Seady-state natural circulation analysis with computational fluid dynamic codes of a liquid metal-cooled accelerator driven system

A new innovative nuclear installation is under research in the nuclear community for its potential application to nuclear waste management and, above all, for its capability to enhance the sustainability of nuclear energy in the future as component of a new nuclear fuel cycle in which its efficiency in terms of primary Uranium ore profit and radioactive waste generation will be improved. Such new nuclear installations are called accelerator driven system (ADS) and are the result of a profitable symbiosis between accelerator technology, high-energy physics and reactor technology. Many ADS concepts are based on the utilization of heavy liquid metal (HLM) coolants due to its neutronic and thermo-physical properties. Moreover, such coolants permit the operation in free circulation mode, one of the main aims of passive systems. In this paper, such operation regime is analysed in a proposed ADS design applying computational fluid dynamics (CFD)

Concentrating solar power technologies. The DESERTEC megaproject

The European strategies on energy have been searching for years to reduce the dependency of Europe from fossil fuels. Underlying this effort, there exist geopolitical, economic, environmental reasons and the reality that oil reservoirs will dry out some day. Renewable energies have become a milestone of this strategy because their huge potential has emerged after years of uncertainty. One of the better developed renewable sources, which is nearer to commercial maturity is solar-thermal energy. In this paper, the current state of this technology will be described as well as the developments that may be expected in the short and mid terms, including the thermoelectric solar megaproject DESERTEC, a German proposal to ensure energy resources to the mayor areas of the EU-MENA countries. The reader will acquire a picture of the current state of the market, of the technical challenges already achieved and of the remaining ones

Assessing the potential of hybrid fossil–solar thermal plants for energy policy making: Brayton cycles

This paper proposes a first study in-depth of solar-fossil hybridization from a general perspective. It develops a set of useful parameters for analyzing and comparing hybrid plants, it studies the case of hybridizing Brayton cycles with current solar technologies and shows a tentative extrapolation of the results to integrated combined cycle systems (ISCSS). In particular, three points have been analyzed: the technical requirements for solar technologies to be hybridized with Brayton cycles, the temperatures and pressures at which hybridization would produce maximum power per unit of fossil fuel, and their mapping to current solar technologies and Brayton cycles. Major conclusions are that a hybrid plant works in optimum conditions which are not equal to those of the solar or power blocks considered independently, and that hybridizing at the Brayton cycle of a combined cycle could be energetically advantageous

Hybrid reactors: nuclear breeding or energy production?

After reviewing the long-standing tradition on hybrid research, an assessment model is presented in order to characterize the hybrid performance under different objectives. In hybrids, neutron multiplication in the subcritical blanket plays a major role, not only for energy production and nuclear breeding, but also for tritium breeding, which is fundamental requirement in fusion–fission hybrids. All three objectives are better achieved with high values of the neutron multiplication factor (k-eff) with the obvious and fundamental limitation that it cannot reach criticality under any event, particularly, in the case of a loss of coolant accident. This limitation will be very important in the selection of the coolant. Some general considerations will be proposed, as guidelines for assessing the hybrid potential in a given scenario. Those guidelines point out that hybrids can be of great interest for the future of nuclear energy in a framework of Sustainable Development, because they can contribute to the efficient exploitation of nuclear fuels, with very high safety features. Additionally, a proposal is presented on a blanket specially suited for fusion–fission hybrids, although this reactor concept is still under review, and new work is needed for identifying the most suitable blanket composition, which can vary depending on the main objective of the hybrid

Performance of a transmutation advanced device for sustainable energy application

Preliminary studies have been performed to design a device for nuclear waste transmutation and hydrogen generation based on a gas-cooled pebble bed accelerator driven system, TADSEA (Transmutation Advanced Device for Sustainable Energy Application). In previous studies we have addressed the viability of an ADS Transmutation device that uses as fuel wastes from the existing LWR power plants, encapsulated in graphite in the form of pebble beds, cooled by helium which enables high temperatures (in the order of 1200 K), to generate hydrogen from water either by high temperature electrolysis or by thermochemical cycles. For designing this device several configurations were studied, including several reflectors thickness, to achieve the desired parameters, the transmutation of nuclear waste and the production of 100 MW of thermal power. In this paper new studies performed on deep burn in-core fuel management strategy for LWR waste are presented. The fuel cycle on TADSEA device has been analyzed based on both: driven and transmutation fuel that had been proposed by the General Atomic design of a gas turbine-modular helium reactor. The transmutation results of the three fuel management strategies, using driven, transmutation and standard LWR spent fuel were compared, and several parameters describing the neutron performance of TADSEA nuclear core as the fuel and moderator temperature reactivity coefficients and transmutation chain, are also presente

