39ª Reunión Anual de la SNE Reus (Tarragona) España, septiembre 2013

Transcripción

1 Análisis del comportamiento del flujo de refrigerante a través del cabezal inferior y el impacto de la supresión de los taladros en el faldón lateral del MAEF-2012 con el código CFD STAR-CCM+. Introducción: J. Barrera, R. Corpa ENUSA Industrias Avanzadas S.A. Actualmente, numerosas centrales nucleares conviven con la situación de cargar en sus reactores elementos combustibles con distintas geometrías, fruto de la adquisición de distintos suministradores, o la evolución tecnológica. El impacto que tienen las distribuciones asimétricas de caudal a través de los cabezales inferiores es objeto de estudio al respecto. Los códigos CFD (Computational Fluid Dynamics) tienen un gran potencial para ayudar en el cálculo de estas asimetrías a la vez que se pueden estudiar en detalle las caídas de presión del refrigerante al atravesar la placa base del cabezal, y plantear mejoras en el comportamiento termo-hidráulico. El alcance de este trabajo consiste en el estudio de distintos pares de cabezales inferiores con un código fluido-dinámico de detalle como el STAR-CCM+ v8, para identificar y estudiar consecuencias de los cambios en la distribución de caudales y variación en la caída de presión del fluido a su paso por los mismos, así como comprobar la ausencia de impacto desde el punto de vista de la seguridad. Con el objetivo de mejorar la resistencia mecánica del cabezal inferior de los elementos combustibles PWR se agrandó el faldón lateral, incluyendo 20 orificios con la función de reducir resistencias laterales en el flujo de refrigerante entre elementos de combustible con y sin faldón. Tras varios años de experiencia operativa, en el cabezal del MAEF-2012 han sido suprimidos estos taladros para aumentar la capacidad de filtrado de partículas sueltas y se han modificado los taladros de la placa base. Para el estudio, se agrupan los cabezales de dos en dos en función de la geometría del faldón (tipo OFA, MAEF-2007 y MAEF-2012) y de dos configuraciones de los taladros de flujo de la placa (MAEF-2007 y MAEF-2012). Se simulan condiciones de operación normal (temperatura, caudal y presión) de un reactor PWR tipo Westinghouse de tres lazos. Tras alcanzar un estado estacionario, se mide el caudal relativo por cada cabezal, el caudal por el espacio inter-cabezales y la caída de presión en distintas secciones horizontales. Consideraciones a la simulación: Para la simulación que nos ocupa se han preparado cuatro modelos de cabezales (OFA-Mod, MAEF-2007, MAEF 2012 y MAEF-2007-Mod), donde el sufijo Mod significa que los agujeros de la placa base se han modificado para dejarlos idénticos a los de la placa base del MAEF-2012, con un avellanado final. Esto es, partiendo de los cabezales OFA y MAEF-2007 reales, se ha realizado, con el único fin de este estudio, una modificación sobre los agujeros de la placa base de estos elementos, dejándolos idénticos, a los que tiene el MAEF-2012 real. 1

2 Estos modelos se simulan en parejas, viendo la influencia sobre las distribuciones asimétricas de caudal por el cabezal inferior y las caídas de presión que tienen lugar como consecuencia de las diferencias entre ellos. Las condiciones del flujo a la entrada del cabezal inferior son típicas de un reactor PWR de tres lazos Westinghouse, una presión de 15.5 MPa, un caudal de 40.4 Kg/s y una temperatura de 580 K. Las geometrías y dimensiones de los cabezales son las sacadas de planos reales de estos componentes para un reactor típico PWR. A continuación se muestran imágenes del MAEF- 2012, el MAEF-2007 y el OFA-Mod. En cuanto a la geometría del conjunto: - Los cabezales se separan entre sí 1 mm, situándose en la misma posición que estarían en un reactor, y se fija una pared a una distancia de 1 mm de ellos para simular que allí hubiera más cabezales. Esta distancia debería ser de 0.5 mm, pero el tamaño de las celdas sería demasiado pequeño y provocaría problemas en la simulación. Esto se tiene en cuenta al evaluar los resultados. - A cada cabezal inferior le corresponden 4 entradas de flujo por debajo de ellos, similares en dimensiones a los orificios de la placa base del núcleo. - Además se añaden la parte inferior de las varillas (8.5 cm) para ver una distribución más realista del flujo aguas abajo. 2

3 - No se incluye la rejilla protectora debido a que al ser similar en ambos cabezales no se espera un impacto importante en la comparativa de cabezales, pero debido a su geometría encarece el cálculo desde el punto de vista computacional. - Se corre el modelo con geometría un cuarto, para optimizar el coste computacional. Simulación con CFD: Partiendo de la geometría descrita anteriormente, se delimita una zona que comprende un cuarto de cada cabezal aprovechando los planos de simetría para ahorrar en número de volúmenes finitos y por tanto reducir a un cuarto el coste computacional. A partir de este modelo de simetría un cuarto, se hace un negativo para obtener la zona por la que se mueve el fluido, y se diseña una malla para adaptarse a las características y peculiaridades de forma que capture todos los fenómenos físicos importantes para un correcto cálculo, pero optimizando el coste computacional. Además se delimitan unas zonas en las que hacer una malla más fina en el fluido que se encuentra entre los dos cabezales y en la zona entre los cabezales y la pared, y en el fluido que circula por debajo de los cabezales, hasta que pasa la superficie superior del cabezal, para captar mejor los fenómenos de turbulencia y circulación de fluido en dichas zonas. 3

