Keywords: Elementos finitos descontínuos, Difusão de nêutrons, Aproximação espectro-nodal, Cálculos de criticalidade

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Transcrição:

MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS LINEAR DESCONTÍNUO COM APROXIMAÇÃO ESPECTRO-NODAL PARA RESOLVER PROBLEMAS DE AUTOVALOR DE DIFUSÃO EM DOMÍNIOS UNIDIMENSIONAIS Rogério V. M. Rocha- rogermattosxa@gmail.com Dany S. Dominguez- dsdominguez@gmail.com Susana M. Iglesias- smiglesias1975@gmail.com Departamento de Ciências Exatas e Tecnológicas DCET, Universidade Estadual de Santa Cruz UESC, Campus Soane Nazaré de Andrade Rodovia Jorge Amado, Km 16, CEP 45662-900, Ilhéus, BA - Brasil URL da Homepage: http://www.uesc.br Ricardo C. Barros- rcbarros@pesquisador.cnpq.br Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Instituto Politécnico. Rua Bonfim, Vila Amélia, CEP 28625-570 - Nova Friburgo, RJ - Brasil URL da Homepage: http://www.iprj.uerj.br Resumo. Na produção de energia elétrica em reatores nucleares de fissão é encontrado o fenômeno físico de transporte de nêutrons. Esse fenômeno pode ser tratado como um processo difusivo e pode ser simulado computacionalmente pelo modelo matemático do Sistema de Equações Diferenciais de Difusão (SEED). O SEED é um modelo simples que fornece resultados acurados para a distribuição do fluxo neutrônico e o coeficiente efetivo de multiplicação. Na maioria dos problemas de interesse prático a solução exata do modelo é impraticável, dessa forma, recorre-se a métodos numéricos no intuito de obter soluções aproximadas desse modelo. Neste artigo, é apresentada uma nova formulação numérica baseada no método de elementos finitos linear descontínuo com aproximação espectro-nodal que resolve a equação unidimensional de difusão para problemas de autovalor em aproximação de uma velocidade. Essa nova formulação aproxima o fluxo e a corrente neutrônica por polinômios de primeira ordem obtidos a partir da análise espectral da equação da difusão. Com o objetivo de validar a nova formulação e avaliar seu desempenho computacional, problemas modelos em meios heterogêneos foram resolvidos; os resultados obtidos mostram que a formulação proposta é precisa e eficiente. Keywords: Elementos finitos descontínuos, Difusão de nêutrons, Aproximação espectro-nodal, Cálculos de criticalidade 1. INTRODUÇÃO O fenômeno físico de transporte de partículas está presente em diversas aplicações das ciências exatas e engenharias, dentre elas podemos destacar os aceleradores de partículas, cálculos de blindagem, medicina nuclear, reatores nucleares, dentre outros. A produção de energia elétrica em reatores nucleares de fissão, uma das fontes energéticas mais importantes dentre as várias existen-

