ENSAYOS DE VERIFICACION DE DISEÑO PARA ELEMENTOS COMBUSTIBLE TIPO PLACA

Bonifacio Pulido K., Martin Ghiselli A., Sacchi M.; Pastorini A. Departamento de Ensayos No Destructivos y Estructurales - CNEA

Buenos Aires, Provincia / 1650, Argentina 6772-7439 Fax 6772-7426

bonifaci@cnea.gov.ar, ghiselli@cnea.gov.ar, sacchi@cnea.gov.ar, pastorin@cnea.gov.ar

Resumen Los ensayos de caracterización hidráulica, hidrodinámica y durabilidad forman parte de la verificación de diseño de un elemento combustible tipo placa y sus componentes. Estos ensayos se realizan en una facilidad de ensayos de baja presión y temperatura. Los ensayos de verificación de diseño requieren definir los parámetros de simulación para fijar las condiciones de ensayo, evaluar los resultados, realimentar los modelos de cálculo, determinar los parámetros hidráulicos e hidrodinámicos y la respuesta mecánica, extrapolar los resultados a las condiciones nominales de operación deL reactor si resulta necesario y finalmente decidir la aceptabilidad del prototipo ensayado.

DESIGN VERIFICATION TEST FOR PLATE TYPE FUEL ELEMENTS

Abstract

The hydraulic, hydrodinamic and durability characterization tests are part of the design verification process of a nuclear fuel element prototype and its components. These tests are performed in a low pressure and temperature facility. The tests requires the definition of the simulation parameters to fix the test conditions, to evaluate the results, to feedback mathematical models, determine the hydraulic and hydrodynamic parameters and mechanical response of the structure, extrapolated the results to reactor operating conditions if neccesary and finally to decide the acceptability of the tested prototype.

1. Introducción

El proceso de verificación de diseño de un Elemento Combustible (EC) tipo placa para reactores nucleares de investigación y/o de producción de radioisótopos, incluye la realización de ensayos de caracterización hidráulica, hidrodinámica y durabilidad en circuitos que reproduzcan las condiciones de operación del EC en el núcleo del reactor. El Circuito Experimental de Baja Presión (CEBP) de la Comisión Nacional de Energía Atómica, cuenta con un canal de ensayo (CE) que reproduce las condiciones geométricas e hidráulicas que presenta un EC Tipo placa con circulación de refrigerante en sentido vertical y ascendente y que puede operar en un amplio rango de condiciones estacionarias de caudal y temperatura controladas. Para reproducir las

condiciones de contorno que tiene el EC Tipo placa en el circuito primario del reactor se requiere:

• El CE debe reproducir en su interior las condiciones geométricas de contorno y la distribución de flujo refrigerante que el conjunto formado por un elemento combustible y su respectiva herramienta de sujeción (HS) tienen en el núcleo del reactor.

• Una porción de la grilla inferior para el soporte del mismo y una caja que rodea al elemento combustible a fin de simular la geometría que rodea al mismo en el reactor.

• La HS deberá reproducir las condiciones geométricas de las piezas que rodean la misma en el plenum inferior del reactor y se incluye un mecanismo de ajuste de la fuerza de sujeción similar al correspondiente que se utiliza en el reactor.

La figura 1 muestra un diagrama de la configuración del canal de ensayos existente, donde Q1 es el caudal principal de refrigeración que circula a través del elemento combustible y el identificado como Q2 es el caudal secundario o de limpieza. Para los ensayos se establece un sistema de referencia ortogonal, tal que el eje X tiene la dirección y sentido del flujo entrante (horizontal) al canal de ensayos y el eje Z tiene la dirección del eje del canal vertical y sentido coincidente con el flujo de agua en el canal. El eje Y completa la terna dextrógira. El CEBP se encuentra licenciado bajo seguridad Radiológica Clase II, que permite realizar ensayos hidráulicos, hidrodinámicos y de durabilidad de EC y componentes estructurales, ya sea de Reactores de Investigación o de Potencia. La facilidad de ensayo cuenta con Personal Licenciado, profesionales y operadores del CEBP. El personal de la División esta capacitado en la realización de Procedimientos, Instrucciones y Planes de Ensayos y cuenta con certificación como analista de Vibraciones Categoría I, II, III y IV según ISO 18436-2.

