Bachelor's Thesis

Numerical model of a spent nuclear fuel storage pool

Final Thesis 4.17 MB

Author of thesis: Martin Jurecký

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Radomír Chýlek, Ph.D.

Reviewer: Ing. Libor Kudela, Ph.D.

Abstract:

The nuclear fuel cycle is an integral part of nuclear power. The first part of this thesis examines the fuel cycle in greater detail. It also describes fuel systems and the cooling system for spent nuclear fuel. The next section discusses the generation of decay heat in nuclear fuel and the processes that occur within the fuel during its time in the reactor core and after its discharge. The final part of the thesis describes the development of a numerical model of a spent fuel storage pool, along with the simulation calculations and the obtained results.

Keywords:

Nuclear, fuel cycle, spent fuel pool (SPF), nuclear fuel, fuel assembly, decay heat, reactor core, isotope, nuclide

Date of defence

17.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Student odprezentoval obsah své bakalářské práce. Otázky oponenta byly zodpovězeny. V průběhu obhajoby byly položeny tyto doplňující otázky: ak byste změnil a upravil váš model pro šestihrannou symetrii? Jakou kapalinu jste měli v modelu, stlačitelnou nebo nestlačitelnou? Jaký model turbulence jste použil? Je geometrie bazénu reálná?

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Fundamentals of Mechanical Engineering (B-ZSI-P)

Specialization

Fundamentals of Mechanical Engineering (STI)

Composition of Committee

prof. Ing. Jiří Pospíšil, Ph.D. (předseda)
Ing. Pavel Milčák, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Jiří Škorpík, Ph.D. (člen)
Ing. Ladislav Šnajdárek, Ph.D. (člen)
Ing. Michal Špiláček, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Radomír Chýlek, Ph.D.

Student pracoval samostatně a v první fázi konzultoval výsledky práce. V pozdější fázi práce už bohužel revize nestíhal, pracoval pod časovým tlakem a před odevzdáním jsem neměl možnost si jeho práci vůbec projít. Ta by potřebovala po všech stránkách ještě doladit. Student metodicky postupoval mimo doporučenou cestu validace výpočtu. Není zřejmé, které výsledky jsou finální či správné. Využitelnost výsledků práce tak je rozporuplná, spíše byl prací postaven základ pro další rozvoj. Hodnotím celkovým hodnocením za C/dobře.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání C
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod D
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry D
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii C
Logické uspořádání práce a formální náležitosti C
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací C
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: C

Reviewer’s report
Ing. Libor Kudela, Ph.D.

Student zpracoval práci týkající se bazénu skladování vyhořelého jaderného paliva a modelování chlazení. Rešeršní část (kap. 1–4) je zpracována podrobně a věcně pokrývá celý palivový cyklus, palivový soubor i mechanismy vzniku zbytkového tepla. Praktická část (kap. 5) přináší vlastní CFD model v prostředí ANSYS Fluent, postupně od zjednodušené šestinové symetrie přes celý palivový soubor až po výsek bazénu se 60 soubory. Graficky je práce na odpovídající úrovni a je logicky řazena. V praktické části se však vyskytuje celá řada nedostatků. Jako příklad lze uvést, že po dosazení hodnot v rovnici 5.2 neodpovídá výsledek hodnotě 0,366 kg/s. Použijeme-li jednoduchou kalorimetrickou rovnici pro výpočet ohřevu chladicí vody o průtoku 0,366 kg/s pro jeden palivový soubor se zbytkovým tepelným výkonem 38,28 kW, dostaneme hodnotu ΔT = 25 °C. Při vstupní teplotě 26,86 °C by výstupní teplota vody měla být přibližně 51,86 °C. Očekávat v tomto případě výstupní teplotu 32 °C (viz odstavec na straně 35) poukazuje na nepochopení základních energetických bilancí problému. V první simulaci, kde je kanál simulován pomocí šestinové symetrie, je výstupní teplota 89 °C (která je navíc špatně převedena z 355 K a měla by tedy být 81,85 °C). Rezidua simulace jsou však bezpečně pod zadanými kritérii, což naznačuje, že jsou v simulaci špatně zadány okrajové podmínky. Na Obr. 10 lze vidět teplotní pole, které tento problém potvrzuje. Teplo vzniká jak na povrchu palivového souboru (spodní hrana), tak na povrchu kanálu (horní hrana). Lze tedy usoudit, že do chladicí vody je přiváděno výrazně větší množství tepla (pravděpodobně dvojnásobné). Po korekci by se teplota měla přiblížit k bilanční hodnotě 51,86 °C. Nejblíže správné hodnotě má simulace nazvaná „Heat source“, která je naopak označena jako neodpovídající reálné fyzice. Takto výsledky nelze bezpečně využít pro inženýskou praxi. Dalších nedostatků se dotýkám v přiložených otázkách. Z těchto důvodů navrhuji snížené hodnocení C/(dobře).
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání C
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod C
Vlastní přínos a originalita C
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii D
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Popište teplotní pole z Obr 10. Proč je na horní hraně vysoká teplota?
  2. Uveďte kalorimetrickou rovnici pro chlazení jednoho palivového souboru. Vypočítejte rozdíl teplot mezi vstupní a výstupní teplotou chladící vody při průtoku 215m3/h a tepelném výkonu 38,28kWt.
  3. Můžete uvést správné dosazení do rovnice 5.2? Jaká hodnota byla skutečně vložena do simulace? Nemohla mít chyba v této rovnici vliv také na špatnou konvergenci pro celkový průtok 300m3/h?
  4. U varianty s okrajovou podmínkou "Heat source" na straně 37 popisujete obrázky č 13 a 14. Tvrdíte, že teplotní pole vůbec neodpovídá realitě ani reálné fyzice. Popište názorně směr proudění vody, vstupní a výstupní teplotu a popište co přesně je na teplotním poli nereálného.
  5. V simulaci s okrajovou podmínkou "Heat source", jste se dopočítal výstupní teploty vody 45°C, při měrném tepelném toku 11 469 W/m2, což je velmi blízko očekávané hodnotě (ze strany 33). Není toto z bilančního hlediska nejblíže konzistentnímu výsledeku?
  6. Jakým přístupem byla určena výsledná výstupní teplota chladící vody u simulací chlazení jednoho palivového souboru? Jedná se o obyčejný průměr nebo o vážený průměr reflektující rychlostní profil na výstupu? Můžete zkusit porovnat oba přístupy pokud to ANSYS Fluent umožňuje. Který z výsledků je blíže bilanční hodnotě?
  7. U varianty „Generovanie tepla v solide“ jste zachoval měrný objemový výkon 201 792 W/m³, ale předepsal jej do stěny o tloušťce pouhých 10 mm. Při vnější ploše souboru 3,337 m² tím do modelu vstupuje jen ≈ 6,7 kW namísto požadovaných 38,28 kW (5,7× méně), což potvrzuje i simulovaný tepelný tok 2017,9 W/m² oproti teoretickým 11 471 W/m². Jak tato skutečnost ovlivňuje vámi uváděnou shodu výstupní teploty (30 °C) s provozním stavem? Nejedná se spíše o náhodu?
  8. Jak jeden z výsledků simulace části bazénu jste uvedl jako maximální lokální teplotu vodu 96°C, což uvádíte správně jako nesmyslnou hodnotu. Simulace je provedena s velmi zjednodušenými palivovými soubory (šestihrany), ale reálný soubor má výrazně větší celkovou plochu. Můžete dohledat a porovnat Vámi uvažovanou a reálnou plochu jednoho palivového souboru? Není to příčinou nereálně vysoké teploty?

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová