PROJETO INTEGRADO DE IRRADIAÇÃO PARA QUALIFICAÇÃO DE VARETAS COMBUSTÍVEIS TIPO PWR

Transcrição

1 PROJETO INTEGRADO DE IRRADIAÇÃO PARA QUALIFICAÇÃO DE VARETAS COMBUSTÍVEIS TIPO PWR João Roberto Loureiro de Mattos*, Antônio Carlos L. da Costa**, Fernando Avelar Esteves** e Márcio Soares Dias** *Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo - CTMSP Av. Prof. Lineu Prestes, , São Paulo, Brasil ** Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear - CDTN/CNEN Caixa Postal , Belo Horizonte, Brasil RESUMO O CTMSP e o CDTN estão desenvolvendo um projeto integrado para a qualificação de varetas combustíveis para reatores nucleares tipo água pressurizada (PWR). Este projeto compreende um circuito de irradiação, cuja seção de teste será uma cápsula de irradiação a ser instalada no refletor do núcleo do reator IEA-R1 do IPEN-CNEN/SP e de um conjunto de células quentes que permitirá ensaios não destrutivos e destrutivos dos combustíveis irradiados. I. INTRODUÇÃO De fundamental importância para a segurança dos reatores nucleares tipo PWR é a integridade da vareta combustível, uma vez que ela constitui a contenção do combustível nuclear e é a primeira barreira contra a liberação de produtos de fissão. A homologação do projeto e processo de fabricação dessas varetas combustíveis, passa, obrigatoriamente, por uma qualificação prévia para a demonstração de que os requisitos de projeto são atendidos, mesmo nas piores condições operacionais previstas. Esta qualificação é realizada através da utilização de circuitos de irradiação, e através de ensaios não destrutivos e destrutivos, realizados em células quentes, onde são verificadas se as alterações sofridas pela vareta ao longo do processo de irradiação, confirmam as margens e o comportamento previstos no projeto. As características principais de projeto de um circuito de irradiação são determinadas pelo espectro de condições operacionais a serem simuladas com as varetas combustíveis. Os experimentos de irradiação são realizados com as varetas contidas na seção de teste do circuito, denominada cápsula de irradiação, que é instalada no interior ou na vizinhança do núcleo de reatores de teste de materiais. As células quentes consistem de câmaras blindadas com ambiente isolado e controlado, possuindo dispositivos funcionais que permitem sem o contato direto do operador, analisar, de forma não destrutiva e destrutiva, materiais e conjuntos radioativos. II. CRITÉRIOS DE PROJETO Circuito de Irradiação. O circuito de irradiação será constituído de uma cápsula de irradiação, a ser instalada no refletor do núcleo do reator IEA-R1, e de sistemas e conjuntos de montagens a serem instalados no nível de operação da piscina desse reator. Acoplados à cápsula de irradiação, que contém as varetas combustíveis a serem testadas, os sistemas e conjuntos de montagens têm como função estabelecer as condições operacionais necessárias para a execução do ensaio de irradiação, bem como possibilitar a monitoração, o controle e a segurança ao longo do ensaio. Estes sistemas garantem um perfeito acompanhamento e levantamento do histórico de irradiação das varetas, através da gravação dos principais parâmetros de processo envolvidos ao longo da irradiação, em sistemas computacionais automatizados e redundantes. Os limites operacionais deste circuito são [1]:. potência linear de pico da ordem de 500 W/cm, para varetas combustíveis com diâmetros normais de PWR, em regime operacional estacionário;. pressão máxima de operação do circuito de irradiação em condições normais, 110 bar;. pressão mínima de operação do circuito de irradiação em condições normais, 55 bar;

2 . pressão interna máxima na vareta combustível, 110 bar.. ruptura do revestimento da vareta. A Fig. 1 apresenta os elementos principais do circuito de irradiação e a Fig. 2 apresenta um corte da cápsula de irradiação. Água de Resfriamento Sistema de Proteção e Controle Instrumentação e Controle Piscina Núcleo Refletor Detetores de Radiação Cápsula de Irradiação Vareta Combustíve l Sistema de Água Pressurisada Sistema de Contrapressão Gasosa Sistema de Desmontagem Sistema de Rejeito Gasoso Sistema de Rejeito Líquido Suprimento Elétrico Sistema de Pressurização Gasosa Purificação e Filtração Unidade de Circuitos Casamata de Blindagem Figura 1. Circuito de Irradiação a Água Fervente Contato do transdutor de pressão Temperatura de parede do tubo de pressão Temperaturas de entrada e de saída da água de resfriamento Cabeçote da Cápsula Água Pressurisada Água de Resfriamento Contrapressão de Hélio Células Quentes. Como pode ser visto na Fig. 3 a unidade de células quentes constituem-se de um conjunto de três células, cada uma atendida com uma posição de trabalho, que compreende um par de telemanipuladores e uma janela de vidro plumbífero. A blindagem biológica será em placas de liga de chumbo com 4% de antimônio, com espessura de 200 mm. As três células serão estanques a partículas α. Os seguintes ensaios de pós-irradiação serão realizados na unidade de células quentes [2]: Figura 2. Cápsula de Irradiação Tubo Externo Tubo Divisor de Fluxo Tubo de Pressão Transdutor de Pressão Estabilizador de Bolhas Vareta Combustivel de Teste Cel. N o TABELA 1. Ensaios das Células Quentes - Inspeção Visual - Inspeção dimensional - Empolamento - Inchamento - Espectrometria gama Ensaios vareta placa Corte e preparação de amostras para ensaios metalográficos e ceramográficos Microscopia ótica e autoradiografia α, β, γ