Figura 1. Diagrama de configuración del Canal de Ensayos.

Los ensayos de caracterización se realizan sobre prototipos fabricados a escala 1:1 del EC y la correspondiente herramienta de sujeción que estarán instalados en el interior de la sección de ensayos con la instrumentación necesaria de acuerdo a los requerimientos de cada ensayo. Los ensayos de caracterización hidráulica e hidrodinámica están dirigidos a determinar las características de la respuesta dinámica del EC frente a la fuerzas generadas por el flujo refrigerante y a establecer las pérdidas de presión que el EC produce en el circuito. Los ensayos de durabilidad tienen como objetivo calificar el diseño mecánico estructural del EC Tipo Placa verificando su resistencia frente a las cargas hidrodinámicas que se producen como consecuencia de vibraciones inducidas por el flujo de refrigerante, del empuje hidrodinámico, de presiones diferenciales y de fenómenos de desgaste. El conjunto de ensayos previsto puede incluir la realización de ensayos de verificación en condiciones de transporte del EC Placa, empleando un contenedor diseñado al efecto. Durante el transporte se controlan y miden las vibraciones que soporta el prototipo. Finalmente, es posible realizar ensayos para evaluar la respuesta del prototipo de EC Placa ante excitaciones de origen sísmico, los que se realizan empleando un excitador electrodinámico de vibraciones que permite simular esas excitaciones. Los resultados obtenidos en los ensayos de caracterización hidráulica e hidrodinámica permiten validar y realimentar los modelos de calculo y contribuyen a establecer la modificación y/o aceptación del prototipo de EC.

2. Ensayos de Caracterización Hidráulica Los ensayos de caracterización hidráulica tienen como objetivo determinar el valor de pérdida de carga del conjunto del elemento combustible y la herramienta de sujeción, así mismo es posible obtener la distribución de velocidades del refrigerante aguas arriba y aguas debajo de las placas combustibles para distintos caudales de operación. Con el EC Tipo placa en su correspondiente CE y el conjunto debidamente instrumentado se procede a realizar los ensayos realizando mediciones y aumentando el caudal desde el 50 % del caudal nominal en el núcleo del reactor hasta aproximadamente un 120 % del mismo según requerimiento del ensayo. La figura 2 muestra como ejemplo la evolución de la pérdida de presión de un EC Tipo placa en función del caudal nominal porcentual, siendo DP-E la presión diferencial obtenida entre una toma de presión ubicada aguas abajo del EC y otra ubicada inmediatamente aguas arriba del EC, en el extremo superior de la HS, y DP-C la medición de la pérdida de presión del conjunto formado por el EC y las piezas que simulan el plenum inferior del reactor, incluyendo la HS.

Figura 2. Valores de Pérdida de presión en el EC en función del caudal nominal. Para obtener el perfil de velocidades de refrigerante aguas arriba de las placas combustibles se emplean 5 tomas de presión total en el EC y una toma de presión estática en la caja que lo rodea, como se muestra en la Figura 3. La pieza que incluye las tomas de presión total se coloca por debajo del borde inferior de las placas combustibles, con la ventana ubicada en la caja que rodea el elemento combustible, donde se instala el conector para la salida de las señales de presión. Con los valores de presión diferencial tomados entre ambas tomas de presión se determina la velocidad del fluido en cada punto de medición, a partir de:

21

2P vρ∆ =

siendo,

∆P: Presión dinámica medida como la diferencia de presión total y la presión estática. V: Velocidad media del fluido en los dos puntos donde se ubicaron las tomas de presión.

ρ: Densidad del fluido a la temperatura del ensayo.

Figura 3. Dispositivo para la medición de velocidades de refrigerante aguas arriba de las Placas Combustibles.

La figura 4 muestra los valores de velocidad medidos aguas arriba de las placas combustibles en función del caudal porcentual para las 5 posiciones numeradas en el sentido positivo del eje X, en donde se observa el efecto de reducción de la velocidad que se tiene cerca de las ventanas laterales del EC.

Figura 4. Velocidad del fluido medida en 5 puntos aguas arriba de las placas combustibles en función del caudal nominal.

