A segurança de instalações nucleares é uma preocupação mundial que tem crescido, sobretudo, após o acidente nuclear de Fukushima. O estudo de acidentes em reatores nucleares de pesquisa tal como o Acidente de Perda de Refrigerante (APR), considerado por muitas vezes um acidente base de projeto, é importante para garantir a integridade da instalação. O APR pode levar ao descobrimento parcial ou total do núcleo do reator e, como condição de segurança, deve-se garantir que haja a remoção do calor de decaimento dos elementos combustíveis. Esse trabalho teve o objetivo de realizar experimentos de descobrimento parcial e total no Elemento Combustível Instrumentado (ECI), construído no Instituto de Pesquisas Energética e Nucleares (IPEN), a fim de estudar os possíveis APRs em reatores de pesquisa. Uma seção de testes, denominada STAR, foi projetada e construída para simular os APRs. O ECI foi irradiado no núcleo do reator IEA-R1 (IPEN) e inserido na STAR, que ficou totalmente imersa na piscina do reator. No ECI, foram instalados termopares para medição das temperaturas do revestimento e do fluido em várias posições axiais e radiais. Foram realizados experimentos para cinco níveis de descobrimento do ECI, um total e quatro parciais, em duas condições distintas de calor de decaimento. Na análise dos resultados, verificou-se que os casos de descobrimento total foram os mais críticos, ou seja, as temperaturas do revestimento foram as maiores quando comparadas com os casos de descobrimentos parciais. Adicionalmente, foi realizada a simulação numérica de dois experimentos com o código RELAP5, cujos resultados demonstraram ótima concordância com os dos níveis experimentais, e temperaturas maiores que as experimentais. As máximas temperaturas do revestimento alcançadas em todos os experimentos ficaram bem abaixo da temperatura de empolamento do combustível, que é de 500°C. Assim, a STAR provou ser um aparato experimental seguro e confiável para a realização de experimentos de perda de refrigerante. / The safety of nuclear facilities has been a growing global concern mainly after the Fukushima nuclear accident. Studies on nuclear research reactor accidents such as the Loss of Coolant Accident (LOCA), considered many times a design basis accident, are important for guaranteeing the integrity of the plant. A LOCA may lead to the partial or complete uncovering of the fuel assemblies and assured decay heat removal is a safety condition. This work aimed to perform partial and complete uncovering experiments in the Instrumented Fuel Assembly (IFA) designed at the Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN) in order to study possible LOCAs in research reactors. A test section for experimental simulation of Loss of Coolant Accident named STAR was designed and built. The IFA was irradiated in the IEA-R1 and installed in the STAR, which was totally immersed in the reactor pool. Thermocouples were installed in the IFA to measure the clad and fluid temperatures in several axial and radial positions. The experiments were carried out for five levels of uncovering of IFA, being one complete uncovering and four partial uncovering, in two different conditions of decay heat. In the results analysis was observed that the cases of complete uncovering of the IFA were the most critical ones, that is, those cases presented higher clad temperatures when compared with partial uncovering cases. Additionally, a numerical simulation of two experiments was carried out by using the RELAP 5 code. The numerical results showed an optimum agreement with the experimental levels results and greater than the experimental temperatures. The maximum clad temperatures reached in all experiments were quite below the fuel blister temperature, which is 500 °C. Therefore, the STAR has proven to be a safe and reliable experimental apparatus for conducting loss of coolant experiments.

