Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN)
Abstract
A circulação natural é um método crucial para o resfriamento seguro do núcleo de
reatores nucleares, garantindo a remoção eficiente do calor residual sem a necessidade de
bombas mecânicas. Este método é particularmente importante em reatores navais
embarcados, onde a confiabilidade e a simplicidade operacional são essenciais. A modelagem
precisa desses sistemas é fundamental para prever comportamentos térmicos e garantir a
segurança e a eficiência do reator sob várias condições operacionais.
Esta dissertação investiga a circulação natural em um circuito de circulação natural
(CCN), com foco na análise das influências de diferentes inclinações operacionais, comumente
empregadas em manobras de submarinos, de 5°, 15° e 30°. Utilizando a Programação Orientada
a Objetos (POO) por meio da linguagem Modelica, o estudo visa validar modelos numéricos
comparando com os dados experimentais e numéricos obtidos pelo código RELAP5/MOD3.3.
Os resultados demonstraram boa concordância do modelo proposto, confirmando a precisão e
a robustez da linguagem Modelica para simulações de sistemas de circulação natural. Este
estudo, portanto, reforça a confiança na utilização da POO para a modelagem e simulação de
circuitos de resfriamento em reatores nucleares.
As observações revelaram que para pequenas inclinações (±5° e ±15°) os impactos no
comportamento do sistema são mínimos, seja na variação da vazão ou na estabilidade do
sistema. Em contrapartida, inclinações mais acentuadas (±30°) resultam em variações
significativas, elevando a temperatura do fluido devido à redução da vazão e prolongando o
aparecimento das instabilidades ao longo de toda a simulação. Esses resultados são
consistentes com estudos anteriores encontrados na literatura, que também observaram que
a inclinação altera a força motriz da circulação natural e pode causar instabilidades devido à
quebra da simetria termo-hidráulica.
Em resumo, este trabalho não apenas valida a linguagem Modelica para a simulação de
sistemas de circulação natural, mas também fornece valiosas conclusões sobre o
comportamento desses sistemas sob diferentes inclinações operacionais. Esses achados são
fundamentais para o projeto e operação segura de reatores nucleares embarcados em navios
e submarinos, contribuindo para a melhoria contínua da tecnologia de resfriamento nuclear.Natural circulation is a crucial method for the safe cooling of nuclear reactor cores,
ensuring efficient removal of residual heat without the need for mechanical pumps. This
method is particularly important in naval reactors, where reliability and operational simplicity
are essential. Accurate modeling of these systems is fundamental for predicting thermal
behaviors and ensuring the safety and efficiency of the reactor under various operational
conditions.
This dissertation investigates natural circulation in a natural circulation circuit (CCN),
with a focus on analyzing the influences of different operational inclinations, commonly
employed in submarine maneuvers, specifically 5°, 15°, and 30°. Utilizing Object-Oriented
Programming (OOP) through the Modelica language, the study aims to validate numerical
models by comparing them with experimental and numerical data obtained using the
RELAP5/MOD3.3 code. The results showed good agreement with the proposed model,
confirming the precision and robustness of the Modelica language for simulating natural
circulation systems. This study, therefore, reinforces confidence in using OOP for modeling and
simulating cooling circuits in nuclear reactors.
The observations revealed that for small inclinations (±5° and ±15°), the impacts on the
system's behavior are minimal, both in terms of flow variation and system stability. In contrast,
more pronounced inclinations (±30°) result in significant variations, increasing the fluid
temperature due to reduced flow and prolonging the appearance of instabilities throughout the
simulation. These results are consistent with previous studies found in the literature, which also
observed that inclination alters the driving force of natural circulation and can cause instabilities
due to the breakdown of thermo-hydraulic symmetry.
In summary, this work not only validates the Modelica language for simulating natural
circulation systems but also provides valuable conclusions into the behavior of these systems
under different operational inclinations. These findings are fundamental for the design and safe
operation of nuclear reactors aboard ships and submarines, contributing to the continuous
improvement of nuclear cooling technology
