Desarrollo de una interfaz de acoplamiento Fluido-Estructura entre elementos de combustible PWR y el refrigerante del reactor, basada en la aproximación de medio poroso

Abstract

Fuel Assemblies within the core of Pressurized Water Reactor (PWR) are affected by the bow phenomenon. This in turn impacts the performance of nuclear Power Plants. Bowing leads to the appearance of bending moments in the fuel rods, therefore the whole Fuel Assembly structure is deformed (as the fuel rods are tightly held together by spacer grids). An excessively distorted FA can induce both safety and operational problems to the reactor. With respect to the safety impact, deformation of the FA can interfere in the correct insertion and functionality of Control Rods. These are in charge of regulating and controlling the nuclear chain fission reaction in the core and, hence, Incomplete Rod Insertion (IRI) episodes will represent a potential threat should there be a Scram event or the necessity for a quick shutdown. On the other hand, FA distortion also induces performance problems. The irregular shape of the FAs will originate unequal gaps through which the coolant (H20) will flow, and this will affect the Thermal Margins that will no longer be optimal for operation. As bowing involves many different processes, it becomes a challenging issue to predict. For this reason, several computational models have been created over the last years attempting to predict FA bow. The objective of this Thesis is to implement a Fuel-Structure Interaction model (FSI) to predict the effect of Lateral Hydraulic Forces on the Fuel Assembly Core Structure AND vice-versa. As Lateral Hydraulic Forces are thought to be the drivers of the FA bow, results should show a considerable difference between one and the other. However, it must also be taken into account that there are other causes of bow such as excessive hold down forces or irradiation induced creep that can also influence the phenomenon and the outcome. A Porous Medium Approach will be considered in this research to simulate the hydraulics of a PWR Fuel Assembly.

Los conjuntos de combustible (FA por sus siglas en inglés) dentro del núcleo del reactor de agua presurizada (PWR) se ven afectados por el fenómeno del arco que a su vez afecta el rendimiento de las centrales nucleares. La inclinación conduce a la aparición de momentos de flexión en las barras de combustible, por lo tanto, toda la estructura del conjunto de combustible se deforma (ya que las varillas de combustible están estrechamente unidas entre sí mediante rejillas espaciadoras). Una FA excesivamente distorsionada puede inducir problemas de seguridad y de funcionamiento al reactor. Con respecto al impacto de seguridad, la deformación de la FA puede interferir en la correcta inserción y funcionalidad de las varillas de control. Estos están a cargo de regular y controlar la reacción de fisión de la cadena nuclear en el núcleo y, por lo tanto, los episodios de Inserción de Varilla Incompleta (IRI por sus siglas en inglés) representarán una amenaza potencial si hay un evento Scram o la necesidad de un cierre rápido. Por otro lado, la distorsión de FA también induce problemas de rendimiento. La forma irregular de los FAs originará espacios desiguales a través de los cuales fluirá el refrigerante (H20), y esto afectará a los márgenes térmicos que ya no serán óptimos para el funcionamiento. Como la inclinación implica muchos procesos diferentes, se convierte en una edición desafiadora a predecir. Por esta razón, varios modelos computacionales han sido creados en los últimos años tratando de predecir el arco FA. El objetivo de esta Tesis es implementar un modelo de Interacción Combustible-Estructura (FSI por sus siglas en inglés) para predecir el efecto de las Fuerzas Hidráulicas Laterales en la Estructura Principal de la Asamblea de Combustible y viceversa. Como se cree que las Fuerzas Hidráulicas Lateral son los conductores del arco FA, los resultados deben mostrar una diferencia considerable entre uno y otro. Sin embargo, también hay que tener en cuenta que hay otras causas de la proa tales como fuerzas de retención excesivas o fluencia inducida por irradiación que también pueden influir en el fenómeno y el resultado. En esta investigación se considerará un Enfoque Poroso Medio para simular el sistema hidráulico de una Asamblea de Combustible PWR.