Modelagem de elementos combustíveis nucleares em um Reator Modular de Pequeno Porte: considerações fluidodinâmicas
DOI:
https://doi.org/10.15392/2319-0612.2024.2708Palavras-chave:
Porous Zones, Fuel Assembly, SMR, CFDResumo
Este trabalho possui o objetivo de qualificar a utilização de zonas porosas para representação de elementos combustíveis de um reator SMR proposto em modelos numéricos, a fim de diminuir o custo computacional requerido para o estudo dessas estruturas. Para isso utiliza-se de métodos da fluidodinâmica computacional (CFD) para o cálculo das equações de conservação de massa, momentum e energia em relação ao volume de controle. Primeiramente, foi feita uma geometria detalhada do elemento combustível que foi utilizada para simulações isotérmicas. Os coeficientes de porosidade e de perda de carga do sistema foram determinados com base nos resultados de diferença de pressão e velocidade. Estes foram utilizados então para a configuração de uma segunda geometria, formada por hexaédros, composta por treze sub-regiões divididas de acordo com a área transversal de cada uma, sendo que cada uma possui porosidades e coeficientes de perda de carga diferentes. Por fim, os resultados das duas simulações foram comparados a fim de verificar sua convergência e para permitir a utilização da geometria porosa. Os resultados sugerem que, para modelos com um volume de controle significativamente maior que um elemento combustível, como um vaso de um reator nuclear completo, a utilização das zonas porosas é interessante, pois as variações da velocidade e diferença de pressão médias ao longo do comprimento da estrutura são pequenas, tendo o valor máximo de -10,99% na velocidade axial. Entretanto, caso o objetivo seja realizar uma análise mais detalhada de todo o conjunto, essa estratégia não é recomendada, pois certos aspectos específicos do comportamento do escoamento, como as diferenças de velocidade radial, não são bem representados.
Downloads
Referências
[1] LIOU, Joanne. International Atomic Energy Agency. Disponível em: https://www.iaea.org/newscenter/news/what-are-small-modular-reactors-smrs. Acesso em: 19 jul. 2024.
[2] AMIN, Md Ruhul et al. A Review on the Future of SMR Reactors in Nuclear Energy. Energy and Thermofluids Engineering, v. 4, p. 17-23, 2024.
[3] HEDAYAT, Afshin. A review of advanced Small Modular Reactors (SMRs) through a developed PIRT methodology. Radiation Physics and Engineering, 2023.
[4] KANG, Seong Woo; YIM, Man-Sung. Coupled system model analysis for a small modular reactor cogeneration (combined heat and power) application. Energy, v. 262, p. 125481, 2023.
[5] MATHEW, M. D. Nuclear energy: A pathway towards mitigation of global warming. Progress in Nuclear Energy, v. 143, p. 104080, 2022.
[6] FERNÁNDEZ-ARIAS, Pablo; VERGARA, Diego; ANTÓN-SANCHO, Álvaro. Bibliometric review and technical summary of PWR small modular reactors. Energies, v. 16, n. 13, p. 5168, 2023.
[7] Simscale. Disponível em: https://www.simscale.com/docs/simwiki/cfd-computational-fluid-dynamics/what-is-cfd-computational-fluid-dynamics/. Acesso em: 25 abr. 2023.
[8] WANG, Mingjun et al. A review of CFD studies on thermal hydraulic analysis of coolant flow through fuel rod bundles in nuclear reactor. Progress in Nuclear Energy, v. 171, p. 105175, 2024.
[9] WIJESOORIYA, Kasun et al. A technical review of computational fluid dynamics (CFD) applications on wind design of tall buildings and structures: Past, present and future. Journal of Building Engineering, v. 74, p. 106828, 2023.
[10] BASRI, Ernnie Illyani; BASRI, Adi Azriff; AHMAD, Kamarul Arifin. Computational fluid dynamics analysis in biomimetics applications: a review from aerospace engineering perspective. Biomimetics, v. 8, n. 3, p. 319, 2023.
[11] CHEKIFI, Tawfiq; BOUKRAA, Moustafa. CFD applications for sensible heat storage: A comprehensive review of numerical studies. Journal of Energy Storage, v. 68, p. 107893, 2023.
[12] SANTOS, A. A. C. Investigação numérica e experimental do escoamento de água em feixe de varetas representativo de elementos combustíveis nucleares de reatores do tipo PWR. 2012. PhD Theses. Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2012.
[13] Ansys INC. Ansys CFX – Solver Theory Guide. Canonsburg & United States, 2009.
[14] HAMMAN, Kurt D.; BERRY, Ray A. A CFD simulation process for fast reactor fuel assemblies. Nuclear Engineering and Design, v. 240, n. 9, p. 2304-2312, 2010.