A segurança de instalações nucleares é uma preocupação mundial que tem crescido, sobretudo, após o acidente nuclear de Fukushima. O estudo de acidentes em reatores nucleares de pesquisa tal como o Acidente de Perda de Refrigerante (APR), considerado por muitas vezes um acidente base de projeto, é importante para garantir a integridade da instalação. O APR pode levar ao descobrimento parcial ou total do núcleo do reator e, como condição de segurança, deve-se garantir que haja a remoção do calor de decaimento dos elementos combustíveis. Esse trabalho teve o objetivo de realizar experimentos de descobrimento parcial e total no Elemento Combustível Instrumentado (ECI), construído no Instituto de Pesquisas Energética e Nucleares (IPEN), a fim de estudar os possíveis APRs em reatores de pesquisa. Uma seção de testes, denominada STAR, foi projetada e construída para simular os APRs. O ECI foi irradiado no núcleo do reator IEA-R1 (IPEN) e inserido na STAR, que ficou totalmente imersa na piscina do reator. No ECI, foram instalados termopares para medição das temperaturas do revestimento e do fluido em várias posições axiais e radiais. Foram realizados experimentos para cinco níveis de descobrimento do ECI, um total e quatro parciais, em duas condições distintas de calor de decaimento. Na análise dos resultados, verificou-se que os casos de descobrimento total foram os mais críticos, ou seja, as temperaturas do revestimento foram as maiores quando comparadas com os casos de descobrimentos parciais. Adicionalmente, foi realizada a simulação numérica de dois experimentos com o código RELAP5, cujos resultados demonstraram ótima concordância com os dos níveis experimentais, e temperaturas maiores que as experimentais. As máximas temperaturas do revestimento alcançadas em todos os experimentos ficaram bem abaixo da temperatura de empolamento do combustível, que é de 500°C. Assim, a STAR provou ser um aparato experimental seguro e confiável para a realização de experimentos de perda de refrigerante. / The safety of nuclear facilities has been a growing global concern mainly after the Fukushima nuclear accident. Studies on nuclear research reactor accidents such as the Loss of Coolant Accident (LOCA), considered many times a design basis accident, are important for guaranteeing the integrity of the plant. A LOCA may lead to the partial or complete uncovering of the fuel assemblies and assured decay heat removal is a safety condition. This work aimed to perform partial and complete uncovering experiments in the Instrumented Fuel Assembly (IFA) designed at the Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN) in order to study possible LOCAs in research reactors. A test section for experimental simulation of Loss of Coolant Accident named STAR was designed and built. The IFA was irradiated in the IEA-R1 and installed in the STAR, which was totally immersed in the reactor pool. Thermocouples were installed in the IFA to measure the clad and fluid temperatures in several axial and radial positions. The experiments were carried out for five levels of uncovering of IFA, being one complete uncovering and four partial uncovering, in two different conditions of decay heat. In the results analysis was observed that the cases of complete uncovering of the IFA were the most critical ones, that is, those cases presented higher clad temperatures when compared with partial uncovering cases. Additionally, a numerical simulation of two experiments was carried out by using the RELAP 5 code. The numerical results showed an optimum agreement with the experimental levels results and greater than the experimental temperatures. The maximum clad temperatures reached in all experiments were quite below the fuel blister temperature, which is 500 °C. Therefore, the STAR has proven to be a safe and reliable experimental apparatus for conducting loss of coolant experiments.

Several nuclear research reactors use or are planned with cores containing flat-plate- type fuel elements. The nuclear fuel is contained in parallel plates that are separated by narrow channels through which the fluid flows to remove the heat generated by fission reactions. One of the problems of this fuel element design is the mechanical stability of the fuel plates. High-velocity coolant flowing through the channels can cause large deflections of these plates leading to local overheating, structural failure or plate collapse. As a consequence, the safe operation of the reactor may be affected. In this work, a numerical fluid-structure interaction study was conducted for evaluating the mechanical stability of nuclear fuel plates under axial flow conditions. Five different cases were analyzed. In all cases, the system consisted of two fuel plates bounded by fluid channels but, in case 5, a support comb at the leading edge of the plates was inserted. The pressure loadings caused by the fluid flow were calculated using a Computational Fluid Dynamics model created with ANSYS CFX. The structural response was determined by means of a Finite Element Analysis model generated with ANSYS Mechanical. Both models were coupled using the two-way fluid-structure interaction approach. The results from Case 1 allowed proposing a methodology to predict the critical velocity of the assembly without an inlet support comb. The maximum deflection of the plates was detected at their leading edges. It was detected that, for flow rates in the channels less than a certain value, the maximum deflection increased linearly with the square of the coolant velocity. In contrast, for greater flow rates, a nonlinear behavior was observed. Therefore, that fluid velocity was identified as the critical velocity of the system. Besides, above the critical velocity, an extra deflection peak was observed near the trailing edge of the plates. In cases 2, 3 and 4, the influence of manufacturing deviations and the change of materials properties due to the increment of temperature on the critical velocity was investigated. With these conditions, the critical velocity of the system was found at lower values. Lastly, in Case 5, the effectiveness of using a support comb at the leading edge of the plates was investigated. The results showed that the static divergence at the inlet end is effectively eliminated with the installation of the comb. In addition, the flow-induced deflections along the length of