Submitted by Claudinei Pracidelli (cpracide@ipen.br) on 2016-06-22T14:12:07Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2016-06-22T14:12:07Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Após os acidentes nucleares ocorridos no mundo, critérios e requisitos extremamente rígidos para a operação das instalações nucleares foram determinados pelos órgãos internacionais que regulam essas instalações. A partir da ocorrência destes eventos, as operadoras de plantas nucleares necessitam simular alguns acidentes e transientes, por meio de programas computacionais específicos, para obter a licença de operação de uma planta nuclear. Com base neste cenário, algumas ferramentas computacionais sofisticadas têm sido utilizadas como o Reactor Excursion and Leak Analysis Program (RELAP5), que é o código mais utilizado para a análise de acidentes e transientes termo-hidráulicos em reatores nucleares no Brasil e no mundo. Uma das maiores dificuldades na simulação usando o código RELAP5 é a quantidade de informações geométricas da planta necessárias para a análise de acidentes e transientes termo-hidráulicos. Para a preparação de seus dados de entrada é necessário um grande número de operações matemáticas para calcular a geometria dos componentes. Assim, a fim de realizar estes cálculos e preparar dados de entrada para o RELAP5, um pré-processador matemático amigável foi desenvolvido, neste trabalho. O Visual Basic for Applications (VBA), combinado com o Microsoft Excel, foi utilizado e demonstrou ser um instrumento eficiente para executar uma série de tarefas no desenvolvimento desse pré-processador. A fim de atender as necessidades dos usuários do RELAP5, foi desenvolvido o Programa de Cálculo do RELAP5 PCRELAP5 onde foram codificados todos os componentes que constituem o código, neste caso, todos os cartões de entrada inclusive os opcionais de cada um deles foram programados. Adicionalmente, uma versão em inglês foi criada para PCRELAP5. Também um design amigável do PCRELAP5 foi desenvolvido com a finalidade de minimizar o tempo de preparação dos dados de entrada e diminuir os erros cometidos pelos usuários do código RELAP5. Nesse trabalho, a versão final desse pré-processador foi aplicada com sucesso para o Sistema de Injeção de Emergência (SIE) da usina Angra 2. / Dissertação (Mestrado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Submitted by Mery Piedad Zamudio Igami (mery@ipen.br) on 2017-03-10T16:45:35Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2017-03-10T16:45:35Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / O presente estudo foi realizado para verificar a possibilidade de redução do núcleo do reator IEA-R1 do IPEN/CNEN-SP. Cálculos neutrônicos foram desenvolvidos para um conjunto de novas configurações para que, a posteriori, a análise termo-hidráulica e de segurança pudessem ser realizadas. As novas configurações analisadas são menores por diversos motivos, como obter uma melhor utilização do combustível, melhor distribuição dos fluxos de nêutrons, dentre outros. Para que se possa atingir tais configurações, a densidade de Urânio no combustível deve ser aumentada. Neste estudo, combustíveis de U3Si2-Al com 4,8gU/cm3 foram testados e novos núcleos para o reator IEA-R1 foram propostos e discutidos. A análise neutrônica não impõe restrições aos núcleos estudados. A análise termohidráulica mostrou que as margens de segurança e os perfis de temperatura ao longo das placas combustíveis não excedem os limites de projeto. Os coeficientes de temperatura obtidos para os novos núcleos, no caso isotérmico, são todos negativos, conforme desejado. A queima mostrou que núcleos supercompactos não apresentam excesso de reatividade suficiente para o funcionamento dos mesmo, ao se utilizar combustíveis com 4,8gU/cm3. Um APR (Acidente de Perda de Refrigerante) foi simulado para os núcleos remanescentes. A ruptura da fronteira do primário se mostrou o acidente mais crítico, devido ao curto tempo para o esvaziamento completo da piscina do reator. As temperaturas atingidas após o descobrimento foram calculadas e não excedem aquelas cujos valores propiciam empolamento nas placas combustíveis (475 °! a 550 °!), uma vez que se obedeça os tempos de esvaziamento seguro da piscina para as novas configurações. / Tese (Doutorado em Tecnologia Nuclear ) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP / FAPESP: 11/17090-7