Para las mediciones de velocidad de refrigerante inmediatamente aguas debajo de las placas combustibles, se instala un tubo de Pitot como se muestra en la figura 5 que puede desplazarse transversalmente a las placas combustibles, lo que permite medir las velocidades del refrigerante entre la pared de la caja que simula la ubicación geométrica del EC dentro del núcleo del reactor y las placas externas del EC y la velocidad del refrigerante entre cada una de las placas combustibles. Un ejemplo del perfil de velocidades obtenido se presenta en la Figura 6.

Figura 5. Tubo de Pitot para la medición de velocidades de agua en el extremo superior del Elemento Combustible.

Figura 6. Valores medidos de velocidades de agua entre placas de EC para caudales entre el 60 % y 120% del caudal nominal.

La figura 7 muestra el mismo dispositivo empleado para la medición de velocidad de refrigerante a lo largo del canal formado por dos placas combustibles en la zona central del prototipo. Un ejemplo del perfil de velocidades obtenido en esta medición se presenta en la figura 8, en la cual los valores extremos corresponden a las velocidades medidas entre la placa estructural lateral del EC y el cajón que rodea al mismo.

Figura 7. Conjunto de Tubo de Pitot y Elemento Combustible en el CE para la medición de velocidades de refrigerante entre dos placas combustibles.

Figura 8. Perfil de velocidades a lo largo de un canal entre dos placas combustibles.

3. Ensayos de Caracterización Dinámica Los ensayos de caracterización hidrodinámica tienen como objetivo verificar la estabilidad estructural de las placas del EC a partir de las mediciones vibración del conjunto del elemento combustible. En primer término se realizan ensayos de caracterización dinámica en aire y en agua estanca del EC Tipo Placa determinando su correspondientes frecuencias naturales de vibración, haciendo uso de acelerómetros para el ensayo en aire y de sensores de desplazamiento para el ensayo en agua estanca, ubicándose estos últimos en las posiciones L1 y L2 mostradas en la figura 1. También, si el espacio entre placas lo permite, es posible instrumentar las placas combustibles internas con extensómetros sumergibles como el que se presenta en la figura 9, que servirán para los ensayos en aire y en agua, obteniendo a partir de la respuesta de los mismos las frecuencias naturales de vibración de esas placas y sus correspondientes coeficientes de amortiguamiento.

Figura 9. Extensómetro sumergible (strain gage) instalado en una placa combustible. Los ensayos de caracterización dinámica en aire se realizan instrumentando el prototipo con dos acelerómetros en distintas configuraciones para obtener los espectros de respuesta del conjunto frente a una excitación de banda ancha producida por impacto. Las figuras 10 a 11 muestran los autoespectros de respuesta obtenidos durante los ensayos de caracterización dinámica en aire del conjunto del EC y de las placas combustibles externas. La Figura 12 muestra una señal de respuesta de una placa combustible excitada por impacto.

Figura 10. Modos naturales de vibración del EC en aire y en el sentido perpendicular

a la placa lateral.

Figura 11. Modos naturales de vibración del EC en aire y en sentido perpendicular a la placa combustible externa.

Figura 12. Señal de respuesta al impacto de una placa combustible.

Posteriormente, con el canal de ensayos completamente armado y lleno de agua, se repitieron las mediciones de caracterización dinámica utilizando en este caso los sensores de desplazamiento instalados para los ensayos, tanto sobre el EC como sobre la HS y excitando el conjunto mediante impactos o fijando un excitador electrodinámico de vibraciones que permite realizar un barrido de frecuencias. Como ejemplo las figuras 13 y 14 muestran un autoespectro característico de la respuesta del EC y la HS obtenidos con los sensores de desplazamiento ubicados para el efecto.

Figura 13. Modos naturales de vibración del EC en agua estanca y en sentido perpendicular a la placa lateral.

Figura 14. Caracterización Dinámica del EC en agua estanca, modos naturales de

vibración de la herramienta de sujeción. La Figura 15 muestra un autoespectro de respuesta de los extensómetros colocados en placas internas del EC. A partir de los valores de frecuencia natural en aire (faire) y en agua (fagua) se determina la masa hidrodinámica (mh) y el coeficiente de masa asociada (cm). Siendo

h mm V cρ= y 0.5( )agua aire

h

mf f

m m=

+

m h : Masa hidrodinámica o masa asociada

ρ : Densidad del refrigerante V : Volumen del fluido desplazado coincidente con el volumen de las placas cm : Coeficiente de masa asociada m : Masa de la placa

Figura 15. Autoespectros de respuesta dinámica registrada por extensómetros instalados en placas internas del EC durante ensayos de caracterización dinámica en

aire y en agua estanca.