tes, transformou-se em um dos principais interesses em aplicações nucleares. Essa energia é obtida do rompimento do núcleo atômico, o que caracteriza a fissão nuclear. Na fissão nuclear são emitidas algumas partículas, dentre elas destacamos o nêutron, devido a ausência de carga elétrica, esta partícula interage facilmente com o núcleo atômico (Stasiulevicius & Rodrigues, 1995). Problemas de autovalor associados ao cálculo de criticalidade em reatores nucleares de fissão para produção de energia elétrica, aparecem em meios hospedeiros multiplicativos, onde a interação nêutron-núcleo produz novos nêutrons (Lamarsh & Baratta, 2001). Nesses meios hospedeiros os nêutrons se difundem de regiões com alta densidade neutrônica para regiões com baixa densidade neutrônica, caracterizando a migração de partículas. As mudanças nas populações de nêutrons no núcleo do reator influem na estabilidade e operação da usina nuclear. Por este motivo, torna-se necessário investir em estudos do comportamento da população de nêutrons no interior de um reator nuclear de fissão. Tais estudos contribuem para os projetos e análises de instalações de reatores nucleares, onde, a operação segura do reator exige que seja realizado um balanceamento entre a produção e perda dos nêutrons no interior do reator. Esse controle visa manter dentro de limites estritos as taxas de interação entre nêutrons e núcleos atômicos no meio hospedeiro multiplicativo. Ferramentas computacionais, capazes de simular de forma precisa e eficiente a distribuição do fluxo neutrônico e a potência gerada no interior do reator nuclear de fissão, são indispensáveis à segurança de instalações nucleares e a proteção ao meio ambiente. Tais ferramentas além de propiciarem economia em tempo, finanças e espaços operacionais, garantem a segurança na exploração desse tipo de atividade. A modelagem física do fenômeno de transporte de nêutrons consiste na descrição da migração de partículas neutras no interior de um meio hospedeiro e na probabilidade de interação destas com os núcleos dos átomos deste meio (Bell & Glasstone, 1970). Muitos pesquisadores tratam o fenômeno físico de transporte de nêutrons como processos difusivos, dessa forma, um dos principais e mais utilizados modelos matemáticos que descreve a migração de nêutrons de forma simples e acurada é o Sistema de Equações Diferenciais de Difusão (SEDD) (Duderstadt & Hamilton, 1975). Devido à complexidade em tratar analiticamente este modelo em meios heterogêneos, recorre-se a métodos numéricos que sejam capazes de fornecer soluções aproximadas para a distribuição do fluxo neutrônico e o coeficiente efetivo de multiplicação. A utilização desses métodos numéricos na resolução de equações diferenciais conduzem a um sistema de equações lineares e algébricas (SELA), sendo assim, vários esquemas diretos ou iterativos são usados para auxiliar na obtenção da solução do SELA. Muitos pesquisadores têm dado ênfase no desenvolvimento de métodos numéricos precisos e eficientes, uma vez que as soluções numéricas precisas fornecidas por métodos de malhas finas exigem um alto custo computacional. Nesse artigo apresentamos o desenvolvimento de um novo método numérico determinístico e seu respectivo código computacional baseado no método de elementos finitos linear descontínuo com aproximação espectro-nodal (MEF-LD-EN), o qual combina os fundamentos da aproximação linear do Método de Elementos Finitos (Zienkiewicz, 1971) com as aproximações quase-analíticas do Método Espectro-Nodal (Spectral Green s Fuction) (Barros & Larsen, 1992), (Dominguez & Hernandez & Barros, 2010), resultando em um método numérico híbrido convergente que preserva as soluções analíticas espectrais no interior das células espaciais, e que considera as condições de continuidade nas interfaces dessas células, respeitando as condições de contorno do domínio explorado. Na próxima seção apresentamos o SEDD, e o esquema de discretização utilizado. Na seção