Ziel dieser Arbeit war es, die Auswirkungen der im Kühlmittel von Leichtwasserreaktoren zur Reaktivitätssteuerung eingesetzten Borverbindungen auf Siedeprozesse – und damit indirekt auf die Wärmeabfuhr der Brennelemente – zu untersuchen. Bei den Siedeversuchen, die Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind, wurde besonders auf eine realitätsnahe Annäherung an die Reaktorparameter Wert gelegt. Als Unterstützung zur Interpretation der Ergebnisse dienten eigene Messungen von signifikanten physikalischen Stoffdaten an wässrigen Borsäure- und Pentaboratlösungen. Die Siedeprozesse wurden in einer eigens für diese Analysen konzipierten und errichteten Versuchsanlage SECA unter Verwendung eines Leitfähigkeitsgittersensors sowie einer Hochgeschwindigkeitskamera bei Drücken von maximal 40 bar und Temperaturen bis zu 250 °C untersucht. Entsprechend der in den Untersuchungen gewonnenen Erkenntnis wird für reale Reaktoren fol-gendes angenommen: Die Anwesenheit von Borsäure hat keinen Einfluss auf großvolumige Sie-devorgänge im betrachteten Störfallszenario eines Druckwasserreaktors, und die Auswirkungen auf das unterkühlte Sieden sind vernachlässigbar gering. Es ist nicht zu erwarten, dass der Wärmeübergang von den Brennelementen an das Kühlmittel beeinflusst wird. Bei einer Einspeisung von Pentaborat in Siedewasserreaktoren kann jedoch davon ausgegangen werden, dass der Wärmeübergang durch eine Verkleinerung der Blasen verbessert wird. Weitere Untersuchungen bezüglich des Austrages von Pentaborat an der Phasengrenze sowie der Bildung von Schäumen sind jedoch notwendig, und es ist den Fragen nachzugehen, ob sich diese Schäume auch bei der Einspeisung von Pentaborat in einen Siedewasserreaktor bilden können und welche Auswirkungen diese auf die oberhalb des Kerns befindlichen Dampfabscheiderzyklone und Dampftrockner haben.

Die vorliegende Dissertationsschrift beinhaltet die Ergebnisse der Untersuchung von loka-len und globalen Prozessen der Wärmeübertragung beim unterkühlten Strömungssieden. Sie ist an der Schnittstelle zwischen Reaktorsicherheitsforschung und der experimentellen Thermofluiddynamik für Phasenübergänge einzuordnen. In technischen Anwendungen zur effizienten Übertragung großer Wärmemengen spielt der Prozess des Siedens eine wichtige Rolle. Dieser Vorgang bewirkt einen starken Anstieg des Wärmetransportes von der beizten Wand an das Fluid bei vergleichsweise geringem Anstieg der Wandtemperatur. Der maximal übertragbare Wärmestrom beim Sieden wird begrenzt durch die sogenannte kritische Wärmestromdichte, deren Überschreitung zum thermomechanischen Versagen der beheizten Komponente führen kann. Aufgrund der Komplexität dieser Prozesse ist es trotz intensiver Arbeiten in den letzten Jahrzehnten noch nicht gelungen, diese Vorgänge detailliert zu modellieren. Eine Weiter-entwicklung der Modelle zur realistischen Beschreibung des unterkühlten Strömungssie-dens erfordert neuartige Untersuchungen, welche eine genaue Klassifizierung der partiellen Wärmeübergänge des Blasensiedens ermöglichen. Die Analyse partieller Wärmetransportgrößen beim unterkühlten Strömungssieden sowie der Einfluss variierender thermohydraulischer Randbedingungen ist Schwerpunkt dieser Arbeit. In der entwickelten Versuchsanlage erfolgt die Erfassung der Siedevorgänge bei Strömungsgeschwindigkeiten von 0,1 – 2 m/s und Eintrittstemperaturen von 60 - 98 °C. Mit Hilfe empfindlicher Temperaturmessungen in einem elektrisch beheizten Kapillarrohr innerhalb des Strömungskanals werden die globalen Vorgänge beim Übergang von Kon-vektion zum Sieden erfasst. Durch eine modellbasierte Bestimmung der Oberflächentem-peratur lassen sich Phänomene nachweisen, welche bisher weitestgehend unbeachtet ge-blieben sind. Die transparente Versuchsstrecke ermöglicht eine Erfassung der lokalen Sie-devorgänge mit optisch und zeitlich hochauflösenden Messverfahren. Durch die Entwick-lung neuer Algorithmen der digitalen Bildverarbeitung wurde eine umfangreiche, kenngrö-ßenorientierte Auswertung der in großem Umfang entstandenen Datenmengen realisiert. Der Einsatz transparenter und elektrisch leitfähiger Beschichtungen ermöglicht die mikro-skopische Erfassung des Blasenwachstums in weiten thermohydraulischen Parameterberei-chen. Mit erweiterten Bildverarbeitungsalgorithmen erfolgt die detaillierte und dynamische Bewertung des Blasenwachstumsverhaltens. Die statistische Auswertung der Verläufe er-möglicht die Ableitung eines Blasenwachstumsmodells für unterkühltes Strömungssieden. In einer weiteren Versuchsanordnung werden die lokalen Wärmetransportvorgänge bei der Ablösung quasistatisch gewachsener Blasen mit Hilfe der Infrarot-Thermographie be-stimmt. Dadurch können erstmalig die aus der lokalen Abkühlung der beheizten Oberfläche durch Blasenablösung resultierenden Wärmeströme unter Vernachlässigung der Bla-senbildung experimentell quantifiziert werden. Weiterhin können die bisher theoretisch beschriebenen Driftströmungen beim Aufstieg der Blase experimentell nachgewiesen wer-den. Die ermittelten Größen und Zusammenhänge tragen zur Weiterentwicklung und zum Abbau von Unsicherheiten bei der Modellierung von Wärmetransportvorgängen beim unterkühlten Strömungssieden bei.