4. Ensayos Hidrodinámicos En estos ensayos se varía el caudal de agua de refrigeración, típicamente entre el 80% y 200% del nominal y también se evalúan distintas fuerzas de ajuste de la herramienta de sujeción. Los sensores de desplazamientos son ubicados en el CE en forma ortogonal como en los ensayos de caracterización dinámica en agua, siendo: L1: sensores de desplazamiento ubicados por debajo del borde superior de las placas combustibles del EC con sentidos de medición +900 y +180º del eje +X, midiendo sobre una placa combustible externa y sobre una placa lateral del EC. L2: sensores de desplazamiento ubicados por debajo del borde inferior de la grilla con sentidos de medición +45º y +315º del eje +X, midiendo sobre la herramienta de sujeción. Las figuras 16 y 17 muestran el desplazamiento RMS medido sobre la placa combustible externa y lateral respectivamente para distintos caudales de agua de refrigeración y para distintas fuerzas de ajuste de la HS. Por otra parte las figuras 18 y 19 muestran respectivamente, el desplazamiento RMS medido sobre la HS en dos direcciones ortogonales y para una fuerza de ajuste fija de la HS y el desplazamiento RMS sobre la HS para distintas fuerzas de ajuste de la HS.

Figura 16. Desplazamiento RMS medidos sobre la placa combustible externa del EC.

Figura 17. Desplazamiento RMS medidos sobre la placa lateral del EC.

Figura 18. Desplazamiento RMS medido sobre la HS en dos direcciones ortogonales y para una sola fuerza de ajuste.

Figura 19. Desplazamiento RMS medido sobre la HS para distintas fuerzas de ajuste.

Los autoespectros característicos medidos sobre el EC y HS para un 100% del caudal nominal y fuerza de ajuste nominal de la HS, obtenidos a partir de las señales de los sensores de desplazamiento, se muestran en las figuras 20 y 21 respectivamente.

Figura 20. Vibraciones del EC para fuerza de ajuste nominal de la HS y caudal 100%

del nominal.

Figura 21. Vibraciones sobre la HS para fuerza de ajuste nominal y 100% del caudal

nominal. La figura 22 muestra el autoespectro de respuesta de un extensómetro ubicado en una placa interna del EC para un caudal 210 % del caudal nominal, en un ensayo para tratar de alcanzar la velocidad de flujo critico de inestabilidad fluido elástica de las placas, la amplitud de los picos de frecuencia no implica en este caso vibraciones excesivas, el valor de frecuencia del orden de 1600 Hz indica la presencia de un fenómeno de separación de vórtices en los extremos de las placas que tampoco resulta perjudicial dado que no se presenta una resonancia con alguna frecuencia natural de vibración de las placas.

Figura 22. Espectro de un extensómetro instalado en una placa combustible donde se identifica un pico de frecuencia originado en un fenómeno de desprendimiento de

vórtices. La figura 23 muestra el autoespectro de respuesta de placas instrumentadas con extensómetros para un 100% de caudal nominal, la frecuencia de 621 Hz correspondería al fenómeno de desprendimiento de vórtices. La figura 24 muestra que no hubo evidencia de un aumento repentino de las amplitudes de vibración con el aumento del caudal entre 60% y 240% del caudal nominal por lo que no se alcanzó la velocidad de flujo critico para la inestabilidad fluido elástica en las placas combustibles.

Figura 23. Autoespectros de respuesta obtenidos a partir de extensometros ubicados en una placa combustible y un flujo de refrigerante 100 % del caudal nominal.

Figura 24. Amplitudes de vibracion RMS de diferentes placas de un EC placa prototipo en función del caudal de agua.

5. Ensayos de Durabilidad

El objetivo general de los ensayos de durabilidad es evaluar el comportamiento del EC frente a condiciones de caudal de agua de refrigeración nominal o superior al nominal durante un período prolongado que puede variar entre 200 y 1000 horas, dependiendo de los requerimientos y características del EC y del reactor.

