Estudio numérico del transporte de burbujas de helio en metal líquido aplicado a tecnología de fusión nuclear

Abstract

La posibilidad de que exista nucleación de helio dentro de las envolturas regeneradoras de metal líquido no es remota. En caso de existir, las consecuencias en la eficiencia térmica del reactor y en el control de tritio podrían ser importantes. Por esto, estas consecuencias deben ser bien estudiadas para no comprometer la viabilidad tecnológica de la fusión nuclear como fuente alternativa de energía eléctrica. En este contexto, este proyecto se centra en el estudio del flujo bifásico en los canales de metal líquido. El proyecto se ha desarrollado en torno al código numérico de mecánica computacional OpenFOAM. En el capítulo 1, aparte de introducir la motivación, el objetivo y la metodología del presente trabajo, se hace una breve exposición de la tecnología de fusión nuclear y, concretamente, de las envolturas regeneradoras. A continuación, en el capítulo 2, se define el fenomeno del flujo bifásico. En el capítulo 3 se procede al estudio de dos posibles modelos y a la selección del modelo a utilizar en el presente estudio. El modelo bifásico utilizado sigue un método Euler-Euler, donde se consideran dos fases continuas, una para cada medio (metal líquido/burbujas de helio), y el intercambio de momento, que es determinado por las fuerzas instantáneas de drag, lift y virtual mass. En el capítulo 4, el modelo seleccionado ha sido validado a partir de datos experimentales y soluciones de otros autores. A continuación, en el capítulo 5, el modelo elegido ha sido aplicado al caso de interés, un canal simplificado del breeding blanket HCLL, donde se propone evaluar los efectos en la hidrodinámica del flujo de metal liquido cuando se somete a diferentes números de Reynolds, diámetros de burbujas y producción de helio. Los resultados indican que el tamaño de las burbujas formadas es el factor de mayor influencia en la hidrodinámica del fluido dentro de los canales de HCLL. Cuanto mayores son las burbujas, más influencia ejercen las fuerzas de drag, lift y virtual mass sobre el fluido. Efectivamente, si las burbujas son suficientemente pequeñas (nano-burbujas) , para elevados números de Reynolds, se puede considerar el transporte de helio como un escalar pasivo. En contrapartida, para burbujas mayores (micro-burbujas), la influencia de la burbuja es tan grande que ni el Reynolds y ni el factor de generación de helio afecta en el resultado final, pero el flujo se ve totalmente modificado por la presencia de burbujas.