Os engenheiros devem gerenciar um turbilhão no centro dos reatores nucleares em operação. As reações nucleares depositam uma quantidade extraordinária de calor nas barras de combustível, desencadeando um frenesi de ebulição, borbulhando, e evaporação no fluido circundante. A partir deste fluxo agitado, os operadores aproveitam a remoção de calor.

Em busca de maior eficiência em sistemas nucleares, cientistas há muito procuram caracterizar e prever a física subjacente a esses processos de transferência de calor, com sucesso apenas modesto.

Mas agora uma equipe de pesquisa liderada por Emilio Baglietto, professor associado de ciência nuclear e engenharia do MIT, fez um avanço significativo no detalhamento desses fenômenos físicos. Sua abordagem utiliza uma tecnologia de modelagem chamada dinâmica de fluidos computacional (CFD). Baglietto desenvolveu novas ferramentas CFD que capturam a física fundamental da ebulição, tornando possível rastrear fenômenos de transferência de calor em rápida evolução em microescala em uma variedade de reatores diferentes, e para diferentes condições de operação.

"Nossa pesquisa abre a perspectiva de aumentar a eficiência dos atuais sistemas de energia nuclear e projetar melhor combustível para futuros sistemas de reatores, "diz Baglietto.

O grupo, que inclui Etienne Demarly, um candidato a doutorado em ciência nuclear e engenharia, e Ravikishore Kommajosyula, candidato a doutorado em engenharia mecânica e computação, descreve seu trabalho na edição de 11 de março da Cartas de Física Aplicada .

Baglietto, que chegou ao MIT em 2011, é líder de hidráulica térmica para o Consórcio para Simulação Avançada de Reatores Lightwater (CASL), uma iniciativa iniciada em 2010 para projetar ferramentas de modelagem preditiva para melhorar os reatores atuais e de próxima geração, e assegurar a viabilidade econômica da energia nuclear como fonte de eletricidade.

Central para o trabalho CASL de Baglietto tem sido a questão do fluxo de calor crítico (CHF), que "representa um dos grandes desafios para a comunidade de transferência de calor, ", diz ele. CHF descreve uma condição de ebulição onde há uma perda repentina de contato entre o líquido borbulhante, e o elemento de aquecimento, que no caso da indústria nuclear é a barra de combustível nuclear. Essa instabilidade pode surgir de repente, em resposta a mudanças nos níveis de poder, por exemplo. À medida que a ebulição chega a uma crise, uma película vaporosa cobre a superfície do combustível, que então dá lugar a manchas secas que rapidamente atingem temperaturas muito altas.

"Você quer que as bolhas se formem e partam da superfície, e a evaporação da água, para tirar o calor, "explica Baglietto." Se for impossível remover o calor, é possível que o revestimento de metal falhe. "

Os reguladores nucleares estabeleceram configurações de energia na frota de reatores comerciais cujos limites superiores estão bem abaixo dos níveis que podem disparar CHF. Isso significou operar reatores abaixo de sua produção potencial de energia.

"Queremos deixar ferver o máximo possível sem atingir CHF, "diz Baglietto." Se pudéssemos saber a que distância estamos o tempo todo de CHF, poderíamos operar apenas do outro lado, e melhorar o desempenho dos reatores. "

Conseguindo isso, diz Baglietto, requer uma melhor modelagem dos processos que levam à CHF. "Modelos anteriores foram baseados em suposições inteligentes, porque era impossível ver o que realmente estava acontecendo na superfície onde ocorria a fervura, e porque os modelos não levaram em consideração toda a física que impulsiona o CHF, "diz Baglietto.

Então ele se propôs a criar um abrangente representação de alta fidelidade de processos de transferência de calor por ebulição até o ponto de CHF. Isso significava criar modelos fisicamente precisos do movimento das bolhas, ebulição, e a condensação ocorrendo no que os engenheiros chamam de "parede" - o revestimento de quatro metros de altura, barras de combustível nuclear de um centímetro de largura, que são embalados às dezenas de milhares em um núcleo de reator nuclear típico e rodeados por um fluido quente.

Enquanto alguns dos modelos computacionais de Baglietto tiraram proveito do conhecimento existente dos complexos processos de transferência de calor de montagem de combustível dentro de reatores, ele também buscou novos dados experimentais para validar seus modelos. Ele contou com a ajuda de colegas de departamento Matteo Bucci, o Professor Assistente de Ciência e Engenharia Nuclear de Norman C. Rasmussen, e Jacopo Buongiorno, o professor da TEPCO e chefe do departamento associado de ciência e engenharia nuclear.

Usando aquecedores eletricamente simulados com conjuntos de combustível substituto e paredes transparentes, Os pesquisadores do MIT foram capazes de observar os pequenos detalhes na evolução da ebulição para CHF.

"Você sairia de uma situação em que pequenas bolhas removiam muito calor, e nova água inundou a superfície, mantendo as coisas frias, a um instante depois, quando de repente não havia mais espaço para bolhas e pontos secos se formariam e cresceriam, "diz Baglietto.

Uma corroboração fundamental emergiu desses experimentos. Os modelos iniciais de Baglietto, ao contrário do pensamento convencional, sugeriu que durante a fervura, a evaporação não é a forma exclusiva de remoção de calor. Os dados de simulação mostraram que as bolhas deslizando, empurrar e sair da superfície removeu ainda mais calor do que a evaporação, e experimentos validaram as descobertas dos modelos.

"O trabalho de Baglietto representa um marco na evolução das capacidades preditivas para sistemas de fervura, permitindo-nos modelar comportamentos em um nível muito mais fundamental do que antes, "diz W. David Pointer, líder do grupo de engenharia avançada de reator no Laboratório Nacional de Oak Ridge, que não participou da pesquisa. "Esta pesquisa nos permitirá desenvolver projetos significativamente mais agressivos que otimizam melhor a potência produzida pelo combustível sem comprometer a segurança, e terá um impacto imediato no desempenho da frota atual, bem como no projeto do reator da próxima geração. "

A pesquisa de Baglietto também irá melhorar rapidamente o processo de desenvolvimento de combustíveis nucleares. Em vez de gastar muitos meses e milhões de dólares em experimentos, diz Pointer, "Podemos reduzir essas longas sequências de testes fornecendo modelos confiáveis. "

Nos próximos anos, A abordagem abrangente de Baglietto pode ajudar a fornecer revestimento de combustível que é mais resistente a incrustações e impurezas, mais tolerante a acidentes, e isso incentiva maior molhabilidade, tornando as superfícies mais propícias ao contato com a água e menos propensas a formar manchas secas.

Mesmo pequenas melhorias na produção de energia nuclear podem fazer uma grande diferença, Baglietto diz.

"Se o combustível funcionar cinco por cento melhor em um reator existente, isso significa cinco por cento a mais de produção de energia, o que pode significar queimar menos gás e carvão, ", diz ele." Espero ver nosso trabalho muito em breve nos reatores dos EUA, porque se pudermos produzir mais energia nuclear a baixo custo, reatores permanecerão competitivos contra outros combustíveis, e ter um impacto maior nas emissões de CO2. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.