Análise direta e inversa da transferência de calor transiente com termo fonte variável em varetas combustíveis de reatores nucleares

Abstract

Este trabalho apresenta um estudo térmico do processo de geração de energia em uma vareta combustível nuclear, que fica inserida no núcleo do reator. Primeiramente é feita uma análise direta do problema térmico em escrutínio, e em seguida, um problema inverso na vareta combustível é investigado. O comportamento térmico do material combustível é basicamente determinado através da equação da condução de calor, onde uma descrição precisa da distribuição de temperatura no elemento é essencial, principalmente em caso de acidentes nucleares. Procura-se obter soluções para a transferência de calor por condução transiente em varetas combustíveis, no evento de falha no sistema de barras de controle, que acarreta em um fluxo descontrolado de nêutrons, onde o termo fonte de calor passa a ser variável. Para a análise direta do problema foram desenvolvidas três modelagens, e seus resultados comparados, a fim de inferir acerca da influência térmica do material de revestimento e da região do “gap” na transferência de calor na vareta combustível. O problema inverso possui o intuito de estimar o termo fonte de calor variável, por estimativa de parâmetros, através dos métodos de Levenberg-Marquardt e do PSO. O estudo inverso mostrou ter grande aplicabilidade para a análise térmica, pois se um sensor estiver disponível para medir as temperaturas na superfície da vareta combustível, o termo fonte variável pode ser estimado, e então, a distribuição de temperatura transiente na vareta pode ser obtida pelo problema direto. Por falta de dados reais de temperaturas na superfície do cilindro, foram geradas medidas pseudoexperimentais com ruídos para a análise inversa, sendo que os métodos de solução utilizados apresentaram resultados satisfatórios. O método de Levenberg-Marquardt apresentou menor tempo computacional em relação ao PSO. Da forma como se aplicou o conceito dos parâmetros concentrados na vareta combustível, apenas para a região do revestimento, viu-se que é possível utilizar a solução para altos coeficientes de transferência de calor por convecção, ao contrário do que é visto na solução clássica por parâmetros concentrados em toda a vareta combustível. Foi visto que o número de Biot pode desempenhar um importante papel na análise térmica da vareta combustível, a fim de aumentar o tempo crítico, que é o período requerido para a fusão do material de revestimento. Tal fato, pode ser um aspecto interessante a fim de evitar ou amenizar os efeitos de um acidente nuclear. Ademais, viu-se que o material de revestimento não possui influência térmica significativa no problema investigado, já a região do “gap” interfere no perfil de temperatura radial do combustível, entretanto esta não afeta o perfil de temperatura superficial da vareta.