DYN3D is an best estimate advanced code for the three-dimensional simulation of steady-states and transients in light water reactor cores with quadratic and hexagonal fuel assemblies. Burnup and poison-dynamic calculations can be performed. For the investigation of wide range transients, DYN3D is coupled with system codes as ATHLET and RELAP5. The neutron kinetic model is based on the solution of the three-dimensional two-group neutron diffusion equation by nodal expansion methods. The thermal-hydraulics comprises a one- or two-phase coolant flow model on the basis of four differential balance equations for mass, energy and momentum of the two-phase mixture and the mass balance for the vapour phase. Various cross section libraries are linked with DYN3D. Systematic code validation is performed by FZR and independent organizations.

[ES] El análisis del decaimiento de combustible es fundamental para comprender los cambios a largo plazo en la composición del combustible del reactor debido al quemado del mismo. A medida que se consume el combustible, su composición isotópica cambia y eso afecta significativamente la vida útil operativa del reactor, su estabilidad y sus mecanismos de control. Para abordar estas complejidades, es crucial emplear un conjunto meticulosamente seleccionado de secciones eficaces y parámetros nucleares. Este enfoque no solo garantiza predicciones precisas del comportamiento del reactor tanto en condiciones estacionarias y transitorias, sino que también optimiza el ciclo del combustible y mejora el rendimiento global del reactor. Las librerías de secciones eficaces son la columna vertebral de cualquier código tridimensional utilizado en los cálculos del núcleo. Sin embargo, uno de los principales retos que plantea el cálculo del transporte de neutrones es la necesidad de que cada método empleado haga uso de secciones eficaces estructuradas con metodologías, formatos y contenidos distintos. Esta tesis lleva a cabo una exploración exhaustiva de la física de reactores, centrándose en estos problemas críticos. Su objetivo es desentrañar cómo se capturan y representan los fenómenos de los reactores mediante un análisis en profundidad de las librerías de secciones eficaces. Mediante la investigación de las fuentes de secciones eficaces y datos cinéticos, y la comprensión de los requisitos detallados para resolver diversos problemas, la tesis contribuye a avanzar en las evaluaciones de seguridad robustas y garantizar una representación precisa del comportamiento del reactor. Uno de los aspectos centrales de la tesis es la evaluación de la secuencia computacional CASMO-4/GenPMAXS/PARCS en el análisis de la operación de Reactores de Agua en Ebullición (BWR) con combustibles actuales. Esta evaluación implica una rigurosa verificación de las librerías de secciones eficaces a través de comparativas código a código, lo que garantiza consistencia y precisión en la predicción de la potencia radial y axial del reactor a lo largo del ciclo, mediante librerías de secciones eficaces colapsadas en dos grupos de energía. Además, se realiza un análisis de las predicciones del código nodal PARCS, que se compara con el simulador del núcleo de la planta, SIMULATE-3, utilizado como referencia en cada simulación. Adicionalmente, se incluye la validación de las librerías de secciones eficaces creadas y la comparación del modelo neutrónico del código de núcleo 3D PARCS con datos reales de planta utilizando el sistema detector In-Core Traveling Probe (TIP) con detectores gamma de alta resolución. La simulación de la respuesta del TIP es de importancia crucial para los simuladores del núcleo, ya que permite el uso fiable de las mediciones proporcionadas por este sistema para validar las predicciones y evaluar la precisión de las distribuciones de potencia radiales y axiales calculadas, contrastándolas con las tasas de reacción medidas por los instrumentos in-core. Este estudio emplea las mediciones del TIP