4 Los modelos de mallado para el fluido, agua, son: Polyhedral Mesher, Prism Layer Mesher y Surface Remesher; con las siguientes características: Tamaño Base: 1 cm Nº Capas prismáticas: 2 Espesor capa prismática: 3.3 mm Curvatura superficial: 72 ptos/circulo Además, como ya se ha comentado, se añaden dos volúmenes de control donde se refina la malla para captar mejor los fenómenos de turbulencia y circulaciones del fluido. Un primer volumen de control, que comprende los volúmenes de fluido entre cabezales, y entre estos y la pared tiene las siguientes características: Tamaño Base: 0.7 mm Nº Capas prismáticas: 1 Espesor capa prismática: 0.55 mm Curvatura superficial: 72 ptos/circulo Un segundo volumen de control, que comprende los volúmenes de fluido por debajo de los cabezales hasta la superficie superior de estos tiene las siguientes características: Tamaño Base: 1.5 mm Nº Capas prismáticas: 1 Espesor capa prismática: 0.55 mm Curvatura superficial: 72 ptos/circulo Cada modelo, formado por los dos cabezales y las barras, se compone de aproximadamente celdas. 4

5 En cuanto a la física se refiere, hay que tener en cuenta que al sacar un negativo de la geometría sólida, todo lo que nos queda es fluido. Los parámetros que mejor se ajustan a los fenómenos físicos de nuestra simulación son: Modelo de turbulencia: RANS k-epsilon Características del fluido: sistema monofásico, agua. Solución estacionaria. Resultados Tras alcanzar el estado estacionario en cada caso, se miden caudales y presiones en distintas partes de los cabezales para evaluar el impacto que tienen los orificios laterales. Los resultados obtenidos demuestran que no existe una diferencia significativa, desde el punto de vista del caudal que atraviesa la zona entre cabezales en función de la geometría de la chapa lateral del cabezal, al suponer distintas parejas de cabezales, combinando MAEF-2012, MAEF-2007, MAEF-2007-Mod y OFA-Mod. Siendo mucho más importante la diferencia de caudal debido al acabado de los orificios de la placa base, al ser mayor la resistencia hidráulica en la placa base usada en el MAEF Detalle velocidades MAEF-2007 / MAEF-2012 Como se puede ver comparando las próximas figuras, el caudal de baipás inter-cabezal viene determinado por el campo de presiones que se forma bajo la placa base, ya que al ser menor la presión entre los cabezales, aquél que tenga mayor presión (o resistencia al paso del fluido) en la placa base es el que más contribuye en el caudal inter-cabezal. 5

6 Detalle presiones horizontales MAEF-2007 / MAEF-2012 Detalle presiones verticales MAEF-2007 / MAEF-2012 Esto se demuestra al simular un elemento de combustible con idéntica placa base, pero distintas configuraciones de chapa lateral: con agujeros, sin agujeros y sin chapa. Detalle velocidades MAEF-2007-Mod (con agujeros) / MAEF-2012 (sin agujeros) 6

7 Detalle velocidades OFA-Mod (sin chapa) / MAEF-2012 (con chapa) Por otro lado, al emparejar elementos con distinta placa base aparecen asimetrías en el caudal, pero estas son pequeñas y se ven rápidamente ecualizadas, como se puede ver en la siguiente figura, donde se observa que a 8,5 cm de altura sobre la placa base, el perfil de velocidades es aproximadamente simétrico. Planos axiales de velocidades MAEF-2007 / MAEF-2012 Para medir las caídas de presión al atravesar el cabezal inferior se colocan 5 planos cortando en secciones paralelas a las caras superior e inferior de la placa base, a distintas alturas. Con estos planos se miden las presiones medias a lo largo de estas secciones para cada cabezal, pudiéndose comprobar, que entre los planos 3 y 4, que es donde se encuentra la placa base, se produce una caída de presión. 7

8 Detalle de los planos para medir las presiones Estas caídas de presión, para los distintos cabezales, se miden y sus resultados se representan en la siguiente figura: Como era de esperar la presión en la zona inferior de la placa base en el cabezal MAEF-2007 es mayor que la del MAEF De esta gráfica se puede extraer también que al simular dos placas base idénticas (MAEF-2007_MOD vs MAEF-2012) la presencia de orificios laterales modifica ligeramente el campo de presiones pero que como se ha visto en este trabajo tiene un impacto pequeño en el caudal por el cabezal. Conclusiones: Gracias al programa de CFD STAR-CCM+, ENUSA es capaz de hacer estudios fluidodinámicos de distintas partes del elemento de combustible, dando solución a potenciales problemas o como una herramienta a la hora de mejorar diseños que requieran un estudio con geometrías reales y detalladas. El estudio realizado es consistente con el comportamiento de los cabezales. Referencias: 1. Computational Methods for Fluid Dynamics, J.H. Ferzirger, M. Períc. 2. Computational Fluid Dynamics, John D. Anderson, JR. 8