40ª Reunión Anual de la SNE Valencia, España, 1-3 octubre 2014

Transcripción

1 Cálculos térmicos para el estudio de la evacuación de calor en el Edificio de Bóvedas del Almacén Temporal Centralizado (ATC) José Rubén Pérez Domínguez, Eusebio Huélamo Martínez, María García González Resumen El presente trabajo está basado en los cálculos térmicos que se llevan realizados para el edificio de bóvedas del futuro Almacén Temporal Centralizado (ATC). El objeto de estos análisis térmicos es obtener el flujo de aire necesario para que por convección natural se consiga la evacuación de calor residual de los elementos de combustible allí almacenados y una distribución de temperaturas que verifique el cumplimiento de los límites térmicos. Para ello se comparan las temperaturas obtenidas en las paredes de los contenedores de combustible, en las paredes de hormigón y en el aire. Además se evalúan los resultados obtenidos en los escenarios de operación anormal y de accidente. Se realizan análisis de sensibilidad como por ejemplo en relación con el tamaño de la malla del modelo, con la altura del suelo intermedio del edificio, la configuración geométrica de la bóveda y del detalle de los elementos singulares, con la finalidad de optimizar el diseño del edificio de bóvedas. Además la confección del modelo de cálculo térmico del edificio de bóvedas permite optimizar la potencia térmica por cápsula y proporcionar un plan de carga. 1. INTRODUCCIÓN El sistema de almacenamiento consiste en una estructura de bóveda y tubos de almacenamiento. Las cápsulas contienen elementos de combustible gastado y materiales vitrificados y se colocan en los tubos de las bóvedas de almacenamiento. Los elementos, estructuras y componentes principales se muestran en la Figura 1. ESQUEMA BÓVEDAS Estructura de hormigón Losa de soporte para el tubo Circuito de aire de refrigeración Camisa doble Piso intermedio CÁPSULA Tubo con brida inferior y superior Estructura interna rigidizadora Una tapa con acoplamiento de auto-cierre Una placa para protección de la tapa. TUBOS DE ALMACENAMIENTO Tubo con extremo cerrado y brida superior Tapa estanca Sistema de doble sellado Amortiguador en la parte inferior del tubo Placa de protección Tapón de tubo de almacenamiento (blindaje) Figura 1. Elementos, estructuras y componentes principales del edificio de bóvedas [1]

2 El edificio de bóvedas juega un papel fundamental en la instalación, puesto que se encarga de proporcionar un almacenamiento confinado, blindado y críticamente seguro. La evacuación térmica en este edificio es completamente pasiva y se produce por convección natural por lo que es necesario asegurar y dimensionar el sistema para la correcta evacuación de calor de los residuos. Se describen la metodología y el modelo de los cálculos térmicos realizados para confirmar la idoneidad del diseño y sus características de forma que sea adecuado para llevar a cabo esta función. 2. METODOLOGÍA Figura 2. Plano de detalle del edificio de bóvedas Los estudios necesarios para evaluar la evacuación de calor residual de los combustibles almacenados en el edificio de bóvedas consisten en realizar y rodar un modelo de cálculo térmico para un código CFD (Computational Fluid Dynamics). El código comercial CFD empleado para el cálculo térmico ha sido Ansys Fluent v [1], que utiliza el método de los volúmenes finitos para resolver las ecuaciones de conservación de masa, cantidad de movimiento, energía y de sustancia química. La geometría ha sido construida con Ansys Design Modeler y el mallado con Ansys Meshing. Se obtienen las características necesarias del edificio de bóvedas para conseguir el flujo de aire que permita cumplir los límites térmicos en el hormigón, el aire, los pozos de almacenamiento y el combustible de las cápsulas. Se verifica el cumplimiento de los criterios térmicos en caso de operación normal, anormal y en accidente. Se realizan análisis de sensibilidad frente a parámetros como el tamaño de la malla del modelo, la humedad relativa del aire, su velocidad, la altura del suelo intermedio del edificio y la configuración geométrica de la bóveda así como frente al detalle de los elementos singulares que existen en el paso del aire desde la entrada hasta la salida. [2]