3 Figura 3. Vista em Corte das Células Quentes Figura 4. Mock-up do CTMSP

4 Os critérios gerais de projeto da unidade de células quentes são:. atender os requisitos gerais estabelecidos no Safety Series 30 da AIEA, "Manual on Safety Aspects of the Design and Equipment of Hot laboratories", edição 1981;. trabalhar com combustíveis de reatores de pesquisa e reatores de potência, do tipo placa ou vareta, com comprimento máximo de 200 mm;. receber o combustível de forma isolada, sendo a desmontagem dos dispositivos de irradiação feitas em instalações externas não pertencentes a esta unidade;. observar decaimento mínimo de 90 dias para recebimento das dos combustíveis irradiados; e. cimentar internamente às células os rejeitos produzidos nas operações de análise. Para o transporte de amostras irradiadas do reator do IPEN/CNEN-SP (São Paulo - Capital) para ARAMAR (Iperó - SP), local de instalação das células quentes, foi adquirido um sistema de transporte, qualificado conforme normas internacionais, para uso em vias públicas. Este sistema permite o carregamento do combustível dentro da piscina do reator e o seu descarregamento no interior das células quentes. Para o manuseio de rejeitos e materiais a serem introduzidos e retirados das células foi adquirido um sistema comercial tipo PADIRAC RD15, fabricado pela empresa francesa La Calhène. III. PROGRAMAS DE VALIDAÇÃO Circuito de Irradiação. O circuito de Irradiação está com o seu projeto básico concluído, estando em andamento a etapa de experimentos de validação. Estes experimentos visam:. testar componentes de segurança já fabricados, tais como as válvulas de bloqueio, que garantem a manutenção da pressão da cápsula em eventuais rompimentos de linhas do sistema de pressurização;. testar a capacidade de remoção de calor nuclear residual, apenas por convecção natural, critério este que é determinante para a definição da potência linear de pico;. confirmar, por via experimental, através de varetas simuladores aquecidas eletricamente, as características termohidráulicas adotadas nos cálculos; e. testar o sistema de desmonte da cápsula de irradiação, que deverá fazer o desmonte da cápsula na piscina do reator IEA-R1, para permitir a retirada das varetas irradiadas e o seu posterior transporte para as células quentes. O resultado destes experimentos servirão para validar os conceitos de projeto e servir como documentação para licenciar a instalação deste circuito no reator IEA-R1. Células Quentes. Para assegurar a adequabilidade das soluções de projeto adotadas na sua unidade de células quentes, o CTMSP construiu um "mock-up", conforme a Fig. 4, onde um extensivo programa de testes está em execução. Os testes visam a integração dos equipamentos científicos e das operações com os meios de manipulação remotos. Estes testes cobrem a instalação, o desenvolvimento de processos, a integração entre sistemas e a manutenção por meios remotos dos equipamentos, utilizados nos ensaios não destrutivos e destrutivos, desta instalação [3]. Os equipamentos científicos e de manipulação são os equipamentos definitivos a serem utilizados nas células quentes, montados em estruturas que representam para o operador as condições de visualização, manuseio e arranjo tão realísticas quanto possível. IV. CONCLUSÕES O programa de validação do circuito de irradiação, previsto para fornecer seus primeiros resultados em 1997, permitirá a instalação em 1998 do circuito de irradiação no reator IEA-R1 na sua primeira etapa, denominada de "cápsula nula". Nesta fase o circuito será introduzido no refletor do reator sem combustível no seu interior, para realizar o comissionamento dos sistemas e levantamento de características específicas, tais como o aquecimento gama.. O "mock-up" do CTMSP tem provado seu valor na finalização de conceitos de projeto, desenvolvimento de métodos de manutenção remoto e desenvolvimento de processos, sendo que a adaptação dos equipamentos de processo às condições de manuseio remoto estão em estágio avançado. Com mais de 70% do valor do investimento já aplicado e com os avanços técnicos alcançados até o momento, permite-se afirmar que, se não houver descontinuidade de recursos, o país disporá, a partir de 1999 de uma importante ferramenta para indústria nuclear brasileira, que permitirá o desenvolvimento e qualificação de varetas combustíveis de reatores tipo PWR. REFERÊNCIAS [1] Costa, A. C. L. da, Esteves, F. A., e Dias, M. S., Circuito de Irradiação a Água Fervente para Irradiação de Varetas Combustíveis Tipo PWR, Anais do 6 CGEN, (CD ), Rio de Janeiro, Abril [2] Manabe, P. M., Laboratório para Análise de Materiais Irradiados, Anais da COTEQ96 - Conferência sobre Tecnologia de Equipamentos, p , Rio de Janeiro, Novembro 1996.

5 [3] Mattos, J. R. L. de, Vantagens do Uso de Mock-up como Suporte ao Projeto, Fabricação e Teste de Equipamentos Remotamente Operados, Anais da COTEQ96 - Conferência sobre Tecnologia de Equipamentos, p , Rio de Janeiro, Novembro ABSTRACT A PWR fuel rod qualification project is being developed by the CTMSP and CDTN. This project comprises an irradiation rig, which the experimental section will be a capsule to be installed at the IEA-R1 reactor core reflector and a hot cells unit that will perform non-destructive and destructive tests of the irradiated fuel.