Análisis del flujo de refrigerante en el interior de un elemento combustible con diseño nuclear modificado mediante fluidodinámica computacional

Abstract

La Comisión Chilena de Energía Nuclear (CCHEN) es el organismo fiscalizador, investigador y productor de toda actividad radiactiva que se desarrolle en el país. En Chile existen dos reactores nucleares de investigación, uno de ellos es el Reactor Nuclear de investigación RECH-1, el cual es un reactor de tipo piscina y que posee una potencia de 5 [MWt], es moderado y refrigerado por agua liviana y su combustible es del tipo MTR (Material Testing Reactor) de placas planas paralelas. La Planta Elementos Combustibles (PEC) se encarga de la producción y construcción de estos combustibles llamados Elementos Combustibles Nucleares y en la presente memoria se estudia el flujo de refrigerante en el interior de un nuevo diseño de Elemento Combustible con diseño nuclear modificado mediante simulaciones computacionales CFD, cálculos analíticos y ensayos experimentales de su caída de presión o pérdida de carga. El nombre de este diseño es Elemento Combustible modificado V2-3 y consta de tres subconjuntos: Caja Filtro, Cuerpo y Boquilla. Esta división es para facilitar el estudio ya que cada uno posee sus singularidades características. La Caja Filtro es por donde ingresa el fluido refrigerante al Elemento Combustible, posee una placa filtro y dos travesaños para dar posicionamiento y orientación. El subconjunto del Cuerpo posee 16 placas planas combustibles colocadas en paralelo entre sí en posición vertical. Por último, está la Boquilla que es por donde el fluido abandona el Elemento Combustible. Las medidas del diseño son de 72,1 [mm] x 74,6 [mm] y una longitud de 985,9 [mm]. Luego de un estudio enfocado en Mecánica de Fluidos y en documentación y trabajos de título realizados en la CCHEN se obtiene la información de que la velocidad nominal en que ingresa el fluido refrigerante al interior del Elemento Combustible es de 0,349 [m/s]. Esta es la razón por la cual se decide realizar el estudio de la caída de presión del fluido refrigerante en el interior del Elemento Combustible en un rango de velocidades desde los 0,01 [m/s] hasta los 1,15 [m/s], considerando 10 diferentes velocidades en este rango. Se utilizó el software Ansys Fluent 18.2 el cual es capaz de realizar variadas simulaciones físicas además de ilustrar su comportamiento en la geometría ingresada al programa. Se realizan las simulaciones para el Elemento Combustible en las 10 velocidades de entrada para un flujo laminar y uno turbulento, también se realizan simulaciones para cada subconjunto solamente en la velocidad nominal y con régimen laminar. Como resultado se obtiene que la caída de presión en el nuevo diseño de Elemento Combustible modificado V2-3 se mantiene prácticamente invariable para toda velocidad de entrada con respecto a los resultados obtenidos en los otros dos diseños estudiados en memorias anteriores (Elemento Combustible V-Estándar y el V2-2, siendo este último un diseño modificado estudiado en 2020, cuyas simulaciones fueron con flujo laminar) y que una simulación realizada con régimen turbulento difiere en solo 477 [Pa] más que una simulación con régimen laminar a velocidad nominal.