Solar multiple optimization for a solar-only thermal power plant, using oil as heat transfer fluid in the parabolic trough collectors

Usual size of parabolic trough solar thermal plants being built at present is approximately 50 M We. Most of these plants do not have a thermal storage system for maintaining the power block performance at nominal conditions during long non-insolation periods. Because of that, a proper solar field size, with respect to the electric nominal power, is a fundamental choice. A too large field will be partially useless under high solar irradiance values whereas a small field will mainly make the power block to work at part-load conditions. This paper presents an economic optimization of the solar multiple for a solar-only parabolic trough plant, using neither hybridization nor thermal storage. Five parabolic trough plants have been considered, with the same parameters in the power block but different solar field sizes. Thermal performance for each solar power plant has been featured, both at nominal and part-load conditions. This characterization has been applied to perform a simulation in order to calculate the annual electricity produced by each of these plants. Once annual electric energy generation is known, levelized cost of energy (LCOE) for each plant is calculated, yielding a minimum LCOE value for a certain solar multiple value within the range considered

Verificación experimental de las correlaciones de transferencia de calor por ebullición en película, en piscina, en torno a esferas

La ebullición en película es el mecanismo de transferencia de calor básico que acopla térmicamente un líquido y una superficie caliente cuando existe una gran diferencia de temperatura entre ambos. El conocimiento preciso del comportamiento de este mecanismo térmico en torno a esferas es necesario para el análisis de seguridad de escenarios industriales en los que exista contacto entre un líquido y un material fundido fragmentado, generalmente en piezas esferoidales, y resulta esencial para garantizar la seguridad de los reactores nucleares ante escenarios accidentales de muy baja probabilidad, pero de gran severidad, en los que se postule la rotura en guillotina del circuito de refrigeración del reactor simultánea al fallo total activo del sistema de refrigeración de emergencia del núcleo. En tal hipotético escenario, se produciría la fusión del combustible en el plazo de algunas horas, con dispersión y relocalización de fragmentos sólidos esferoidales a muy alta temperatura. Para hacer frente a este escenario se precisa desarrollar procedimientos automáticos y manuales de operación de emergencia, resultando imprescindible disponer de modelos térmicos confiables, con un calificado soporte experimental, que permitan analizar de forma realista la refrigeración por ebullición en película, en modo ebullición en piscina, de las geometrías esferoidales sólidas resultantes. En el presente trabajo UNET-UPM abordan la verificación de las correlaciones más conocidas para ebullición en película en piscina en torno a esferas, mediante la comparación de las mismas con los resultados experimentales obtenidos por Liu-Theofanous. Algunos de los aspectos resaltantes son la limitada aplicabilidad de la correlación empírica de Frederking-Clark, el buen ajuste que muestran las correlaciones de Tou- Tso y de Grigoriew frente a los datos experimentales usados, y las deficiencias que muestran las correlaciones que toman en cuenta el subenfriamiento del líquido, sobre todo a altos niveles de subenfriamiento. En una futura segunda fase de esta investigación, de tipo analítica-numérica-experimental, se abordará en el desarrollo de nuevas correlaciones semi-empíricas, de mejor ajuste, que permitan una mejor capacidad predictiva en los modelos

Material selection for spallation neutron source windows. Application to PDS-XADS and XT-ADS prototypes