3 La metodología para la realización de estos estudios consiste en: Obtención de los datos geométricos del edificio, basándose en los planos disponibles Toma de decisión sobre el detalle de modelado del edificio Análisis y estudio de los fenómenos a tener en consideración en el modelo Obtención de los escenarios de cálculo e hipótesis a considerar Definición de las condiciones de contorno del modelo y las condiciones iniciales de las salas. Implementación en el modelo de la carga térmica debida al calor residual de los elementos combustibles y de la radiación gamma Prueba del modelo y estudio de influencia de la malla Ejecución del caso de operación normal Post-proceso y análisis de los resultados Análisis en condiciones de operación anormal y accidente Análisis de sensibilidad y optimización de parámetros. 3. FENÓMENOS, ESCENARIOS DE CÁLCULO E HIPÓTESIS CONSIDERADAS Se consideran los siguientes fenómenos en el cálculo térmico: 1) Liberación de calor por los combustibles (incluyendo el perfil de quemado) 2) Conducción de calor en todos los sólidos. Se modelan como sólidos, el hormigón, las cápsulas, los pozos, la camisa anular, el tapón, el amortiguador y el suelo intermedio. 3) Radiación entre todas las superficies incluidas en el modelo 4) Flujo de aire interno por convección natural 5) Simulación precisa de la turbulencia (siendo necesario modelarla con alto grado de detalle en el flujo anular por la camisa) 6) Disipación térmica debida a flujo gamma en el hormigón 7) Convección entre el nitrógeno y las paredes de las cápsulas y la superficie interna de los pozos 8) Influencia del viento en las entradas y salidas de ventilación 9) Carga térmica debida a la radiación solar. Es necesario evaluar los siguientes escenarios: 1) Operación normal 2) Operación anormal: Se evalúa el bloqueo parcial de la entrada de ventilación 3) Accidente: Se consideran, entre otros, los casos con las peores condiciones ambientales, la pérdida de la parte metálica de la chimenea, el bloqueo parcial de la entrada de ventilación etc. Se muestran algunas de las hipótesis más importantes que han sido consideradas: 1) Para el modelo global del edificio de bóvedas, teniendo en cuenta la simetría de la geometría, sólo se modela la mitad de una bóveda [3]

4 2) No se modela la caída de presión que generan elementos singulares en la entrada y salida de aire. Se realizan modelos independientes para obtener esta caída de presión e incluirla en el modelo global 3) La distribución de cápsulas es una hipótesis y se establecerá posteriormente un plan de carga para el edificio de bóvedas con el fin de optimizar el diseño 4) La carga térmica permanece constante, aunque en la realidad, el calor residual de la carga térmica disminuya con el tiempo 5) Se considera que el edificio está vacío de otros elementos estructurales 6) La contribución térmica debido al flujo gamma se impone en el hormigón de las paredes 7) De forma conservadora se ha considerado que el suelo es adiabático 8) Las instalaciones adyacentes tienen temperatura controlada en operación normal 9) Las cápsulas de combustible se modelan como un medio homogéneo, con conductividades axiales y radiales puesto que con este modelo no se obtienen temperaturas de vaina. Para ello se emplea un cálculo termomecánico independiente. 4. DESCRIPCIÓN DEL MODELO 4.1. Modelo geométrico El modelo geométrico del edificio de bóvedas se puede apreciar en las Figura 3 4. Figura 3. Modelo geométrico del edificio de bóvedas [4]

5 Tapón Pozo Cápsulas Flujo anular de aire Inertización N 2 Suelo intermedio Camisa Amortiguador Figura 4. Detalle del modelado de suelo intermedio, pozos, cápsulas, amortiguador, camisa y tapón 4.2. Mallado de cálculo El mallado del edificio de bóvedas se puede apreciar en la Figura 5. La tabla 1 resume las principales características de la malla. [5]

6 Tabla 1. Características del mallado Geometrías 3D Tipo de celdas Hexaédrico Numero de celdas óptimo Figura 5. Mallado inicial de cálculo test con 3.5 millones de celdas 4.3 Condiciones de contorno Las condiciones de contorno consideradas en el modelo se resumen en la tabla 2. Tabla 2. Condiciones de contorno ZONA CONDICIÓN DE CONTORNO Entrada de aire Presión Salida de aire Presión Paredes Adiabáticas, Temperatura exterior, Generación de calor debida a flujo gamma Cápsulas Flujo de calor 4.4. Modelo térmico El modelo térmico tiene como finalidad simular el aporte de potencia calorífica y representa el calor generado por los elementos almacenados en las cápsulas. La carga térmica se encuentra uniformemente distribuida en el volumen de las cápsulas. Se considera la contribución térmica correspondiente a la radiación solar en el edificio y la producida por la radiación gamma Cápsulas de combustible Se modelan como cilindros isótropos con las propiedades térmicas de las cápsulas. Se vincula el cálculo termohidráulico de las bóvedas con el cálculo termomecánico de las cápsulas a través de la temperatura de pared de la cápsula para evaluar el cumplimiento de criterio de temperaturas del combustible Radiación gamma Se calcula con un código neutrónico (MCNP) la contribución térmica proporcionada por radiación gamma sobre las paredes de hormigón para posteriormente imponer esta potencia térmica en el hormigón. [6]

