Tesis:
Metodologías de análisis para la caracterización térmica del combustible nuclear irradiado en contenedores de almacenamiento en seco
- Autor: PENALVA PAMO, Jaime
- Título: Metodologías de análisis para la caracterización térmica del combustible nuclear irradiado en contenedores de almacenamiento en seco
- Fecha: 2021
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: INGENIERIA NUCLEAR
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/69619/
- Director/a 1º: HERRANZ PUEBLA, Luis Enrique
- Director/a 2º: FERIA MÁRQUEZ, Francisco
- Resumen: Dry interim storage of spent nuclear fuel has expanded significantly worldwide, being a major option in today’s fuel cycle. As any other option, it should ensure fuel rod integrity under any circumstance. This requires cooling fuel assemblies. Due to the fact that major degrading mechanisms of cladding are strongly influenced by temperature, the threshold conditions selected in most regulatory requirements is based on Peak Cladding Temperature (PCT). This thesis proposes a calculation route of PCT free of the high complexity of computational fluid-dynamic calculations and the long computing time burden. Based on traditional heat transfer equations applied over conceptual models of dry storage casks (concrete and metallic), an analogous thermal resistors and capacitors network is set and solved. The analysis of this network generates a system of Ordinary Differential Equations (ODE) of initial values. Solving the resulting system of ODE, it provides in fast and accurate estimates of the PCT. The performance of the method is illustrated through its application to a concrete and a metallic cask, both under steady and transient conditions. When compared to results from 3D CFD calculations, the deviations observed in the PCT estimates are lower than 2% and 5% in steady state and transients, respectively, and the time calculation saving has been estimated to be about 105 times faster. This method is planned to be extended to other variables like the fuel axial temperature profile, of utmost importance to estimate the ductile-to-brittle transition of cladding materials. In addition, the speed and accuracy of the estimates would enable this methodology to be coupled with fuel performance codes without overloading the calculations. ----------RESUMEN---------- En el mundo el almacenamiento en seco del combustible nuclear irradiado ha incrementado significativamente, siendo la opción predominante el ciclo del combustible actual. Como cualquier otra opción, debe garantizar la integridad de las barras de combustible en cualquier circunstancia. Para ello es necesario refrigerar los elementos de combustible. Debido a que los principales mecanismos de degradación de la vaina están fuertemente influenciados por la temperatura, una de las condiciones límite empleada en la mayoría de los normalmente por las regulaciones existentes se basa en la temperatura máxima de la vaina (PCT). Esta tesis propone una metodología de cálculo de la PCT simplificada, que elimina la complejidad de los códigos de fluidodinámica computacional y los largos tiempos de computación. Basado en los fundamentos de transmisión de calor aplicados sobre sistemas conceptuales de diferentes tipos de contenedores de almacenamiento en seco (hormigón y metálico), se ha establecido un esquema análogo de condensadores y resistencias térmicas. El análisis de este esquema genera en un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias (ODE) de valores iniciales. La resolución del sistema de ODE da como resultado estimaciones rápidas y precisas de la PCT. La metodología desarrollada se describe mediante su aplicación a un contenedor de hormigón y a uno metálico, ambos en estado estacionario y transitorio. La comparación con los resultados de los cálculos 3D CFD realizados, muestra que las desviaciones observadas en las estimaciones de la PCT son inferiores al 2% y 5% en estado estacionario y transitorio, respectivamente. Además, el ahorro en tiempo de cálculo es significativo, se ha estimado que es aproximadamente 105 veces más rápido. Adicionalmente, está previsto que se amplíe a otras variables como el perfil axial de temperaturas en el combustible, que es de suma importancia para estimar la transición de dúctil a frágil de los materiales de la vaina. Además, la rapidez y precisión de las estimaciones permitirían acoplar esta metodología a códigos termo mecánicos sin sobrecargar los cálculos.