the plates were significantly diminished with the comb. / Muitos reatores nucleares de pesquisa usam ou são planejados com elementos combustíveis tipo placas planas. O combustível nuclear está contido em placas paralelas que são separadas por canais estreitos através dos quais o fluido refrigerante passa para remover o calor gerado pelas reações de fissão. Um dos problemas deste tipo de elemento combustível é a estabilidade mecânica das placas de combustível. O líquido refrigerante a alta velocidade pode causar deflexões excessivas dessas placas, bloqueando o canal de escoamento e levar ao superaquecimento nas placas, falha estrutural ou colapso da placa. Como consequência, a operação segura do reator pode ser afetada. Neste trabalho, foi realizado um estudo numérico de interação fluido-estrutura para avaliar a estabilidade mecânica de placas de combustível nuclear sob condições de fluxo axial. Cinco diferentes casos foram analisados. Em todos os casos, o sistema consistiu em duas placas de combustível delimitadas por canais de fluido, mas, no caso 5, um pente de suporte na borda de ataque das placas foi inserido. As cargas de pressão causadas pela vazão foram calculadas usando um modelo de Dinâmica dos Fluidos Computacional, criado com ANSYS CFX. A resposta estrutural foi determinada por meio de um modelo de elementos finitos, gerado com ANSYS Mechanical. Os modelos foram acoplados usando a abordagem de interação fluido-estrutura bidirecional. Os resultados do Caso 1 permitiram propor uma metodologia para prever a velocidade crítica do sistema sem o pente de suporte. A deflexão máxima das placas foi observada em suas bordas de ataque. Foi detectado que, para velocidades nos canais inferiores a um determinado valor, a deflexão máxima aumentava linearmente com o quadrado da velocidade do líquido refrigerante. Em contraste, para maiores vazões, um comportamento não linear foi observado. Portanto, essa velocidade do fluido foi identificada como a velocidade crítica. Além disso, acima da velocidade crítica, um pico extra de deflexão foi observado próximo à borda de saída das placas. Nos casos 2, 3 e 4, a influência dos desvios de fabricação e da alteração das propriedades dos materiais devido ao incremento de temperatura na velocidade crítica foi investigada. Sob essas condições, a velocidade crítica foi encontrada a valores mais baixos. Por fim, no Caso 5, a eficácia do uso do pente de suporte na borda de entrada das placas foi estudada. Os resultados mostraram que a divergência estática na extremidade de entrada foi efetivamente eliminada com a instalação do pente. Além disso, as deflexões induzidas pelo fluido ao longo do comprimento das placas foram significativamente diminuídas com o pente.

Este trabalho apresenta uma proposta para implementação de uma estrutura regulatória integrada com abordagem em qualidade e meio ambiente no processo de licenciamento de reatores nucleares de pesquisa no Brasil. A proposta foi desenvolvida a partir do estudo de processos de licenciamento de reatores nucleares de pesquisa de diversos países Membros da Agência Internacional de Energia Atômica. Após esta fase, realizou-se um estudo comparativo destes processos com o processo de licenciamento de reatores nucleares de pesquisa Brasileiro, para identificação boas práticas (aspectos positivos), possíveis lacunas existentes e então apresentar uma proposta para gestão integrada em qualidade e meio ambiente, com o objetivo de contribuir com um novo esquema para o processo de licenciamento no Brasil. A revisão da literatura considerou os seguintes reatores nucleares de pesquisa: Jules-Horowitz e OSIRIS (França), Hanaro (Coréia do Sul), Maples 1 e 2 (Canada), OPAL (Austrália), Pallas (Holanda), ETRR-2 (Egito) e IEA-R1 (Brasil). O atual processo de licenciamento de reatores nucleares de pesquisa é conduzido por dois órgãos regulatórios: a Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN) e o Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Renováveis (IBAMA). A CNEN é responsável pelas questões nucleares, enquanto o IBAMA pelas questões ambientais. Para apoiar o trabalho, foram aplicados um instrumento de pesquisa e entrevistas, construídas com base na atual estrutura regulatória adotada para os quatro reatores de pesquisa existentes no Brasil. Atualmente, o processo de licenciamento nuclear para reatores de pesquisa no Brasil possui seis fases e o processo ambiental somente três fases. Um estudo da correlação entre estas fases fundamentou a proposta de uma nova estrutura regulatória integrada em qualidade e meio ambiente com quatro fases harmonizadas, reduzindo potencialmente os atrasos nos processos de licenciamento de reatores nucleares de pesquisa. / A new integrated regulatory structure based on quality and integrated issues has been proposed to be implemented on the licensing process of nuclear research reactors in Brazil. The study starts with a literature review about the licensing process in several countries, all of them members of the International Atomic Energy Agency. After this phase it is performed a comparative study with the Brazilian licensing process to identify good practices (positive aspects), the gaps on it and to propose an approach of an integrated quality and environmental management system, in order to contribute with a new licensing process scheme in Brazil. The literature review considered the following research nuclear reactors: Jules-Horowitz and OSIRIS (France), Hanaro (Korea), Maples 1 and 2 (Canada), OPAL (Australia), Pallas (Holand), ETRR-2 (Egypt) and IEAR1 (Brazil). The current nuclear research reactors licensing process in Brazil is conducted by two regulatory bodies: the Brazilian National Nuclear Energy Commission (CNEN) and the Brazilian Institute of Environment and Renewable Natural Resources (IBAMA). CNEN is responsible by nuclear issues, while IBAMA by environmental one. To support the study it was applied a questionnaire and interviews based on the current regulatory structure to four nuclear research reactors in Brazil. Nowadays, the nuclear research reactors licensing process, in Brazil, has six phases and the environmental licensing process has three phases. A correlation study among these phases leads to a proposal of a new quality and environmental integrated licensing structure with four harmonized phases, hence reducing potential delays in this process.

