Desenvolvimento de um modelo geométrico detalhado para a modelagem termoidráulica de sistemas nucleares, do tipo leito de bolas

CAPESA tecnologia VHTR (do inglês Very High Temperature Reactor, Reator de Temperatura Muito Elevada) representa o próximo estágio na evolução dos reatores HTGR (do inglês High Temperature Gas-Cooled Reactor, Reator de Alta Temperatura Refrigerado a Gás). Moderados a grafite e refrigerados a hélio, os sistemas VHTRs podem ser usados para a cogeração de calor e de eletricidade com temperaturas de saída entre 700 e 950 ºC, e potencialmente com mais de 1.000 ºC no futuro. A temperatura do combustível durante toda a operação do reator é um aspecto muito importante para a segurança dos reatores nucleares, no projeto deseja-se que seja menor que um valor limite para garantir a integridade dos materiais do elemento combustível evitando a liberação de produtos de fissão. O TADSEA (Transmutation Advanced Device for Sustainable Energy Applications) é um VHTR do tipo leito de bolas, projetado para atingir uma queima profunda dos elementos transurânicos, a produção colateral de energia e a obtenção de altas temperaturas para produzir hidrogênio. O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma metodologia para a análises termoidráulica do núcleo de reatores do tipo leito de bolas de muito alta temperatura, baseada no uso de uma abordagem realística com um código de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD). Inicialmente, usando o modelo realístico da coluna com altura inteira do reator HTR-10 com células FCC e BCC, foram comparados os resultados obtidos com dados experimentais e de simulação para a primeira tarefa de referência do HTR-10 disponibilizados pela IAEA (2013) para validação do modelo. No reator TADSEA, foram comparados resultados dos projetos inicial e atual do núcleo com uma coluna com a altura completa do reator na região de maior potência. A partir dos resultados o projeto inicial não tem margem de segurança suficiente para casos de perda de refrigerante. Nas simulações do projeto atual do TADSEA as temperaturas máximas atingidas foram muito inferiores ao limite. E os resultados de casos de perda de refrigerante mostram que com 45% do fluxo mássico é atingida uma temperatura apenas 30 K abaixo do limite.The VHTR (Very High Temperature Reactor) technology represents the next stage in the evolution of reactors HTGR (High Temperature Gas-Cooled Reactor). Moderated by graphite and cooled by helium, VHTRs systems can be used for cogeneration of heat and electricity with outlet temperatures from 700 to 950 ºC, and potentially more than 1.000 ºC in the future. The fuel temperature during all the reactor operation is a very important issue for the safety of nuclear reactors, in the design is desired that it is smaller than a limit value to ensure the integrity in the materials of the fuel element preventing the release of fission products. The TADSEA (Transmutation Advanced Device for Sustainable Energy Applications) is a VHTR pebble bed type. It is designed to achieve deep burning levels in the fuel, the power generation, and to obtain high temperatures to produce hydrogen. The aim of this study is the development of a methodology for the core termohydraulics analysis of pebble bed reactors with very high temperature based in the use of a realistic approach with a code of Computational Fluid Dynamics (CFD). First, using the realistic approach with an entire column height of HTR-10 reactor using FCC and BCC cells, the results obtained were compared with experimental and simulation data of HTR-10 Benchmark available from IAEA (2013) for model validation. In TADSEA reactor were compared the results of initial and current core designs with a column with the full height of the reactor in the higher power region. From the results of the initial design, it does not have sufficient safety margin in case of coolant loss. In the simulations of the current TADSEA design the maximum temperatures were much lower than the limit. And the results of coolant loss cases show that with 45% of the mass flow is achieved temperatures just 30 K below the limit