Los ingenieros deben gestionar una vorágine en el núcleo de los reactores nucleares en funcionamiento. Las reacciones nucleares depositan una cantidad extraordinaria de calor en las barras de combustible, desencadenando un frenesí de ebullición, burbujeante y evaporación en el fluido circundante. De este flujo agitado los operadores aprovechan la eliminación del calor.

En busca de mayores eficiencias en los sistemas nucleares, Los científicos han buscado durante mucho tiempo caracterizar y predecir la física subyacente a estos procesos de transferencia de calor, con un éxito modesto.

Pero ahora un equipo de investigación dirigido por Emilio Baglietto, profesor asociado de ciencia e ingeniería nucleares en el MIT, ha logrado un avance significativo al detallar estos fenómenos físicos. Su enfoque utiliza una tecnología de modelado llamada dinámica de fluidos computacional (CFD). Baglietto ha desarrollado nuevas herramientas CFD que capturan la física fundamental de la ebullición, haciendo posible el seguimiento de los fenómenos de transferencia de calor en rápida evolución a microescala en una gama de reactores diferentes, y para diferentes condiciones de funcionamiento.

"Nuestra investigación abre la posibilidad de mejorar la eficiencia de los sistemas de energía nuclear actuales y diseñar un mejor combustible para los futuros sistemas de reactores, "dice Baglietto.

El grupo, que incluye a Etienne Demarly, un candidato a doctorado en ciencia e ingeniería nucleares, y Ravikishore Kommajosyula, un candidato a doctorado en ingeniería mecánica y computación, describe su trabajo en la edición del 11 de marzo de Letras de física aplicada .

Baglietto, que llegó al MIT en 2011, es líder de hidráulica térmica para el Consorcio para la simulación avanzada de reactores de agua ligera (CASL), una iniciativa iniciada en 2010 para diseñar herramientas de modelado predictivo para mejorar los reactores actuales y de próxima generación, y asegurar la viabilidad económica de la energía nuclear como fuente de electricidad.

En el centro del trabajo CASL de Baglietto ha sido el tema del flujo de calor crítico (CHF), que "representa uno de los grandes desafíos para la comunidad de transferencia de calor, ", dice. CHF describe una condición de ebullición donde hay una pérdida repentina de contacto entre el líquido burbujeante, y el elemento calefactor, que en el caso de la industria nuclear es la barra de combustible nuclear. Esta inestabilidad puede surgir de repente, en respuesta a cambios en los niveles de potencia, por ejemplo. Cuando la ebullición llega a una crisis, una película de vapor cubre la superficie del combustible, que luego da paso a manchas secas que rápidamente alcanzan temperaturas muy altas.

"Quieres que se formen burbujas y salgan de la superficie, y agua evaporándose, para quitar el calor, "explica Baglietto." Si resulta imposible quitar el calor, es posible que el revestimiento metálico falle ".

Los reguladores nucleares han establecido ajustes de potencia en la flota de reactores comerciales cuyos límites superiores están muy por debajo de los niveles que podrían provocar CHF. Esto ha significado hacer funcionar los reactores por debajo de su producción de energía potencial.

"Queremos permitir la mayor ebullición posible sin llegar a CHF, ", dice Baglietto." Si pudiéramos saber qué tan lejos estamos en todo momento de CHF, podríamos operar solo en el otro lado, y mejorar el rendimiento de los reactores ".

Logrando esto, dice Baglietto, requiere un mejor modelado de los procesos que conducen a la insuficiencia cardíaca congestiva. "Los modelos anteriores se basaban en conjeturas inteligentes, porque era imposible ver lo que realmente estaba sucediendo en la superficie donde se produjo la ebullición, y debido a que los modelos no tuvieron en cuenta toda la física que impulsa el CHF, "dice Baglietto.

Así que se propuso crear un Representación de alta fidelidad de los procesos de transferencia de calor en ebullición hasta el punto de CHF. Esto significó crear modelos físicamente precisos del movimiento de las burbujas, hirviendo, y la condensación que tiene lugar en lo que los ingenieros llaman "la pared", el revestimiento de cuatro metros de altura, barras de combustible nuclear de un centímetro de ancho, que están empaquetados por decenas de miles en un núcleo de reactor nuclear típico y rodeados de fluido caliente.

Si bien algunos de los modelos computacionales de Baglietto se aprovecharon del conocimiento existente de los complejos procesos de transferencia de calor de ensambles de combustible dentro de los reactores, también buscó nuevos datos experimentales para validar sus modelos. Solicitó la ayuda de los colegas del departamento Matteo Bucci, el profesor adjunto Norman C. Rasmussen de ciencia e ingeniería nucleares, y Jacopo Buongiorno, el profesor TEPCO y jefe asociado del departamento de ciencia e ingeniería nucleares.

Utilizando calentadores simulados eléctricamente con conjuntos combustibles sustitutos y paredes transparentes, Los investigadores del MIT pudieron observar los pequeños detalles en la evolución de la ebullición a CHF.

"Pasarías de una situación en la que pequeñas burbujas agradables eliminan mucho calor, y agua nueva volvió a inundar la superficie, mantener las cosas frías, hasta un instante después, cuando de repente no había más espacio para las burbujas y se formaban y crecían manchas secas, "dice Baglietto.

Una corroboración fundamental surgió de estos experimentos. Los modelos iniciales de Baglietto, contrario al pensamiento convencional, había sugerido que durante la ebullición, la evaporación no es la forma exclusiva de eliminación de calor. Los datos de simulación mostraron que las burbujas se deslizan, empujándose y alejándose de la superficie eliminó aún más calor que la evaporación, y los experimentos validaron los hallazgos de los modelos.

"El trabajo de Baglietto representa un hito en la evolución de las capacidades predictivas para los sistemas de ebullición, permitiéndonos modelar comportamientos a un nivel mucho más fundamental que nunca antes, "dice W. David Pointer, líder del grupo de ingeniería avanzada de reactores en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, que no participó en la investigación. "Esta investigación nos permitirá desarrollar diseños significativamente más agresivos que optimicen mejor la potencia producida por el combustible sin comprometer la seguridad". y tendrá un impacto inmediato en el rendimiento de la flota actual, así como en el diseño de reactores de próxima generación ".

La investigación de Baglietto también mejorará rápidamente el proceso de desarrollo de combustibles nucleares. En lugar de gastar muchos meses y millones de dólares en experimentos, dice Pointer, "Podemos acortar esas largas secuencias de pruebas proporcionando modelos fiables ".

En los próximos años El enfoque integral de Baglietto puede ayudar a proporcionar revestimientos de combustible que sean más resistentes a las incrustaciones y las impurezas. más tolerante a los accidentes, y que fomenta una mayor humectabilidad, haciendo que las superficies sean más propicias para el contacto con el agua y menos propensas a formar manchas secas.

Incluso pequeñas mejoras en la producción de energía nuclear pueden marcar una gran diferencia, Dice Baglietto.

"Si el combustible funciona un cinco por ciento mejor en un reactor existente, eso significa un cinco por ciento más de producción de energía, lo que puede significar quemar menos gas y carbón, ", dice." Espero ver nuestro trabajo muy pronto en los reactores de EE. UU., porque si podemos producir más energía nuclear a bajo precio, los reactores seguirán siendo competitivos frente a otros combustibles, y tener un mayor impacto en las emisiones de CO2 ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.