Testes de efeitos integrais e separados para reatores avançados

Jan 14, 2024

De acordo com o Energy Information Administration (EIA) 2017 International Energy Outlook, o consumo global de energia deverá aumentar em 28% entre 2020 e 2040 (EIA, 2017). As usinas nucleares geram atualmente 11% da eletricidade mundial. Prevê-se que a energia nuclear será a segunda fonte de energia de crescimento mais rápido do mundo e aumentará em média 1,5% ao ano entre 2020 e 2035. Nos EUA, a energia nuclear representa atualmente cerca de 20% de toda a geração de eletricidade e mais mais de 50% da eletricidade limpa total do país.

A energia nuclear foi identificada como um recurso vital para alcançar emissões líquidas zero em toda a economia até 2050. A maior parte da energia nuclear do mundo é gerada por usinas nucleares de segunda e terceira geração. Embora uma parte significativa das usinas nucleares existentes seja desativada na década de 2030, a crescente demanda por eletricidade livre de carbono em todo o mundo estimulará o desenvolvimento da energia nuclear. Para alcançar segurança, confiabilidade, sustentabilidade, competitividade econômica e resistência à proliferação para a futura energia nuclear, é necessário melhorar as tecnologias no desenvolvimento da energia nuclear. Os reatores avançados oferecem o potencial de transformar a indústria de energia nuclear, fornecendo eletricidade segura, confiável e livre de carbono que aborda a infinidade de desafios decorrentes da descarbonização das redes elétricas em todo o mundo. Os EUA investiram esforços significativos no desenvolvimento de novas tecnologias para reatores avançados na última década.

O desenvolvimento de reatores avançados requer uma compreensão de sistemas integrados e complexos que exibem novos fenômenos sob condições normais, transitórias, fora do normal e acidentais (Zweibaum et al., 2015). A análise fenomenológica e os comportamentos termo-hidráulicos de um reator avançado formam a base para seu projeto e avaliação de segurança (Mascari et al., 2015).

A realização de experimentos significativos em grande escala é cara, demorada ou mesmo impossível dentro do tempo e do orçamento disponíveis. Testes experimentais reduzidos, por exemplo, testes de efeitos separados (SETs) e testes de efeitos integrais (IETs), com considerações de escala apropriadas, são viáveis ​​para desenvolver um banco de dados experimental para caracterizar os possíveis comportamentos protótipos termo-hidráulicos. Os códigos termo-hidráulicos no nível do sistema podem então ser validados no banco de dados e usados ​​para o projeto do sistema do reator e análise de segurança.

Por um lado, os SETs são conduzidos para fornecer dados experimentais para desenvolver e validar modelos físicos e/ou correlações empíricas para caracterizar fenômenos locais únicos ou fenômenos combinados sob condições prototípicas ou simuladas. Como cada um desses modelos e correlações nem sempre pode ser dimensionado para o protótipo, muitos modelos físicos e correlações empíricas com aplicabilidade limitada dentro de uma pequena faixa de condições são implementados nos códigos do sistema usados ​​para identificar respostas termo-hidráulicas simulando vários tipos de acidentes e transientes anormais de reatores de interesse.

As instalações do SET são tipicamente altamente instrumentadas para minimizar as distorções de escala. Por outro lado, os IETs são realizados para investigar os comportamentos, fenômenos e processos de todo o sistema, as interações de dois ou mais componentes e os fenômenos locais que são típicos das funções-alvo do projeto geral do sistema (USNRC, 1998). . As instalações IET podem fornecer todas as respostas termo-hidráulicas dinâmicas e semelhantes que podem aparecer através de acidentes postulados e/ou transientes anormais em um reator de referência.

Os dados obtidos dos experimentos do IET são usados ​​para validar os códigos do sistema e entender os fenômenos de acidentes, em vez de serem diretamente aplicáveis ​​às condições de escala real de um reator de referência. O número de instrumentação e sensores em uma instalação IET é menor do que em uma instalação SET. A distorção de escala é inevitável para IETs e pode ser a origem de incertezas na análise de segurança. É, portanto, importante minimizar ou eliminar a distorção de escala, especialmente a distorção de escala de tempo, pois o controle temporal não é praticável (Bestion, 2017).