3. são oferecidos os fundamentos matemáticos da formulação híbrida. Resultados numéricos aparecem na seção 4.. Por último, na seção 5. apresentamos nossas conclusões e os desdobramentos futuros desta pesquisa. 2. MODELO MATEMÁTICO A modelagem matemática determinística para o problema de autovalor de transporte de nêutrons neste artigo é baseada no SEDD, onde foi considerado o modelo estacionário, com apenas uma das variáveis espaciais e desprezando a dependência energética. Esse sistema é composto por duas equações diferenciais; a equação da difusão monoenergética e a chamada lei de Fick (Duderstadt & Hamilton, 1975), as quais aparecem em geometria cartesiana com aproximação de uma velocidade conforme as equações, e, dj(x) dx + Σ a(x)φ(x) = 1 k ef νσ f (x)φ(x), (1) J(x) = D(x) dφ(x), 0 x L, (2) dx respectivamente, onde, J(x) representa a corrente neutrônica, φ(x) é o fluxo neutrônico, D(x) o coeficiente de difusão neutrônica, Σ a (x) é a seção macroscópica de absorção, Σ f (x) é a seção macroscópica de fissão, ν é o número médio de nêutrons emitidos por ato de fissão, k ef representa o coeficiente efetivo de multiplicação, e L é a longitude do domínio unidimensional. Foram consideradas as condições de contorno do tipo Albedo para o domínio de interesse, as quais são representadas pelas equações, J(0) = α L φ(0), J(L) = α R φ(l). (3) 2.1 Discretização espacial A obtenção da solução numérica, de forma geral, para um sistema de equações diferenciais, está diretamente associada à discretização da região onde se procura a solução. Em virtude disso, define-se uma malha espacial uniforme Ω i, a qual será chamada de célula espacial. A equação da difusão para o problema de autovalor Eq. (1) e a equação da lei de Fick Eq. (2), para uma célula espacial Ω i são escritas na forma, dj(x) dx + Σ aiφ(x) = 1 k ef νσ fi φ(x), (4) J(x) = D i dφ(x) dx. i = 1 : I, x i 1/2 x x i+1/2 ; (5) as condições de contorno do tipo Albedo (3) aparecem discretizadas como, J 1/2 = α L φ 1/2, J I+1/2 = α R φ I+1/2. (6) As equações de balanço espacial discretizadas são obtidas aplicando o operador, 2l + 1 xi+1/2 ( ) 2(x xi ) P l dx, (7) x i 1/2

em cada termo das equações discretizadas de difusão Eqs. (4) e (5), onde P l representa o polinômio de Legendre (Attar, 2009) de grau l. Neste artigo, as equações de balanço de ordem zero e primeira ordem utilizam os polinômios de Legendre de grau zero, P 0 (x) = 1, e de primeiro grau, P 1 (x) = x, respectivamente. As equações de balanço espacial discretizadas para os momentos de ordem zero, considerando P 0 no operador (7), aparecem na forma, 1 (J i+1/2 J i 1/2 ) + Σ ai φ i = 1 νσ fi φ i, (8) k ef J i = D i (φ i+1/2 φ i 1/2 ), (9) onde, o fluxo médio na célula (momento de ordem zero do fluxo) é definido como: φ i = 1 xi+1/2 x i 1/2 φ(x)dx, (10) e a corrente média na célula (momento de ordem zero da corrente) como: J i = 1 xi+1/2 x i 1/2 J(x)dx. (11) As equações de balanço de primeira ordem, considerando P 1 no operador (7) e aplicando-o no sistema de equações de difusão (4) e (5), aparecem como, 3 (J i+1/2 + J i 1/2 2J i ) + Σ ai φi = 1 νσ fi φi, (12) k ef Ĵ i = 3D i (φ i+1/2 + φ i 1/2 2φ i ), (13) onde, o momento de primeira ordem do fluxo é definido como, φ i = 3 xi+1/2 ( ) 2(x xi ) φ(x)dx, (14) x i 1/2 e o momento de primeira ordem da corrente na forma, Ĵ i = 3 xi+1/2 ( ) 2(x xi ) J(x)dx. (15) x i 1/2 Destaca-se que as grandezas φ i e Ĵi não tem interpretação física. 3. FORMULAÇÃO HÍBRIDA (MEF-LD-EN) A formulação híbrida desenvolvida neste artigo se baseia na combinação da aproximação linear do método de elementos finitos (MEF) com a aproximação quase-analítica do método espectronodal (SGF). O MEF obtém a solução das equações diferenciais do problema por meio de funções de aproximação que satisfazem condições descritas por equações integrais no domínio do problema.

