Caracterización de la movilización y combustión de mezclas bifásicas de gases y partículas en procesos transitorios

Resumen

La presente Tesis Doctoral está dedicada al estudio de los fenómenos relacionados con l movilización de partículas y su reacción de forma violenta en atmósferas reactivas, así como l implementación de estos fenómenos en un código computacional capaz de simular ondas de choqu y detonaciones. Se pretende que este código pueda proporcionar, con suficiente fiabilidad predicciones sobre explosiones en sistemas bifásicos cerrados, que pudieran ser empleadas e estudios de evaluación de seguridad en centrales nucleares. Este código, en particular, se desarroll en el marco de un programa de colaboración entre el IRSN (Institut de Radioprotection et Sûret Nucléaire, de Francia) y la Universidad Politécnica de Cartagena, en España. El objetivo de est colaboración es desarrollar una herramienta de simulación sólida y precisa, con el fin de proporciona datos para el análisis de seguridad del reactor de fusión nuclear ITER, basándose en determinado eventos de referencia estipulados en las bases técnicas del proyecto [94]. A partir de aquellos eventos de referencia, el problema en que nos centramos es el caso de un pérdida de vacío en la vasija del reactor (o LOVA por sus siglas en inglés), cuyos detalles s describen en las Especificaciones de Seguridad del proyecto ITER [95]. Este supuesto considera u ingreso de aire en la vasija del reactor, provocando una presurización del mismo y una onda d choque. A consecuencia del súbito incremento de temperatura, se generaría hidrógeno, que podrí reaccionar de forma violenta con el aire. De forma simultánea, ciertas cantidades de polvo de berilio carbono y wolframio, presentes en el interior del reactor, podrían reaccionar en forma de un deflagración o detonación. Por lo tanto, como primer paso en esta Tesis Doctoral, se ha realizado un estudio bibliográfic exhaustivo acerca de modelos matemáticos, buscando el modelo de ecuaciones que más se adapt al problema multi-fásico y reactivo que queremos estudiar. Además, se ha reunido un compendio d leyes de cierre para los sistemas de ecuaciones, incluyendo leyes de combustión para las especie químicas presentes en el problema (hidrógeno, monóxido de carbono y polvo de berilio, wolframio carbono y aluminio). A partir de esta búsqueda se han seleccionado modelos de cinética química qu han sido implementadas en el sistema de ecuaciones de conservación. Después de este estudio mayoritariamente teórico, se dedica una porción importante de esta tesis estudio de los métodos para la resolución numérica del problema. La elección del método numéric no es un asunto trivial, pues la mayoría de las aproximaciones normalmente utilizadas en l resolución de sistemas en derivadas parciales se vuelven inestables en presencia d discontinuidades, tales como ondas de choque. En consecuencia, varios métodos numéricos so aquí analizados. Basándonos en el método de volúmenes finitos de primer y segundo orden, se h testeado un conjunto de esquemas de Riemann aproximados (AUSM+, Roe, Rusanov, VLH), tant para la fase gaseosa como la de las partículas. A continuación, se trata en detalle la resolución d los términos fuente. A este respecto, el uso de métodos de resolución por separado han resultad ser muy acertado, pero incluso estas aproximaciones fallan si el problema se vuelve numéricament rígido. Por consiguiente, se ha desarrollado una nueva metodología para el tratamiento de esto términos en condiciones numéricamente adversas. La implementación de estos avances en el código se ha validado con diferentes test bifásico mediante su comparación con datos experimentales publicados en la bibliografía. Entre estos test nos centramos en experiencias realizadas en sistemas cerrados, que se han reproducido en 1D y s han extendido posteriormente a 2D y 3D. Finalmente, en un dominio computacional 3D, qu reproduce fielmente la geometría de la vasija del reactor ITER, se ha simulado la movilización d partículas bajo el supuesto de LOVA y se proporcionan resultados de la fracción de polvo movilizada