Este trabalho apresenta uma proposta para implementação de uma estrutura regulatória integrada com abordagem em qualidade e meio ambiente no processo de licenciamento de reatores nucleares de pesquisa no Brasil. A proposta foi desenvolvida a partir do estudo de processos de licenciamento de reatores nucleares de pesquisa de diversos países Membros da Agência Internacional de Energia Atômica. Após esta fase, realizou-se um estudo comparativo destes processos com o processo de licenciamento de reatores nucleares de pesquisa Brasileiro, para identificação boas práticas (aspectos positivos), possíveis lacunas existentes e então apresentar uma proposta para gestão integrada em qualidade e meio ambiente, com o objetivo de contribuir com um novo esquema para o processo de licenciamento no Brasil. A revisão da literatura considerou os seguintes reatores nucleares de pesquisa: Jules-Horowitz e OSIRIS (França), Hanaro (Coréia do Sul), Maples 1 e 2 (Canada), OPAL (Austrália), Pallas (Holanda), ETRR-2 (Egito) e IEA-R1 (Brasil). O atual processo de licenciamento de reatores nucleares de pesquisa é conduzido por dois órgãos regulatórios: a Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN) e o Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Renováveis (IBAMA). A CNEN é responsável pelas questões nucleares, enquanto o IBAMA pelas questões ambientais. Para apoiar o trabalho, foram aplicados um instrumento de pesquisa e entrevistas, construídas com base na atual estrutura regulatória adotada para os quatro reatores de pesquisa existentes no Brasil. Atualmente, o processo de licenciamento nuclear para reatores de pesquisa no Brasil possui seis fases e o processo ambiental somente três fases. Um estudo da correlação entre estas fases fundamentou a proposta de uma nova estrutura regulatória integrada em qualidade e meio ambiente com quatro fases harmonizadas, reduzindo potencialmente os atrasos nos processos de licenciamento de reatores nucleares de pesquisa. / A new integrated regulatory structure based on quality and integrated issues has been proposed to be implemented on the licensing process of nuclear research reactors in Brazil. The study starts with a literature review about the licensing process in several countries, all of them members of the International Atomic Energy Agency. After this phase it is performed a comparative study with the Brazilian licensing process to identify good practices (positive aspects), the gaps on it and to propose an approach of an integrated quality and environmental management system, in order to contribute with a new licensing process scheme in Brazil. The literature review considered the following research nuclear reactors: Jules-Horowitz and OSIRIS (France), Hanaro (Korea), Maples 1 and 2 (Canada), OPAL (Australia), Pallas (Holand), ETRR-2 (Egypt) and IEAR1 (Brazil). The current nuclear research reactors licensing process in Brazil is conducted by two regulatory bodies: the Brazilian National Nuclear Energy Commission (CNEN) and the Brazilian Institute of Environment and Renewable Natural Resources (IBAMA). CNEN is responsible by nuclear issues, while IBAMA by environmental one. To support the study it was applied a questionnaire and interviews based on the current regulatory structure to four nuclear research reactors in Brazil. Nowadays, the nuclear research reactors licensing process, in Brazil, has six phases and the environmental licensing process has three phases. A correlation study among these phases leads to a proposal of a new quality and environmental integrated licensing structure with four harmonized phases, hence reducing potential delays in this process.