Para o SEDD, duas funções polinomiais de primeira ordem foram escolhidas como funções de aproximação da corrente e do fluxo neutrônico no interior da célula espacial Ω i. Por outro lado, o SGF aproxima a solução do SEDD por dois parâmetros espectrais α i e β i obtidos a partir da análise espectral do modelo matemático utilizado para descrever o fenômeno físico, a qual visa obter as soluções analíticas gerais do SEDD, preservando as soluções analíticas espectrais dessas equações no interior de cada célula espacial Ω i. As soluções analíticas gerais do SEDD, representadas por, φ(x) = k 1 e x/µ i + k 2 e x/µ i, J(x) = D ik 1 µ i e x/µ i + D ik 2 µ i e x/µ i. (16) foram obtidas utilizando a técnica de análise espectral, proposta em Case & Zweifel (1967), onde, k 1 e k 2 são constantes arbitrárias, e µ i são os autovalores do problema na forma apresentada em Orellana (2000). Para obtermos a formulação híbrida, acoplamos os parâmetros espectrais nas funções polinomiais de primeira ordem do MEF, o resultado dessa combinação pode ser representado pelas equações, φ(x) = α i φ i + 2β i (x x i ) φ i, J(x) = α i J i + 2β i (x x i )Ĵi. (17) Dessa forma as Eqs. (17) representam as equações auxiliares da formulação híbrida. A discretização das Eqs. (17), passa pela avaliação nos extremos da célula. Entretanto, dependendo da localização da célula no domínio, um dos extremos da célula (x i+1/2 ou x i 1/2 ) é escolhido para avaliar as equações auxiliares. Para as células da primeira metade do domínio, as Eqs. (17) são avaliadas no extremo direito x i+1/2, obtendo, φ i+1/2 = α i φ i + β i φi, J i+1/2 = α i J i + β i Ĵ i. (18) Para as células na segunda metade, as Eqs. (17) são avaliadas no extremo esquerdo x i 1/2, obtendo, φ i 1/2 = α i φ i β i φi, J i 1/2 = α i J i β i Ĵ i. (19) No caso, em que a quantidade de células espaciais Ω i escolhidas seja um número ímpar, iguala-se as equações do fluxo neutrônico (19) e (18) e as equações da corrente neutrônica (19) e (18) no interior da célula espacial Ω i, obtendo as equações, 2β i φi φ i+1/2 + φ i 1/2 = 0, 2β i Ĵ i J i+1/2 + J i 1/2 = 0. (20) as quais são utilizadas na célula espacial central Ω i. Os parâmetros espectrais α i e β i foram calculados escolhendo-se uma das funções φ(x) ou J(x), a propósito escolhemos a função φ(x), discretizamos a solução analítica geral do fluxo Eq. (16) e avaliamos em um dos extremos da célula (x i+1/2 ou x i 1/2 ). Em seguida, obtemos as grandezas φ i e φ i substituindo a solução analítica geral do fluxo Eq. (16) nas expressões (10) e (14). Após obtidas as grandezas φ i+1/2 ou φ i 1/2, φ i e φ i, substituimos as mesmas em uma das equações Eq. (18) ou Eq. (19), e resolve-se para α i e β i, garantindo que a expressão seja satisfeita independentemente dos valores das constantes k 1 e k 2. A depender do caráter real ou imaginário do autovalor µ i, obtém-se duas alternativas,

