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Type: TESE
Title: Desenvolvimento de modelos analiticos para propriedades termicas e condução de calor transiente em varetas combustiveis nucleares
Title Alternative: Development of analytical models for thermal properties and transient heat conduction in nuclear fuel rods
Author: Dias, Marcio Soares
Advisor: Jordão, Elizabete, 1956-
Abstract: 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

Abstract: The temperature dependence of the material thermal properties makes the transient thermal analysis of reactor fuel pins to be non-linear. Traditionally, finite difference or finite element methods have been used to solve this problem. Effective heat removal from the fuel pins of a nuclear reactor poses one of the primary considerations in reactor design. Nuclear fuel vendors and nuclear electricity utilities must demonstrate the safety of the reactor by thorough examination of the outcome of various transient situations. These transient effects may occur in normal operation as well as in accident situations and must be analysed to insure the fuel pin maintains its integrity. The governing heat transfer equation for the fuel is non-linear. This non-linear, partial differential equation can be recast into a linear form by introducing a transformation based on material property. This work presents the theoretical analyses to develop a analytical model, here named model of relative variationals, for modelling of thermal properties of nuclear ceramic materials, in matter uranium dioxide, UO2, and aluminium oxide, Al2O3. The modeled thermal properties are those involved in the process of heat transport in crystalline materials: thermal expansion, specific heat, thermal conductivity and their integral forms. In the data evaluation process were used about 5500 measures of physical and thermal properties available in the open literature. Based on this development, the linear relationship has been established between the UO2 enthalpy and thermal conductivity integral. This relationship enables the heat conduction equation to be solved analytically for steady state and transient conditions. The solution is also applied in other systems where the balance of energy is determined by the equilibrium between stored heat and transported heat. The developed analytical modelling enlarges the possibilities for critical evaluation of the thermal and physical properties of the materials
Subject: Calor - Transmissão
Calor específico
Óxidos - Propriedades térmicas
Oxido de aluminio
Energia nuclear
Language: Português
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2007
Appears in Collections:FEQ - Dissertação e Tese

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