلة للتفسير لعمليات النقل في الجرافيت المسامي والمواد المتغايرة البنية ذات الصلة

English Abstract

The growing demand for low-carbon energy and the critical role of nuclear power in sustainability underscore the importance of understanding materials that ensure reactor safety and efficiency. Nuclear graphite, widely used as a moderator in advanced reactor designs, exhibits a complex porous microstructure that governs gas diffusion, influencing thermal performance and long-term structural integrity. Traditional modeling approaches either oversimplify this microstructure or incur prohibitive computational costs, limiting their predictive accuracy. This research introduces a structure-preserving computational framework based on Discrete Exterior Calculus to model gas transport in IG-110 nuclear graphite. The framework integrates literature-derived microstructural data into a mixed-dimensional Exploded-DEC formulation in which small pores, large pores, throats, and microcracks are assigned to distinct cell dimensions within a single unified discrete operator, with geometry-corrected operators incorporating the assigned microstructural geometry directly into the transport solve. Applied across stochastic realizations, the framework produced a mean effective permeability of 0.799 mD at a modeled porosity of 19.48%, following the porosity-permeability trend observed in three independently measured IG-110 specimens reporting intrinsic permeability values of 0.529, 0.595, and 0.770 mD. The Exploded-DEC formulation preserves the physical identity of each microstructural feature, offering component-level interpretability and positioning it as a promising tool for physically interpretable transport simulation in porous graphite and related heterogeneous materials.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Thesis Advisor:	Pieter Boom,
Thesis Committee Members:	Afaque Shams, Abul Fazal Arif,
Depositing User:	IKBAL AMMAR GHERSALLAH
Date Deposited:	07 Jun 2026 05:25
Last Modified:	07 Jun 2026 05:25
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144507