(i). Se Σ ai > 1 k ef νσ fi α i = γ i coth (γ i ), β i = sinh (γ i ) 3 cosh (γ i ) γ i 3 sinh (γ i) γ 2 i ; (21) (ii). Se Σ ai < 1 k ef νσ fi α i = γ i cot (γ i ), β i = sin (γ i ) 3 cos (γ i ) γ i 3 sin (γ i) γ 2 i ; (22) onde, γ i = 2µ i. As expressões (21) e (22) garantem que as equações (18), (19) e (20) preservem a solução analítica geral no interior de cada célula espacial Ω i. Para obter a formulação numérica o MEF-LD-EN utiliza as equações de balanço espacial de ordem zero (8) e (9) e de primeira ordem (12) e (13). Deste modo, o SELA obtido pela aplicação do MEF-LD-EN, é composto por 6I + 2 incógnitas espaciais e 6I + 2 equações discretizadas, sendo, 4I equações de balanço espacial, 2I equações auxiliares e 2 equações de contorno. O sistema pôde ser reduzido após alguns procedimentos algébricos que resultaram na eliminação dos momentos de ordem zero e primeira ordem do fluxo e da corrente, (φ i, J i, φ i e Ĵi), para um sistema equivalente contendo 2I + 2 incógnitas espaciais e 2I + 2 equações discretizadas. 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO Com o objetivo de quantificar a precisão e o desempenho computacional do novo método desenvolvido foram obtidos neste artigo resultados que comparam a utilização do MEF-LD-EN no SEDD aos métodos convencionais Diamond Difference (MDD) e MEF. O MDD é considerado um método de malha fina convencional e têm um elevado custo computacional, pois só apresentam uma boa precisão para malhas de pequenas dimensões. O MEF, por sua vez, é considerado um método de malha média convencional. Na tarefa escolhida para os experimentos computacionais, foi considerado um domínio de 150 cm de comprimento dividido em 6 regiões com parâmetros materiais distintos descritos na Tabela 1, e uma condição de contorno reflexiva para o extremo esquerdo, onde, α l = 0, e vácuo para o extremo direito do domínio, onde, α r = 0, 5. A tolerância para a convergência no coeficiente efetivo de multiplicação escolhida foi de 10 6 e a potência nominal do reator considerada foi de 10 MW. Foram obtidos resultados para distribuição do fluxo neutrônico nos pontos x = 0, 30, 60, 90, 120 e 150 cm para os métodos MDD em uma malha fina com 240 nodos, MEF em uma malha média com 60 nodos e MEF-LD-EN em uma malha grossa com 30 nodos. A solução de referência foi gerada com uma malha de 960 nodos, utilizando o MEF. Com os parâmetros materiais utilizados, a distribuição do fluxo neutrônico tem fortes variações em algumas regiões do domínio, nessas regiões os métodos convencionais têm extrema dificuldade em aproximar o fluxo neutrônico. A distribuição do fluxo neutrônico sob as condições descritas aparece da Figura 1. Podemos constatar, na Figura 1, que o MEF-LD-EN se aproxima mais que os outros métodos, nos pontos x = 30 e 90 cm localizados em regiões com fortes variações do fluxo especialmente.

Tabela 1: Parâmetros materiais D cm 1 Σ a cm 1 νσ f cm 1 comprimento (cm) Região 1 1 0, 24 0, 2733 25 Região 2 1, 3 0, 22 0, 2565 25 Região 3 1 0, 44 0, 17 30 Região 4 1, 3 0, 1726 0, 23 15 Região 5 2, 7 0, 046 0, 015 30 Região 6 1 0, 3 0, 3526 25 Figura 1: Distribuição do fluxo neutrônico nas arestas.