7 4.5. Modelo numérico Las principales consideraciones sobre el modelo numérico son las siguientes: Tabla 3. Modelo numérico SOFTWARE Construcción geometría Generación de mallas Design Modeler Ansys Meshing Código CFD ANSYS Fluent Estacionario Transitorio Geometría Método de resolución TIEMPO DE CÁLCULO MODELOS DE SIMULACIÓN 120h 350h Modelo simétrico PBS transitorio SMM Modelo de Turbulencia k-ε Realizable DES (Detached eddy simulation) Tratamiento de la pared y + <1 Modelo de radiación Acoplamiento presión-velocidad Discretización Surface to surface (S2S) Discrete ordinates (DO) SIMPLEC Espacial: segundo orden Presión: PRESTO Temporal: segundo orden. Gradiente: Green-Gauss cell based Residuales <10-4 Paso temporal Automático (inicial 10-3 s) Ecuación de la energía Transporte de especies Mezcla de especies Considerada gravedad Si Agua, Oxígeno, Nitrógeno Gas ideal incompresible Boussinesq approximation Si 5. RESULTADOS En tanto no exista una definición última de diseño, el estudio se encuentra en proceso de revisión continua por lo que solamente se indican algunos de los parámetros que se espera obtener de éste: 1) Configuración geométrica de la bóveda 2) Distancia entre pozos 3) Altura del forjado superior de la bóveda 4) Plan de carga óptimo de las cápsulas en la bóveda 5) Cumplimiento de criterios térmicos en caso de operación anormal y de accidente 6) Altura de las chimeneas de entrada y de salida y flujo de aire inducido 7) Configuración de la sección de paso del aire desde la entrada hasta la salida de aire 8) Disposición de los tubos de almacenamiento dentro de las bóvedas 9) Potencia térmica a disipar 10) Geometría y pérdida de carga producida por elementos locales como la chimenea de entrada y salida de aire. Se muestra el estudio de influencia del mallado del edificio de bóvedas, concluyendo que el tamaño óptimo de malla es que el que genera 15 millones de celdas, lo que da una impresión de la complejidad del cálculo. [7]

8 Figura 6. Mallado inicial de cálculo test con 3.5 millones de celdas En la Figura 7 se muestran los contornos de temperatura y velocidad en varias secciones del edificio de bóvedas, obtenidos en los análisis preliminares ya realizados. Figura 7. Contornos de temperatura (izq.) y velocidad (dcha.) en el modelo preliminar del edificio de bóvedas Se muestran tambien la geometría interna de una cápsula PWR 16x16 y los contornos de temperatura obtenidos en el análisis termomecánico complementario de ésta. Figura 8. Geometría (izq.) y contornos de temperatura (dcha.) para una cápsula PWR 16x CONCLUSIONES A la vista del presente trabajo se pueden obtener las siguientes conclusiones: Mediante la herramienta de cálculo ANSYS FLUENT se ha caracterizado un modelo para el análisis de la refrigeración del edificio de bóvedas por convección natural [8]

9 El modelo de simulación proporciona la medida de la temperatura en el aire, hormigón, combustible, y en los pozos por lo que se puede evaluar el cumplimiento de los criterios térmicos Se consigue un modelo óptimo de simulación con 15 millones de celdas capaz de modelar escalas muy diferentes, desde el flujo anular por la camisa de los pozos hasta el flujo por la chimenea Por el gran tamaño y precisión del modelo de simulación es necesario realizar un modelo complementario de las cápsulas y contenedores de combustible para analizar en detalle el cumplimiento de los límites de temperatura Debido al alto tiempo de cálculo de los modelos del edificio completo, para el análisis de la pérdida de carga de los elementos singulares como la entrada de aire y la chimenea, se confeccionan modelos independientes Se ha obtenido un modelo óptimo de simulación para el edificio de bóvedas mediante el que puede conseguir optimizar la potencia de las cápsulas para posteriormente proceder a realizar un plan de carga del edificio El modelo de simulación es válido para realizar los análisis de sensibilidad para la configuración geométrica de la bóveda, la altura del suelo intermedio del edificio y para la ingeniería de detalle de los todos los elementos que existen en el paso de aire desde la entrada, hasta la salida por la chimenea con el fin de optimizar el diseño tanto desde un punto de vista funcional como económico. REFERENCIAS [1] ANSYS FLUENT v.14.5 User guide, March 2013 [2] ANSYS Design Modeler v.14.5 User guide, March 2013 [3] ANSYS Meshing v.14.5 User guide, March 2013 [4] Estudio de Seguridad del Diseño Genérico del ATC. Abril [5] NUREG CFD Best Practice Guidelines for Dry Cask Applications [6] NEA/CSNI/R(2007)5 Best practice guidelines for the use of CFD in Nuclear Reactor Safety Applications [9]