Testes de efeitos integrais e separados para reatores avançados

De acordo com o International Energy Outlook 2017 da Energy Information Administration (EIA), espera-se que o consumo global de energia aumente 28% entre 2020 e 2040 (EIA, 2017). As usinas nucleares geram atualmente 11% da eletricidade mundial. Prevê-se que a energia nuclear será a segunda fonte de energia com crescimento mais rápido no mundo e aumentará em média 1,5% anualmente entre 2020 e 2035. Nos EUA, a energia nuclear representa atualmente cerca de 20% de toda a geração de eletricidade e mais. de 50% do total de eletricidade limpa do país.

A energia nuclear foi identificada como um recurso vital para atingir emissões líquidas zero em toda a economia até 2050. A maior parte da energia nuclear mundial é gerada por centrais nucleares de segunda e terceira geração. Embora uma parte significativa das centrais nucleares existentes seja desactivada na década de 2030, a crescente procura de electricidade isenta de carbono em todo o mundo estimulará o desenvolvimento da energia nuclear. Para alcançar segurança, fiabilidade, sustentabilidade, competitividade económica e resistência à proliferação para a futura energia nuclear, é necessário melhorar as tecnologias no desenvolvimento da energia nuclear. Os reactores avançados oferecem o potencial de transformar a indústria da energia nuclear, fornecendo electricidade segura, fiável e isenta de carbono que aborda a infinidade de desafios decorrentes da descarbonização das redes eléctricas em todo o mundo. Os EUA investiram esforços significativos no desenvolvimento de novas tecnologias para reatores avançados ao longo da última década.

O desenvolvimento de reatores avançados requer uma compreensão de sistemas integrados e complexos que apresentam novos fenômenos sob condições normais, transitórias, fora do normal e de acidente (Zweibaum et al., 2015). A análise fenomenológica e os comportamentos termo-hidráulicos de um reator avançado formam a base para seu projeto e avaliação de segurança (Mascari et al., 2015).

A realização de experimentos significativos em grande escala é cara, demorada ou até mesmo impossível dentro do tempo e do orçamento disponíveis. Testes experimentais reduzidos, por exemplo, testes de efeitos separados (SETs) e testes de efeitos integrais (IETs), com considerações de escala adequadas, são viáveis ​​para desenvolver uma base de dados experimental para caracterizar os possíveis comportamentos termo-hidráulicos do protótipo. Os códigos termo-hidráulicos em nível de sistema podem então ser validados no banco de dados e usados ​​para projeto de sistema de reator e análise de segurança.

Por um lado, os SETs são conduzidos para fornecer dados experimentais para desenvolver e validar modelos físicos e/ou correlações empíricas para caracterizar fenómenos locais únicos ou fenómenos combinados sob condições prototípicas – ou simuladas. Como cada um desses modelos e correlações nem sempre pode ser dimensionado para o protótipo, muitos modelos físicos e correlações empíricas com aplicabilidade limitada dentro de uma pequena faixa de condições são implementados nos códigos do sistema que são usados ​​para identificar respostas termo-hidráulicas simulando vários tipos de acidentes e transientes anormais de reatores de interesse.

As instalações SET são normalmente altamente instrumentadas para minimizar distorções de escala. Por outro lado, os IETs são realizados para investigar os comportamentos, fenómenos e processos de todo o sistema, as interações de dois ou mais componentes e os fenómenos locais que são típicos das funções visadas do design geral do sistema (USNRC, 1998). . As instalações do IET podem fornecer respostas termo-hidráulicas dinâmicas e semelhantes que podem aparecer através de acidentes postulados e/ou transientes anormais em um reator de referência.

Os dados obtidos nos experimentos do IET são usados ​​para validar códigos de sistema e compreender fenômenos de acidentes, em vez de serem diretamente aplicáveis ​​às condições em escala real de um reator de referência. O número de instrumentação e sensores em uma instalação IET é menor que o de uma instalação SET. A distorção de escala é inevitável para os IETs e pode ser a origem de incertezas na análise de segurança. É, portanto, importante minimizar ou eliminar a distorção de escala, especialmente a distorção de escala de tempo, uma vez que o controle temporal não é praticável (Bestion, 2017).