Computational fluid dynamics modeling methods applied to a lead-cooled nuclear fast reactor

Abstract

Na atual crise climática, a energia nuclear, aliada às fontes renováveis, deverá ser uma das principais alternativas técnicas para descarbonizar as redes elétricas mundiais. No entanto, para alcançar este objetivo, o avanço da tecnologia de reatores nucleares depende profundamente de esforços para torná-los mais viáveis financeiramente e mais seguros do que a atual frota em operação. Para tal, estão em curso desenvolvimentos t´técnicos de sistemas nucleares inovadores por diversas entidades públicas e privadas, e um dos principais pontos diz respeito ao desenvolvimento de novas ferramentas de projeto e análise termo-hidráulicas, incluindo a Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD), para visualizar o escoamento em torno de geometrias complexas e capturar resultados de fenômenos físicos, como bloqueio de canais, hot spots locais, e estratificação térmica, que ajudam a desenvolver modelos mais precisos e, assim, projetos mais seguros e energeticamente eficientes. Esta Dissertação de Mestrado dedica-se a estudar e propor um conjunto de m´métodos de modelagem termo-hidráulica em CFD, utilizando o ANSYS Fluent, para simular o sistema nuclear Swedish Advanced Lead Reactor (SEALER), um reator pequeno modular, rápido e refrigerado a chumbo (LFR). O trabalho explora aspectos gerais de CFD, como estudos de malha, modelos de turbulência, e condições de contorno, enquanto desenvolve estratégias de modelagem específicas, `a medida que modelo do SEALER é expandido, dividindo o trabalho em três partes principais: A primeira concentra-se na região do núcleo do reator, onde este ´e modelado como meios porosos para a de perda de carga, acoplados a funções de potência. A segunda parte expande para todo o circuito primário, e inclui os modelos para as bombas como condições de contorno, e para os geradores de vapor como meios porosos combinados com funções de dissipador de calor. A terceira e última parte incorpora considerações térmicas adicionais, ao contemplar os efeitos da transferência de calor conjugada (CHT) e ao avaliar condições de contorno de perda de energia por radiação combinada `a convecção natural na parede externa do vaso do reator. Nesta última parte, a temperatura do combustível também foi analisada referente a essas considerações térmicas adicionais. Por fim, o trabalho conclui que os m´métodos de modelagem CFD apresentados nas duas primeiras partes se mostraram adequados para a simulação de estado estacionário do SEALER, e fornecem campos detalhados de temperatura e velocidade que correspondem aos dados preliminares do projeto e a resultados de outras publicações. A última parte indica que as considerações térmicas adicionais têm impacto nos campos de temperatura dentro do SEALER, porém, não são suficientemente significativas quando são analisadas as temperaturas máximas do combustível.