[15] TUSAR, Mehedi Hasan et al. Porous media model simulates thermal-hydraulics of nuclear research reactors with flat and curved plate fuel assembly. International Communications in Heat and Mass Transfer, v. 153, p. 107334, 2024.
[16] VETTORAZZI, J. L. A importância do desenvolvimento do laboratório de geração nucleoelétrica (LABGENE) para a construção do submarino de propulsão nuclear. 2007. PhD Theses. Escola Superior de Guerra, Rio de Janeiro, 2012.
[17] SINIVAL, S. N. da. Indústria da Construção e Reparação Naval. Disponível em: http://sinaval.org.br/2020/06/labgene-nuclep-recebe-visita-de-autoridades-para-conhecerem-a-fabricacao-do-bloco-40-do-reator/. Acesso em: 12 jun. 2024.
[18] KIM, K.-T. The effect of fuel rod loading speed on spacer grid spring force. Nuclear engineering and design, Elsevier, v. 240, n. 10, p. 2884–2889, 2010.
[19] YOO, Y.; KIM, K.; EOM, K.; LEE, S. Finite element analysis of the mechanical behavior of a nuclear fuel assembly spacer grid. Nuclear Engineering and Design, Elsevier, v. 352, p. 110179, 2019
[20] KING, R. A. Nuclear fuel assembly bottom nozzle plate. [S.l.]: Google Patents, 1991. US Patent 5,009,839.
[21] HERNANDEZ-AVELLANEDA, A.; JIMENEZ, G.; REY, L.; MARTINEZ-MURILLO, J. C. Modelling fuel assembly flow nozzles in a spent nuclear fuel dry cask using cfd codes. Annals of Nuclear Energy, Elsevier, v. 181, p. 109540, 2023.
[22] SANTOS, Andre AC; BARROS FILHO, Jose Afonso; NAVARRO, Moyses A. Verification and validation of a numeric procedure for flow simulation of a 2x2 PWR rod bundle. International Nuclear Atlantic Conference – INAC, 2011.
[23] NAVARRO, Moysés A.; SANTOS, André AC. Evaluation of a numeric procedure for flow simulation of a 5× 5 PWR rod bundle with a mixing vane spacer. Progress in Nuclear Energy, v. 53, n. 8, p. 1190-1196, 2011.
[24] SCHWER, L. American Society of Mechanical Engineers. ASME V&V 20 - Standard for Verification and Validation in Computational Fluid Dynamics and Heat Transfer. New York, 2009.
[25] FOX, R. W.; MCDONALD, A. T.; PRITCHARD, P. J. Introduction to Fluid Mechanics. Hoboken, NJ, US: John Wiley & Sons, 1998. p. 235.
[26] CASTRO, H. F. P. Avaliação termo-hidráulica experimental de grades espaçadoras comerciais para reatores PWR e de protótipo fabricado por impressora 3D. 2020. PhD Theses. Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2020.
Downloads
Publicado
Edição
Seção
Categorias
Licença
Direitos autorais (c) 2025 Rebeca Cabral Gonçalves, Geovana Carvalho Silva, Fernando Lage Araújo Schweizer, Pedro Andrade Maia Vinhas, Keferson de Almeida Carvalho, Tiago Augusto Santiago Vieira, Vitor Vasconcelos Araújo Silva, Graiciany de Paula Barros, Andre Augusto Campagnole dos Santos
Este trabalho está licenciado sob uma licença Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Declaro que o presente artigo é original, não tendo sido submetido à publicação em qualquer outro periódico nacional ou internacional, quer seja em parte ou em sua totalidade. Declaro, ainda, que uma vez publicado na revista Brazilian Journal of Radiation Sciences, editada pela Sociedade Brasileira de Proteção Radiológica, o mesmo jamais será submetido por mim ou por qualquer um dos demais co-autores a qualquer outro periódico. Através deste instrumento, em meu nome e em nome dos demais co-autores, porventura existentes, cedo os direitos autorais do referido artigo à Sociedade Brasileira de Proteção Radiológica, que está autorizada a publicá-lo em meio impresso, digital, ou outro existente, sem retribuição financeira para os autores.
Licença
Os artigos do BJRS são licenciados sob uma Creative Commons Atribuição 4.0 Licença Internacional, que permite o uso, compartilhamento, adaptação, distribuição e reprodução em qualquer meio ou formato, desde que você dê o devido crédito ao (s) autor (es) original (is) e à fonte, forneça um link para a licença Creative Commons, e indique se mudanças foram feitas. As imagens ou outro material de terceiros neste artigo estão incluídos na licença Creative Commons do artigo, a menos que indicado de outra forma em uma linha de crédito para o material. Se o material não estiver incluído no licença Creative Commons do artigo e seu uso pretendido não é permitido por regulamentação legal ou excede o uso permitido, você precisará obter permissão diretamente do detentor dos direitos autorais. Para visualizar uma cópia desta licença, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
