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Tesis

Modelado de la Temperatura del PLENUM en una barra combustible para reactores de potencia en operación

2019



TesistaMatías Ezequiel LOZA PERALTA
Ingeniero en Materiales - Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina
Magíster en Ciencia y Tecnología de Materiales - Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina
DirectorDr. Alejandro SOBA.   CNEA, CONICET - Argentina
Codirector
Mag. Martín Rodolfo LEMES LAPASTA.   CNEA, UNSAM - Argentina
Lugar de realizaciónSección Códigos y Modelos - Gerencia Ciclo de Combustible Nuclear - Centro Atómico Constituyentes - CNEA - Argentina
Fecha Defensa04/01/2019
JuradoDr. Mariano Daniel FORTI. CNEA, UNSAM - Argentina
Dr. Roberto Eduardo HILAL.   CNEA, UNASM - Argentina
Dr. Esteban MOCSKOS.   UBA, CONICET - Argentina
CódigoITS/TM 197/19

Título completo

Modelado de la temperatura del plenum en una barra combustible para reactores de potencia en operación

Resumen

Una de las aproximaciones usuales en numerosos códigos de combustible es considerar que la temperatura del plenum puede igualarse a la del refrigerante. Esta consideración, en principio bastante acertada, deja de ser válida en caso de accidentes por pérdida de refrigerante (Loss of Coolant Accidents – LOCA), de incidentes diversos como el caso de picos de potencia o en ciertas geometrías particulares. Por ese motivo se ha desarrollado una subrutina dentro del código de combustible DIONISIO mediante la cual se calcula la temperatura del plenum a partir de la resolución de una ecuación de balance de energía con condiciones de contorno variables. Este modelo es bidimensional y considera simetría de revolución.

En el proceso de ampliar el dominio de trabajo del código, se propone extender el modelo dedicado al plenum a una geometría 3D, analizando la influencia de diferentes parámetros sobre el mismo, como por ejemplo el volumen, la densidad de malla, la velocidad de refrigeración y las condiciones de contorno utilizadas. El modelo desarrollado parte de un dominio tridimensional que incluye las últimas dos pastillas de la pila de UO2, la vaina de Zry, el tubo de apoyo y el tapón del mismo material, el resorte de contención y el gas interno de la barra. Con este sistema se estudia cómo varía la temperatura del plenum en función de la distancia a la fuente de calor (las pastillas) y se compara el valor promedio con la temperatura del refrigerante.

Por otra parte, y con el objetivo de mejorar la modelización del comportamiento de barras combustibles, se introduce una modificación en el sistema al considerar la simulación explícita del refrigerante en un canal efectivo alrededor de la barra. Este trabajo, que implica la utilización de elementos finitos con funciones de forma no simétricas, es la primera instancia de desarrollo y se ha testeado comparando los resultados en una barra combustible completa, para observar sus ventajas. Cae fuera del propósito de esta tesis la migración de este tratamiento del combustible al código principal.

Tanto el modelo del plenum como el de la barra completa resultan los primeros desarrollos tridimensionales dentro del kernel de DIONISIO y pretenden mejorar la predicción del comportamiento tanto en caso de operación normal como de accidente. Cabe aclarar que, si bien en condiciones normales de operación el modelo del plenum no presenta variaciones significativas con respecto al modelo utilizado anteriormente, sí se observa una mejor aproximación a los resultados experimentales en los casos de accidente.

Complete Title

Modelization of plenum temperature in a nuclear fuel rod in power reactor under operation

Abstract

One of the usual approaches in many of the fuel codes is to consider the plenum temperature equal to that of the cooler. This consideration, in principle quite correct, is no longer valid in case of accidents of the LOCA type, or of various incidents such as power picks or in particular geometries. For this reason, a subroutine was developed in the DIONISIO code that explicitly calculates the plenum temperature solving an energy balance equation with variable boundary conditions. This model is two-dimensional and considers cylindrical symmetry.

In the process of expanding the working domain of the code, a 3D model dedicated to the plenum is proposed, analyzing the influence of different parameters on it, such as volume, mesh density, cooling rate and the boundary conditions used. The model developed starts from a three-dimensional domain that includes the last two pellets of the UO2 stack, the Zry cladding, the support tube and the plug of the same material, the containment spring and the internal gas of the rod. With this system, the plenum temperature variation as a function of the distance to the heat source (the pellets) is studied and the average value is compared with the coolant temperature.

On the other hand, and with the objective of improving the modeling of the fuel rods behavior, a modification is introduced in the system when considering the explicit simulation of the coolant in an effective channel around the rod. This work, which involves the use of finite elements with non-symmetrical functions, is the first instance of development and has been tested by comparing the results in a complete fuel rod, to observe its advantages. The migration of this fuel treatment to the main code is beyond the purpose of this thesis work.

Both the plenum model and the complete rod model are the first three-dimensional developments within the DIONISIO kernel and aim at improving the prediction of behavior in case of normal operation and in the event of an accident. It should be noted that although in normal operation conditions the plenum model does not show significant variations with respect to the model previously used, better approaches to the experimental results are observed in the accident cases.


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