Methodology for spent fuel dry cask thermal-hydraulics analysis for long term storage
- Autores: Julio Benavides Rodríguez
- Directores de la Tesis: Gonzalo Jiménez Varas (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
- Resumen
Uno de los retos a los que se enfrenta la industria nuclear es la gestión del combustible gastado, ya que el espacio disponible en las piscinas de combustible nuclear gastado desapareciéndose va reduciendo. Esta limitación en el espacio disponible ha supuesto que las plantas nucleares necesiten una solución temporal para almacenar el combustible gastado. Esta necesidad ha sido solucionada gracias al uso de contenedores de combustible nuclear gastado. Esta tecnología, aunque no es nueva, ha requerido aumentar los conocimientos de la respuesta del combustible gastado durante esta etapa de su ciclo debido al aumento del tiempo de operación de los contenedores.
En este sentido uno de los parámetros críticos es la temperatura máxima de varilla (PCT según sus siglas en inglés), la cual no debería superar los 400 °C (USNRC, 2003), temperatura a la cual los hidruros disueltos en la vaina cambian de orientación, lo cual puede causar fragilidad en las vainas y la rotura de las mismas. Para asegurar que este límite no es superado se necesita de simulaciones que corroboren que el comportamiento térmico del combustible es el adecuado. Estas simulaciones pueden llevarse a cabo con códigos de elementos finitos como Ansys Mechanical, con códigos de sub-canal como COBRA SFS o, la opción más común, mediante simulaciones de fluidos computacionales (CFD en sus siglas en inglés) con códigos como Ansys Fluent, STAR-CCM+ o OpenFoam entre otros.
El principal objetivo de esta tesis es crear y validar una metodología que permita a un usuario de CFD simular un contenedor de combustible nuclear gastado con precisión, exactitud y un coste computacional razonable. Para poder hacer esto, dos experimentos han sido simulados en detalle. El primero fue realizado por EPRI (The Electric Power Research Institute) en los años 80. El experimento hizo uso un contenedor de combustible con combustible nuclear gastado. Este experimento ha servido como la base de la metodología; gracias a los perfiles térmicos que se obtuvieron en el interior del contenedor los cuales permitieron el desarrollo correcto de gran parte de la metodología. Además de validar los resultados obtenidos también se llevaron a cabo una serie de estudios que permiten tener más fiabilidad en los resultados, como estudios de independencia de malla mediante el método de Grid Convergence Index y estudios de turbulencia. Otro de los estudios que se llevaron a cabo fue el estudio del tamaño de los huelgos entre el bastidor y el cuerpo del contenedor y su impacto en la respuesta térmica del mismo. Este estudio demostró que el tamaño de los huelgos tiene un elevado impacto en la respuesta térmica.
El segundo experimento fue realizado en los Laboratorios Nacionales de Sandia (EEUU), y consistió en un elemento combustible de tipo BWR construido con resistencias térmicas que permiten simular el calor residual de un elemento combustible real. Este experimento se realizó a diferentes presiones y potencias, lo cual permitió que la metodología fuese probada en diferentes condiciones. Este segundo experimento también se usó para probar distintas formas de modelar el combustible nuclear, por ejemplo, se probó a modelar las rejillas mediante medios porosos, y así comprobar si modelar estas regiones es necesario de cara a obtener resultados equivalentes a los de las simulaciones. En los resultados con STAR-CCM+, la forma en la que los códigos CFD modelan los medios porosos implicó que los posibles beneficios obtenidos de simular medios porosos no eran totalmente justificables con los problemas que estos introducían.
Las partes siguientes de la tesis buscan usar la metodología para casos de aplicación que van más allá de un contenedor en condiciones de almacenamiento estacionario. El primero de estos trabajos incluye la simulación de los procesos de secado y vaciado del contenedor. Estos procesos tan complejos requirieron muchas simplificaciones para mantener el coste computacional en unos niveles aceptables. A pesar de que se pudo simular parte de estos procesos los resultados demostraron que las simplificaciones tomadas no fueron las más adecuadas, por lo que, de cara a enfrentarse a este problema a futuro, se requeriría mejores simplificaciones y un salto en las capacidades computacionales.
El siguiente estudio lidia con averiguar si al poner un contenedor en condiciones de almacenamiento real (es decir junto a otros contenedores), la eficiencia térmica empeora. Para ello se probaron cuatro distribuciones de 12 contenedores. En todos los casos la eficiencia térmica empeoró con respecto al caso de un único contenedor, obteniéndose mayores temperaturas. El estudio también encontró que el impacto no era igual en todos los contenedores y que era más pronunciado en unos que en otros.
En la parte final de la tesis el problema de los huelgos se recupera, en este caso se usó los resultados obtenidos mediante CFD, y se acoplaron a un código de análisis mecánico, en este caso el código ABAQUS. Al acoplar los resultados se obtuvieron las dilataciones térmicas de los distintos componentes, lo cual permitió observar cómo evolucionarían los huelgos. A su vez también se pudo obtener los valores de las tensiones térmicas de los distintos componentes.
Como conclusión, la metodología para el cálculo de contenedores gastados fue creada y validada contra varios experimentos y aplicada a una serie de problemas de ingeniería, mostrando su eficacia, tanto en los resultados como en los costes computacionales.