High performance neutron sources are being proposed for many scientific and industrial applications, ranging from material studies, hybrid reactors and transmutation of nuclear wastes. In the case of transmutation of nuclear wastes, accelerator driven systems (ADS) are considered as one of the main technical options for such purpose. In ADS a high performance spallation neutron source becomes an essential element for its operation and control. This spallation source must fulfil very challenging nuclear and thermo-mechanical requirements, because of the high neutron rates needed in ADS. The material selection for this key component becomes of paramount importance, particularly the source window that separates the vacuum accelerator tube from the spallation material where the accelerated protons impinge. In this paper, an integral analysis of spallation sources is done, taking as a reference the projects in this field proposal in the framework of European projects. Our analysis and calculations show that titanium and vanadium alloys are more suitable than steel as structural material for an industrial ADS beam window, mostly due to its irradiation damage resistance

Revisión general de la transferencia de calor por ebullición en película en piscina

La ebullición en película es el mecanismo de transferencia de calor básico que acopla térmicamente un líquido, saturado o subenfriado, y una superficie caliente cuando existe una gran diferencia de temperatura entre ambos. Dicho mecanismo presenta la complejidad física asociada a la existencia de una capa límite convectiva de vapor en torno a la superficie caliente, así como al acoplamiento térmico radiante entre la superficie y los dos medios participativos que la rodean (vapor y líquido). Este mecanismo tiene aplicaciones tecnológicas de interés en propulsión aeroespacial, en sistemas criogénicos, en procesos industriales metalúrgicos, y en otras áreas de la Ingeniería en donde existe la necesidad de enfriar mediante ebullición superficies a alta temperatura. Por otra parte, la refrigeración por ebullición en película es un mecanismo que resulta de importancia esencial en el análisis de la seguridad de procesos industriales en los que sea previsible la interacción de agua y materiales fundidos, entre los que cabe destacar el caso de los reactores nucleares ante escenarios de riesgo en los que el acoplamiento térmico convectivo-radiante entre el combustible nuclear y el refrigerante, e incluso entre la superficie exterior de la vasija y el refrigerante, garantiza el cumplimiento de los criterios de aceptación en caso de fallo mecánico importante del sistema de refrigeración del reactor. En el presente trabajo, y para identificar el marco en que UNET-UPM desarrollará sus investigaciones sobre ebullición en película en piscina en torno a esferas, se realiza una revisión de los estudios más relevantes desarrollados en esta temática, en la que las primeras investigaciones teóricas y experimentales, de tipo fundamental, se remontan al periodo 1950-65 en que se desarrollaron los primeros proyectos de navegación espacial, y se diseñaron y construyeron los primeros reactores nucleares de aplicación comercial, promoviéndose posteriormente numerosas investigaciones que aportaron correlaciones "ad-hoc" de aplicación restringida a ciertas tecnologías, así como otras de propósito general, de menor precisión pero con mayor soporte teórico

Comparativa resultados académicos entre diferentes planes de estudios en las asignaturas Calor y Frío Industrial y Transferencia de Calor

La adaptación a los nuevos planes de estudios conducentes a la consecución del Espacio Europeo de Educación Superior (EEES) conlleva importantes cambios que se manifiestan tanto en el aprendizaje como en la evaluación. Es en la evaluación donde se ha perseguido hacer un análisis comparativo entre el plan de estudios previo al EEES y el actual en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la UPM, con objeto de detectar en que aspectos se ha mejorado con los cambios realizados y en que otros aspectos se ha perdido eficiencia en el proceso de aprendizaje. Para la realización de esta comparación se previó la realización de un ejercicio de evaluación de una asignatura de contenidos comunes para los dos planes de estudio, el previo al EEES (Ingeniero Superior Industrial) y el actual (Graduado en Ingeniería en Tecnologías Industriales). Esta actividad se planificó persiguiendo la evaluación de cuestiones muy concretas y fácilmente identificables en la resolución del ejercicio que atendían a diferentes competencias y aspectos específicos de la asignatura, dando lugar en la comparación de las dos muestras a resultados objetivos sobre las mejoras a realizar para poder mantener las virtudes del plan de estudios anterior al EEES y fomentar los puntos fuertes del plan de estudios actual. Los resultados muestran tendencias similares, habiéndose detectado como resultado más representativo una mayor capacidad de improvisación y creatividad en la muestra del plan de estudios previo al EEES y una mayor capacidad de trabajo mecánico en la muestra del nuevo plan de estudios (EEES). Este resultado, fruto de una metodología objetiva, resulta extremadamente útil a la hora de buscar aspectos a mejorar en la docencia de cualquier asignatura