El esquema general del dispositivo de ensayos es similar al que se muestra en la Figura 1. Se emplean los mismos sensores de desplazamiento L1 y L2 y el sensor

que medirá el ∆P para controlar periódicamente que no se produzcan alteraciones que sean indicación de algún deterioro en el conjunto bajo ensayo. La figura 25 muestra la disposición del CE para un EC Tipo placa en el CEBP. Una vez finalizado cada conjunto de ensayos se retira el EC del canal de ensayo y se procede a una completa inspección para evaluar posibles daños por desgaste, corrosión o impacto.

Figura 25. Disposición del canal de ensayo para EC placa en el CEBP.

6. Ensayo de Transporte Si se requiere, puede caracterizarse el transporte del EC Tipo placa en su respectivo contenedor para verificar las condiciones de frecuencia y amplitud de las vibraciones presentes, las que no deberían superar los máximos permitidos por las condiciones de diseño sobre las placas combustibles y el conjunto completo del EC.

El contenedor provisto para el prototipo debe quedar fijo en posición horizontal y en una superficie plana sobre el camión de transporte. Así mismo el contenedor debe asegurar que no se produzcan golpes del EC Tipo Placa en su interior.

Para la evaluación se utilizan acelerómetros piezoeléctricos ubicados sobre una placa combustible y una placa lateral, sobre el contenedor y sobre la plataforma del medio de transporte para el registro de las vibraciones y su posterior análisis.

7. Ensayo Sísmico El ensayo sísmico se realiza para determinar la respuesta dinámica del EC frente a un sismo, empleando un excitador electrodinámico de vibraciones como el que se presenta en la figura 26. Los valores de aceleración y frecuencia de las vibraciones que se generan son representativos de un sismo tipo que se define para el diseño del reactor.

Figura 26. Excitador de vibraciones de 11.000 N. Se utiliza un dispositivo de montaje que acopla el conjunto de EC Tipo Placa y la porción del CE, incluyendo el agua que lo llena, que representa el entorno geométrico del EC en el reactor al excitador. El CEBP cuenta con un puente grúa y herramientas de izado para el montaje del conjunto sobre la slip table del excitador de vibraciones. El ensayo se realiza sobre el EC Tipo Placa completo con la HS ajustada al valor nominal que tiene la misma en condiciones de operación en el núcleo del reactor. Para el ensayo se emplea la misma instrumentación de sensores de desplazamiento y acelerómetros para el registro de vibraciones durante el ensayo.

8. Conclusiones

Se presenta el conjunto de ensayos que es posible realizar para la caracterización hidráulica e hidrodinámica de un prototipo de EC Tipo Placa como los empleados en reactores de investigación y producción de radioisótopos, con el objeto de contribuir a la verificación del diseño mecánico-estructural del mismo. Los resultados obtenidos en los ensayos hidráulicos permiten determinar los valores de pérdida de carga del EC completo y de sus componentes en condiciones de reactor, así como también los perfiles de velocidades de refrigerante aguas arriba y aguas abajo del EC para distintos caudales de agua de refrigeración.

Los resultados obtenidos en la caracterización dinámica del EC permiten conocer las frecuencias y modos naturales de vibración y el coeficiente de amortiguamiento del conjunto del EC, en aire y en agua estanca y se emplean como datos para la interpretación de los resultados de los ensayos hidrodinámicos. Los ensayos de caracterización de la respuesta hidrodinámica permiten conocer el comportamiento vibratorio del EC y sus partes componentes frente a fuerzas de excitación similares a las que se tienen en el núcleo del reactor. Los ensayos de durabilidad permiten validar el diseño mecánico del EC simulando un período prolongado de estancia del EC en el núcleo del reactor sometido a las fuerzas producidas por el flujo de refrigerante. Los ensayos de transporte permiten determinar el comportamiento vibratorio del EC en su contenedor de transporte y validar el diseño del mismo. Los ensayos sísmicos permiten calificar el diseño mecánico del EC frente a las condiciones extremas de diseño producidas por un sismo. Finalmente los ensayos aquí descritos permiten validar los modelos de cálculo, y modificar o aceptar el diseño de prototipos de EC Tipo Placa.