para validar la capacidad del código PARCS en la modelización de diseños avanzados de combustible BWR y en el cálculo de distribuciones de potencia tridimensionales bajo condiciones operativas reales. La utilización de datos de planta no solo incrementa la fiabilidad de los modelos, sino que también refuerza el valor práctico de esta investigación dentro del campo de la física de los reactores nucleares. El impacto de las librerías de secciones eficaces en los análisis de seguridad se examina aplicándolas a los transitorios de cierre de la válvula de aislamiento de vapor principal (MSIVC) sin SCRAM (ATWS) mediante el código acoplado TRAC-BF1/PARCS. En un evento de MSIVC ATWS, las respuestas del núcleo se ven afectadas por la interacción entre la retroalimentación de reactividad debida al vacío, impulsada por el colapso del vacío, y la retroalimentación de reactivida / [CA] L'anàlisi del decaïment del combustible és fonamental per a comprendre els canvis a llarg termini en la composició del combustible del reactor deguts al seu cremat. A mesura que el combustible es consumeix, la seua composició isotòpica es modifica, la qual cosa afecta significativament la vida útil operativa del reactor, la seua estabilitat i els mecanismes de control associats. Per a abordar aquestes complexitats, resulta crucial emprar un conjunt meticulosament seleccionat de seccions eficaces i paràmetres nuclears. Aquest enfocament no sols garanteix prediccions precises sobre el comportament del reactor, tant en condicions estacionàries com transitòries, sinó que també optimitza el cicle del combustible i millora el rendiment global del reactor. Les llibreries de seccions eficaces constitueixen l'eix fonamental de qualsevol codi tridimensional utilitzat en els càlculs del nucli del reactor. No obstant això, un dels principals reptes que presenta el càlcul del transport de neutrons radica en la necessitat que cada mètode aplicat utilitze seccions eficaces estructurades conforme a diferents metodologies, formats i continguts. Aquesta tesi aborda una exploració exhaustiva de la física de reactors, centrant-se en aquestes qüestions crítiques. L'objectiu és desentranyar com es capten i es representen els fenòmens característics dels reactors mitjançant una anàlisi profunda de les llibreries de seccions eficaces. Mitjançant la investigació de les fonts de seccions eficaces i dels paràmetres cinètics, així com la comprensió detallada dels requisits necessaris per a resoldre diverses problemàtiques, aquest treball contribueix a avançar en la robustesa de les avaluacions de seguretat i a garantir una representació precisa del comportament del reactor. Un dels aspectes centrals d'aquesta investigació és l'avaluació de la seqüència computacional CASMO-4/GenPMAXS/PARCS en l'anàlisi de l'operació de reactors d'aigua en ebullició (BWR) amb combustibles contemporanis. Aquesta avaluació implica una rigorosa verificació de les llibreries de seccions eficaces mitjançant comparatives codi a codi, la qual cosa garanteix consistència i precisió en la predicció de la potència radial i axial del reactor al llarg del cicle, emprant llibreries de seccions eficaces col·lapsades en dos grups d'energia. A més, es realitza una anàlisi de les prediccions del codi nodal PARCS, comparant-les amb el simulador del nucli de la planta, SIMULATE-3, utilitzat com a referència en cada simulació. A més, s'inclou la validació de les llibreries de seccions eficaces generades i la comparació del model neutrònic tridimensional del codi PARCS amb dades reals de la planta, obtingudes a través del sistema detector In-Core Traveling Probe (TIP), equipat amb detectors gamma d'alta resolució. La simulació de la resposta del TIP és d'importància crucial per als simuladors del nucli, ja que permet l'ús fiable de les mesures proporcionades per aquest sistema per a validar les prediccions i avaluar la precisió de les distribucions de potència radials i axials calculades, contrastant-les amb les taxes de reacció mesurades pels instruments in-core. Aquest estudi empra les mesures del TIP amb l'objectiu de validar la capacitat del codi PARCS en la modelització de dissenys avançats de combustible BWR i en el càlcul de distribucions de potència tridimensionals sota condicions operatives reals. La utilització de dades de planta no sols augmenta la fiabilitat dels models, sinó que també reforça de manera significativa el valor pràctic d'aquesta investigació en l'àmbit de la física de reactors nuclears. L'impacte de les llibreries de