Development of analytical models for thermal properties and transient heat conduction in nuclear fuel rods / Desenvolvimento de modelos analiticos para propriedades termicas e condução de calor transiente em varetas combustiveis nucleares

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DATA DE PUBLICAÇÃO

2007

RESUMO

A dependência com a temperatura das propriedades térmicas dos materiais faz com que a análise do transiente térmico em varetas combustíveis de reatores nucleares seja não-linear. Tradicionalmente, métodos de diferenças finitas ou de elementos finitos são utilizados para resolver este problema. A remoção efetiva do calor gerado nas varetas combustíveis constitui uma das considerações primárias no projeto de reatores nucleares. Os fabricantes de combustíveis nucleares e as geradoras de energia elétrica de fonte nuclear devem demonstrar a segurança do reator através da análise dos resultados de situações transientes diversas. Estes transientes podem ocorrer tanto em operação normal, quanto em situações de acidentes e devem ser analisados para assegurar que a vareta combustível manterá sua integridade para todas estas condições. A equação de transferência de calor para o combustível é não-linear. Esta equação não-linear de diferenciais parciais pode ser convertida em uma forma linear por meio da transformação baseada nas propriedades térmicas. Este trabalho apresenta a análise teórica aplicada no desenvolvimento de um modelo analítico, aqui chamado de variacionais relativos e direcionado para a modelagem de propriedades térmicas de materiais cerâmicos de aplicação nuclear, em particular o dióxido de urânio, UO2, e o óxido de alumínio, Al2O3. As propriedades térmicas modeladas são aquelas envolvidas no processo de condução de calor em materiais cristalinos: expansão térmica, calor específico, condutividade térmica e as suas formas integrais. No processo de avaliação de dados foram utilizados cerca de 5500 medidas de propriedades físicas e térmicas disponíveis na literatura aberta. Com base neste desenvolvimento é estabelecida a relação linear entre a variação de entalpia e a integral de condutividade térmica do UO2. Esta relação permite resolver, analiticamente, as distribuições espacial e temporal de temperaturas no combustível nuclear para as condições de estado estacionário e de transiente. A solução encontrada aplica-se igualmente outros sistemas onde o balanço de energia seja determinado pelo equilíbrio entre calor armazenado e calor transportado. A modelagem analítica desenvolvida amplia as possibilidades de avaliação crítica da consistência de propriedades térmicas e físicas dos materiais

ASSUNTO(S)

thermal expansion specific heat oxido de aluminio nuclear energy data analysis oxidos - propriedades termicas aluminum oxides uranium oxides energia nuclear thermal conductivity calor especifico heat transfer calor - transmissão

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