06/C184
Estudio experimental de mezclado del flujo refrigerante en combustibles nucleares
Experimental study of refrigerant flow mixing in nuclear fuel
Director: CONVERTI, José
E-mail: converti@cab.cnea.gov.ar
Co-Director: DELMASTRO, Darío Fabián
Integrantes: ABDOU MOHAMED, Hesham Nagah; AZCONA, Maria Alejandra; ECKARDT, Sebastián; MALANCA, Rodrigo Sebastián; MASSON, Viviana Patricia; MATEOS, Daniel Eduardo; RAUSCHERT, Agustin Guillermo; SCHEBLE, Mario; SILIN, Nicolás; GARCÍA PEYRANO, Oscar Alfredo; CISMONDI, Leandro Martín; DAMIANI, Hermes Daniel; TORRES, Erica Elizabeth
Resumen Técnico
En los combustibles nucleares el desempeño térmico-hidráulico es uno de los principales factores que determinan la potencia máxima que se puede producir dentro de los márgenes de seguridad. Uno de los fenómenos que son vitales en su desempeño es el mezclado que se produce en el combustible. Este fenómeno es ventajoso ya que homogeniza las temperaturas en el combustible y aumenta la potencia que puede ser obtenida de un combustible en forma segura. La estimación de la magnitud de este mezclado en combustibles reviste gran dificultad, debido principalmente a que el mezclado en estas geometrías es dominado por estructuras de gran escala cuasi-periódicas y cuyo conocimiento no es aún acabado
Por otro lado en los reactores nucleares de potencia existe una tendencia al uso de elementos promotores de mezclado. La información sobre el desempeño de este tipo de elementos es sumamente limitada en la literatura, lo cual es una limitación importante para el diseñador de elementos combustibles avanzados. Otro aspecto en el que también la información disponible no es completa, o en algunos casos escasa, es la influencia que tienen diversos factores como la vibración de las barras combustibles o la presencia de dos fases en el mezclado. Estos aspectos no deberían ser descuidados ya que los pocos datos disponibles indican que pueden afectar el mezclado de forma apreciable y, en consecuencia, el desempeño de los elementos combustibles
Para cubrir estos tópicos se propone realizar básicamente tres experimentos. El primero de ellos será con una geometría de barras paralelas en arreglos heterogéneos (sección y forma de subcanales distintas entre sí), estudiando el mezclado entre subcanales con promotores de mezclado mediante una técnica de trazas térmicas desarrollada en nuestro laboratorio. El segundo experimento estudiará la influencia de vibraciones mecánicas en el mezclado; este experimento se realizará en un arreglo con una geometría sencilla, utilizando un actuador para producir la excitación de las barras pero cuidando de aislar los efectos de mezclado de los de modificación del área de pasaje de los subcanales. Por último se realizará un experimento para estudiar el mezclado en presencia de dos fases, para lo que se utilizará, además de la técnica de trazas térmicas, una sonda óptica para medir parámetros de dos fases tales como fracción de vacío y frecuencia de impacto.
Estos estudios, además de ser de relevancia para la industria, proveerán una oportunidad de desarrollo académico para los miembros del laboratorio y son temas de investigación atractivos para los estudiantes del Instituto Balseiro.
Summary
One of the main factors that determine the maximum power output to be obtained under safety margins on nuclear fuel elements is the thermohydraulic performance. One of the phenomena vital to its performance is the mixing that occurs in the fuel. This phenomena is beneficial as it homogenizes the temperature in the fuel therefore increasing the power obtainable in a safe way. The estimation of this mixing rate on an actual nuclear fuel is quite difficult, mainly due to the fact that in these geometries the mixing is driven by large-scale cuasi-periodic flow structures whose knowledge ins not yet completely understood.
On the other hand on nuclear power reactors there is a tendency to include mixing promoter elements. The information on the performance of these kind of elements is very limited on the literature, which is an important limitation to the advanced fuel element designer. Another aspect in which available information is not complete, or sometimes even scarce, is the influence on mixing of different factors as vibrations of fuel rods or the presence of two phases. These aspects should not be overlooked as the few available data show they could affect mixing in a notorious degree and therefore, the performance of nuclear fuel elements.
To cover these topics we propose to perform three experiments. The first one will be performed on a geometry of parallel rods in a heterogeneous array (subchannels of different shape and cross sections), studying the mixing between subchannels in prescence of turbulence promoters by using the thermal traces technique. The second experiment will study the influence of mechanical vibrations in the mixing rates with the same technique as before; this experiment will be performed in a simple geometry, using an actuator for the rod exitation. Finally an experiment will be performed to study mixing rates in presence of two phases, for which not only the thermal tracing technique but also an optic probe will be used to measure two phase parameters such as void fraccion and impact frequency.
These studies, while being of relevance to the industry, will also provide an oportunity for academic development for the members of the laboratory and are an atractive research topic for the students of the Balseiro Institute.