¿Qué es la inestabilidad de flujo? Definición

Hay una serie de inestabilidades de flujo que pueden ocurrir en sistemas de dos fases. Las oscilaciones de onda de densidad (DWO), por ejemplo, en BWR pueden inducir tales inestabilidades. Ingenieria termal

Inestabilidad de flujo

En general, hay una serie de inestabilidades que pueden ocurrir en sistemas de dos fases . En ingeniería nuclear , el estudio de la estabilidad del flujo multifásico es importante en la gestión de accidentes de reactores de agua a presión y de la mayor importancia en condiciones normales / anormales en reactores de agua hirviendo .

En los PWR en funcionamiento normal, el flujo se considera monofásico. Pero se ha realizado una gran cantidad de estudios sobre la inestabilidad del flujo en caso de transitorios y accidentes (como el accidente de pérdida de refrigerante – LOCA o disparo de RCP con presencia de circulación natural ) , en el que las oscilaciones de flujo o las inversiones de flujo pueden ocurrir.

Las oscilaciones de flujo son variaciones en el flujo causadas especialmente por formaciones vacías y no son deseables por varias razones.

  • Las oscilaciones de flujo pueden causar una tensión mecánica indeseable en los componentes del combustible (como las rejillas de separación). Esto puede conducir a la falla de esos componentes debido a la fatiga.
  • Las oscilaciones de flujo afectan las características locales de transferencia de calor . En el caso de los PWR , el problema crítico de seguridad se denomina DNB ( desviación de la ebullición de los nucleados ), lo que provoca la formación de una capa de vapor local , lo que provoca una reducción dramática en la capacidad de transferencia de calor. A través de las pruebas, se descubrió que el flujo de calor crítico (CHF) requerido para la salida de la ebullición nucleada (DNB) se puede reducir hasta en un 40% cuando el flujo oscila. Esto reduce severamente el límite térmico y la densidad de potencia a lo largo de la longitud del núcleo del reactor .

Las oscilaciones de flujo pueden ser un problema durante las operaciones de circulación natural (p. Ej., Después del disparo de todos los RCP). La circulación natural es una característica de diseño importante y un mecanismo de eliminación de calor final. Debido a las bajas tasas de flujo, puede producirse la ebullición del refrigerante y esto puede formar oscilaciones de flujo. Durante la circulación natural, las burbujas de vapor formadas durante una oscilación del flujo pueden tener un efecto suficiente para causar una inversión completa del flujo en el canal afectado.

BWR - inestabilidad de flujo
Región de inestabilidad en el mapa de flujo de potencia para el reactor BWR. Fuente: Francesco D’Auria, The BWR Stability Issue, THICKET 2008 – Sesión IX – Documento 26

En los BWR se produce la evaporación del refrigerante en el funcionamiento normal y es un fenómeno muy deseado. Por otro lado, la evaporación convectiva en el canal de combustible hace que el patrón de flujo cambie a lo largo del canal de combustible dependiendo del caudal y la potencia térmica. Se ha encontrado que existen regiones de inestabilidad , en las cuales pueden surgir inestabilidades de flujo en dos fases. Estas inestabilidades de flujo de dos fases son indeseables ya que pueden provocar vibraciones mecánicas y problemas de control del sistema, afectar el funcionamiento normal, restringir los parámetros de funcionamiento e influir en la seguridad del reactor. Cabe señalar que la estabilidad del flujo en BWR no es un problema importante durante muchos años, porque es un fenómeno bien conocido.

En general, hay muchas clasificaciones de inestabilidades de flujo. La siguiente clasificación se basa en mecanismos fundamentales termohidráulicos:

Las inestabilidades estáticas son:

  • Excursión de flujo
  • Crisis hirviendo
  • Tipos de relajación, incluida la transición del patrón de flujo

Las inestabilidades dinámicas son:

  • Oscilaciones de onda de densidad
  • Oscilaciones de caída de presión
  • Oscilaciones térmicas .

La caracterización adecuada de las inestabilidades y la condición para su ocurrencia pueden determinar la operación óptima y segura de los sistemas. La explicación más aceptada para la ocurrencia del tipo dinámico de inestabilidades denominadas oscilaciones de onda de densidad (DWO) .

La onda de densidad causa un retraso en la caída de presión local que es causado por un cambio en el flujo de entrada. Debido a este retraso, la suma de todas las caídas de presión locales puede dar como resultado una caída total que está fuera de fase con el flujo de entrada. El mecanismo básico que causa inestabilidades de flujo en BWR es la onda de densidad. Los períodos característicos de estas oscilaciones están asociados con el tiempo requerido para que una partícula fluida viaje a través de todo el circuito.

Tipos de inestabilidades observadas en BWR

  • Inestabilidades del sistema de control. Las inestabilidades del sistema de control están relacionadas con la acción de los controladores que, a través de actuadores, intentan regular algunas de las variables del reactor.
  • Inestabilidades de flujo de canales. Este tipo de inestabilidad se puede describir de la siguiente manera: supongamos una perturbación del flujo. Esta perturbación provoca una “ola” de huecos que viaja hacia arriba a través del canal produciendo una caída de presión en dos fases (la caída de presión aumenta significativamente a medida que aumenta la fracción de vacío) que se retrasa con respecto a la perturbación original. Un aumento en la caída de presión del canal (onda de densidad) puede conducir a la inestabilidad en la velocidad de flujo.
  • Inestabilidad neutrónica-termohidráulica acoplada. El tipo dominante de inestabilidades en los BWR comerciales es la inestabilidad acoplada neutrónica-termohidráulica (también conocida como inestabilidad de reactividad ). La generación de energía en BWR está directamente relacionada con el flujo de neutrones del combustible , que está fuertemente relacionado con la fracción de vacío promedio en los canales centrales a través. Este efecto se conoce como retroalimentación de reactividad . La retroalimentación de reactividad causada por los cambios en la fracción vacía ( coeficiente vacío ) se retrasa a medida que los vacíos viajan hacia arriba a través del canal de combustible. En algunos casos, la demora puede ser lo suficientemente larga y la retroalimentación nulapuede ser lo suficientemente fuerte como para que la configuración del reactor se vuelva inestable. En este caso, el flujo de neutrones puede oscilar.

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