seccions eficaces sobre els anàlisis de seguretat s'avalua a través de la seua aplicació en transitoris de tancament de la vàlvula principal d'aïllament de vapor (MSIVC) sense SCRAM (ATWS), emprant el codi acoblat TRAC-BF1/PARCS. En un escenari de MSIVC ATWS, la resposta del nucli es veu condicionada per la interacció entre la retroalimentació de reactiv / [EN] The analysis of fuel depletion is essential for understanding the long term changes in reactor fuel composition due to burnup. As fuel undergoes burnup, its isotopic composition alters, significantly influencing the reactor's operational life, stability, and control mechanisms. To address these complexities, the employment of a meticulously selected set of cross sections and nuclear parameters is crucial. This approach not only ensures accurate predictions of reactor behavior under both steady state and transient conditions but also optimizes the fuel cycle and enhances overall reactor performance. Cross section libraries form the backbone of any three dimensional code used in core calculations. However, a significant challenge in neutron transport calculations arises from the necessity for each method to utilize cross sections structured with varying methodologies, formats, and contents. This thesis undertakes a comprehensive exploration of reactor physics, focusing on these critical issues. It seeks to unravel how reactor phenomena are captured and represented through an in depth analysis of cross section libraries. By investigating the sources of cross sections and kinetic data, and understanding the detailed requirements for solving various problems, this work advances robust safety assessments and ensures an accurate representation of reactor behavior. A central focus of the research is the evaluation of the accuracy of the CASMO 4/GenPMAXS/PARCS computational sequence in analyzing modern Boiling Water Reactor (BWR) operations with current fuels. This entails rigorous verification of cross section libraries through code to code comparisons, ensuring consistency and accuracy in steady state performance parameters and two group energy cross sections. The predictions of the nodal code PARCS are meticulously assessed against the plant core simulator SIMULATE 3, which serves as a benchmark for each simulated case. Furthermore, the validation of the created cross section libraries is conducted through comparisons with real plant data utilizing the In Core Traveling Probe (TIP) system equipped with high resolution gamma detectors. Simulating the TIP response is a critical element for core simulators, enabling the reliable use of TIP measurements to validate predictions and assess the accuracy of calculated radial and axial power distributions by comparing them with measured in core instrument reaction rates. This study leverages TIP measurements to validate the capability of PARCS in modeling advanced BWR fuel designs and calculating 3D power distributions under actual reactor operating conditions. The utilization of real plant data not only enhances the reliability of the models but also significantly elevates the practical value of this research within the field of nuclear reactor physics. The impact of cross section libraries on safety analyses is further examined by applying them to Main Steam Isolation Valve Closure (MSIVC) transients without SCRAM (ATWS) through the coupled code TRAC BF1/PARCS. In an MSIVC ATWS event, core responses are influenced by the interplay between void reactivity feedback, driven by void collapse, and negative Doppler reactivity feedback. Consequently, the severity of the transient hinges on both system behavior and the accuracy of cross section libraries in predicting nuclear parameters. Given these considerations, the MSIVC ATWS scenario serves as an exemplary context for assessing the efficacy of cross section libraries in predicting the evolution of critical parameters under demanding transient conditions. This assessment enhances the modeling capabilities for such events and allows for the simulation of complex thermal hydraulic and feedback phenomena over extended durations. A significant contribution of this thesis is the identification of limitations within the NUREG/CR 7164 recommendations for modeling cross sections for BWR analysis. These recommendations fall short of encompassing the fu / Soler Martínez, MD. (2024). Impact of Nuclear Parameters Processing Techniques on BWR Dynamic Calculations [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/213212