Capitolo 7

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Capitolo 7 Conclusioni e possibili sviluppi futuri

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Capitolo 7

Conclusioni e possibili sviluppi futuri

Il presente lavoro di Tesi è stato svolto nell’ambito di un’attività di ricerca condotta presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Nucleare e della Produzione finalizzata alla validazione di codici CFD per lo studio di fenomeni di miscelamento del refrigerante all’interno del Reactor Pressure Vessel di reattori nucleari. Questi fenomeni sono rilevanti per la sicurezza degli impianti nucleari in quanto determinano le distribuzioni di temperatura e di acido borico all’ingresso del nocciolo da cui dipende il livello di potenza locale. I codici CFD rappresentano un promettente strumento per le analisi di sicurezza mirate a verificare che l’integrità strutturale delle barre di combustibile non sia minata da condizioni di alta temperatura.

E’ stato effettuato un calcolo stazionario sui fenomeni di miscelamento del refrigerante all’interno del reattore nucleare VVER-1000, con riferimento ai dati sperimentali misurati nell’impianto di Kozloduy-6 pubblicati nell’ambito del

benchmark internazionale V1000CT. Tale attività ha richiesto:

• la costruzione di un modello geometrico tridimensionale del Reactor

Pressure Vessel con il codice PRO-ENGINEER (l’utilizzo di questo

strumento di disegno ha permesso di riprodurre la geometria con il grado di dettaglio voluto);

• lo sviluppo di una discretizzazione spaziale con il codice ANSYS

ICEM-CFD (un’estesa attività di validazione è stata eseguita con calcoli preliminari per garantire l’assenza di problemi numerici legati alle scelte eseguite per la costruzione della griglia di calcolo);

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• l’esecuzione di calcoli paralleli con il codice ANSYS CFX su di un cluster

ad 8 processori dopo un’attività preliminare di ottimizzazione della partizione in sottodomini (il tempo di calcolo di ogni studio di sensibilità è stato dell’ordine di 2 giorni con una discretizzazione validata composta da 4.2 milioni di celle);

• il confronto con i dati sperimentali disponibili, e la pianificazione di una

procedura di post-processing per una sistematica analisi dei risultati nell’ambito degli studi di sensibilità eseguiti variando condizioni al contorno, modelli di turbolenza, schemi di discretizzazione numerica (il confronto è stato eseguito sia in termini qualitativi costruendo delle mappe di distribuzione per la sezione d’ingresso al core, sia in termini quantitativi calcolando l’errore percentuale per le differenti misure).

A causa della complessità geometrica del problema considerato è stato necessario formulare importanti ipotesi semplificative. In particolare, per garantire tempi di calcolo accettabili, è stato necessario limitare il numero complessivo di celle a 4 106, per cui il fondo ellittico forato del Barrel e le superfici fessurate delle colonne di supporto del core sono stati sostituiti con due zone fluide alle quali sono state applicate perdite di carico addizionali. La scelta dei coefficienti di perdita è stata eseguita in modo tale da far corrispondere il salto di pressione complessivo al valore sperimentale.

Dall’analisi dei risultati si può affermare che il modello numerico sviluppato è stabile, ed è stato possibile:

• calcolare le ampiezze delle zone perturbate con lo schema di

discretizzazione numerica Upwind con un’accuratezza paragonabile a quella delle misure sperimentali (la differenza media tra dato calcolato e valore misurato è del 6%), mentre la differenza sulle ampiezze delle

non-mixing zones variano dal -9% al +46% da loop a loop;

• calcolare l’asimmetria del flusso concorde con le misure sperimentali con

lo schema numerico High Resolution, per quanto l’angolo di rotazione netta calcolato sia 1° contro i 9.5° dei dati sperimentali;

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• verificare l’influenza del profilo di velocità in ingresso sulla distribuzione

del flusso nella sezione d’ingresso al core, in particolare per l’eventuale componente tangenziale: invertendo la direzione di tale componente è stata ottenuta una variazione di quattro gradi sulla rotazione netta del flusso, mentre è risultato ininfluente passare da un profilo uniforme assiale ad uno completamente sviluppato;

• verificare la scarsa influenza sulle grandezza calcolate del modello

turbolento impiegato: i risultati ottenuti con i modelli turbolenti “k – ” ed SST differiscono tra loro per meno del 3%.

A causa della complessità del problema considerato e degli alti costi computazionali richiesti, non è stato possibile effettuare un’analisi di sensibilità sistematica per tutti i parametri che influenzano la simulazione. Sulla base dell’attività condotta e dei risultati ottenuti si possono comunque dedurre le seguenti considerazioni:

• l’importanza di un’adeguata validazione della discretizzazione spaziale:

fenomeni fluidodinamici non fisici (come reversed flow, ricircoli, rotazioni del flusso, ecc.) sono stati osservati nelle prime griglie di calcolo sviluppate mantenendo porzioni del dominio con elementi esaedrici;

• lo schema di discretizzazione numerica Upwind, in relazione alla

discretizzazione spaziale adottata, fornisce i risultati più accurati sulla diffusione tra i flussi; poiché tale schema è spesso causa di un’eccessiva diffusione numerica, si suppone che l’attuale modello numerico del vessel sottostimi la diffusione turbolenta tra i flussi immessi dai 4 loop;

• lo schema di discretizzazione numerica High Resolution ed il profilo di

velocità con componente tangenziale antioraria sono gli unici, tra i casi analizzati, che riescono a predire seppur sottostimandolo il fenomeno della rotazione del flusso nella sezione d’ingresso al core;

• le differenze sulle grandezze calcolate dovute alla scelta dello schema

numerico sono dello stesso ordine di grandezza di quelle dovute alle differenti condizioni all’ingresso sulla componente tangenziale della velocità.

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179 Ulteriori sviluppi di questa attività di indagine sui fenomeni di miscelamento e di validazione dei codici CFD possono prevedere:

• condizionatamente alla disponibilità di maggiori risorse di calcolo, lo

sviluppo di una discretizzazione spaziale più raffinata, e la costruzione di un modello geometrico più dettagliato (comprendente anche strutture che nel presente lavoro sono state semplificate);

• lo studio sistematico degli effetti delle condizioni al contorno in ingresso,

in particolare per quel che riguarda il profilo di velocità, la turbolenza, i moti secondari e la presenza di eventuali asimmetrie;

• la ricerca dei dati geometrici reali dell’Unità #6 dell’impianto nucleare di

Kozloduy, da sostituire a quelli nominali di progetto assunti nel

benchmark (ad esempio, è nota la differente geometria del layout dei

circuiti, ma non se ne conoscono dettagliatamente i valori).

Per concludere, si ritiene che il presente lavoro dia un contributo sostanziale al processo di validazione del codice di calcolo CFX per l’analisi di fenomeni rilevanti la sicurezza dei reattori nucleari, mettendo in evidenza gli aspetti che maggiormente influenzano l’accuratezza dei risultati per la condizione di flusso considerata.