Na Figura 2 mostramos os desvios relativos obtidos no cálculo da potência na região limitada pelos pontos x = 60 e x = 100 cm em função da quantidade de nodos utilizada pelos métodos MDD, MEF e MEF-LD-EN. Constatamos que o MEF-LD-EN apresenta melhores resultados para qualquer grade espacial quando comparado ao MDD. Destacamos que ao comparar o MEF com o MEF-LD-EN, este último apresenta resultados semelhantes com apenas 1/3 dos nodos que o MEF utiliza. Portanto o método MEF-LD-EN mostra-se mais preciso que o MDD e o MEF. Figura 2: Desvios relativos da potência na região (60-100) cm. Os resultados referentes ao coeficiente efetivo de multiplicação podem ser verificados na Tabela 2, a qual apresenta o valor do coeficiente efetivo de multiplicação e os respectivos desvios relativos para os métodos MDD com 1440 nodos, MEF com 90 nodos e MEF-LD-EN com 30 nodos, essas malhas foram escolhidas no intuito de obter um desvio relativo da ordem de 10 1 por cento para a potência calculada na região entre os pontos x = 60 e x = 100 cm. Ao analisarmos a Tabela 2 constatamos que o MEF-LD-EN se sobressai dentre os outros métodos com um desvio relativo da ordem de 10 5 por cento, quando comparado com a solução de referência com 960 nodos, utilizando o MEF. Tabela 2: Coeficiente efetivo de multiplicação Método (nro nodos) kef Desvio Relativo (%) MDD (1440) 1,140416E+00 1,671843E-04 MEF (90) 1,140417E+00 1,107401E-04 MEF-LD-EN (30) 1,140419E+00 7,634042E-05 Solução Referência MEF (960) 1,140418E+00.. O tempo de processamento das simulações foi auferido em segundos para os métodos MDD com 1440 nodos, MEF com 90 nodos e MEF-LD-EN com 30 nodos. Os tempos de processamento aparecem na Tabela 3. A Tabela 3 nos permite concluir que o MEF-LD-EN tem um menor tempo

de processamento em relação aos demais métodos avaliados, isso se deve a menor quantidade de nodos utilizada pelo MEF-LD-EN para se obter a precisão desejada no cálculo da potência. Tabela 3: Tempo de processamento para a potência na região (60-100) cm MEF-LD-EN (30) MEF (90) MDD (1440) Tempo (s) 1,478320E-02 3,214840E-02 6,546120E-02 5. CONCLUSÃO Neste artigo propomos uma nova formulação para resolver problemas de autovalor de difusão em domínios unidimensionais a uma velocidade. Esta formulação, chamada MEF-LD-EN, combina elementos do métodos de elementos finitos linear descontínuo com aproximações quaseanalíticas espectrais próprias dos métodos espectro-nodais. O MEF-LD-EN mostrou-se superior aos métodos convencionais MDD e MEF em relação ao tempo de processamento e precisão numérica, para a distribuição do fluxo neutrônico e o coeficiente efetivo de multiplicação, em cálculos de malha grossa. Esses resultados positivos se devem a combinação das aproximações lineares do MEF com os coeficientes espectrais de aproximação do SGF que permitem preservar a solução analítica geral no interior das células espaciais. Por fim, conclui-se que a formulação desenvolvida para o MEF-LD-EN é superior às formulações dos métodos convencionais MDD e MEF; e recomenda-se o seu uso para resolver problemas de autovalor de difusão neutrônica em domínios unidimensionais. Como trabalhos futuros, sugerimos estender a utilização do MEF-LD-EN em problemas unidimensionais a dois grupos de energia, e em problemas multi-dimensionais. Agradecimentos Agradecemos a UESC pelo apoio no desenvolvimento desse artigo, ao CNPq e a FAPESB pelo apoio financeiro a esta pesquisa, e ao NBCGIB pela infraestrutura disponibilizada para a realização dos experimentos computacionais. REFERÊNCIAS Attar, R.E., 2009. Legendre Polynomials and Functions. CreateSpace, ISBN: 9781441490124. Barros, R. C. & Larsen, E. W., 1992. A Spectral Nodal Method for One-Group X,Y-Geometry Discrete Ordinates Problems. Nuclear Science and Engineering, ESTADOS UNIDOS, v. 111, p. 34-45. Bell, G.I. & Glasstone, S., 1970. Nuclear reactor theory. Van Nostrand Reinhold Co., lccn: 73122674. Case, K. M. & Zweifel, P. F., 1967. Linear transport theory. Addison-Wesley series in nuclear engineering. Dominguez, D. S. & Hernandez, C. R. G. & Barros, R. C., 2010. Spectral nodal method for numerically solving two-energy group X,Y geometry neutron diffusion eigenvalue problems. International Journal of Nuclear Energy, Science and Technology (Print), v. 5, p. 66.

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