TESTES MECÂNICOS APLICADOS AO ELEMENTO COMBUSTÍVEL NUCLEAR AVANÇADO (16NGF) PARA ANGRA-1

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1 25 International Nuclear Atlantic Conference - INAC 25 Santos, SP, Brazil, August 28 to September 2, 25 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA NUCLEAR - ABEN ISBN: TESTES MECÂNICOS APLICADOS AO ELEMENTO COMBUSTÍVEL NUCLEAR AVANÇADO (16NGF) PARA ANGRA-1 Marcio A. C. Silva 1, Seong-Ki Lee 2 and Roger Lu 3 1 Gerência de Análise do Combustível Nuclear - GEACO Indústrias Nucleares do Brasil - INB Rodovia Presidente Dutra, Km Resende, RJ marcio.adriano@inb.gov.br 2 Nuclear Fuel Design Dept. Kepco Nuclear Fuel Co., LTD (KNFC) P. O. Box 14, Yusung, Daejeon 35-6, Korea skilee@mail.knfc.co.kr 3 VVER Engineering & Testing Services Westinghouse Electric Company Columbia, Soth Caroline 2925, USA lur@westinghouse.com RESUMO As Indústrias Nucleares do Brasil (INB), KOREA Nuclear Fuel Company, Limited (KNFC) e Westinghouse Electric Company LLC (Westinghouse) se uniram com o objetivo de desenvolver um produto elemento combustível - que atenda ao desafio de aprimorar as exigências quanto a alta performance em condições rigorosas de operação. Com o intuito de utilizar o mais econômico projeto do núcleo e de obter o máximo de retorno, os operadores estão exigindo condições rigorosas para o combustível, projetando núcleos de mais energia. Uma queima de descarga mais elevada significa melhor utilização do urânio, reduzindo seu consumo e a quantidade de elementos combustíveis dispostos na piscina durante a vida útil da central. Para este novo elemento combustível, muitas inovações técnicas foram implementadas tendo em vista atingir este objetivo. Todos os componentes mecânicos foram projetados levando em conta a maior fluência de neutrons a que serão expostos. Este novo conceito de projeto mecânico onde rigorosos critérios de desempenho estrutural são exigidos, foi submetido a testes mecânicos que abrangem condições estáticas e dinâmicas. Características axiais, laterais e inclinadas foram obtidas para validar modelos e gerar constantes a serem utilizadas nas analises de segurança do núcleo. Os resultados decorrentes destes testes foram extremamente úteis para a completa caracterização do elemento combustível nuclear bem como para a validação de modelos numéricos que representem o seu comportamento estrutural durante as etapas de transporte e manuseio bem como em operação no núcleo de Angra INTRODUÇÃO As Indústrias Nucleares do Brasil (INB), KOREA Nuclear Fuel Company, Limited (KNFC) e Westinghouse Electric Company LLC (Westinghouse) se uniram com o objetivo de desenvolver um produto elemento combustível - que atenda ao desafio de aprimorar as exigências quanto a alta performance em condições rigorosas de operação. Com o intuito de utilizar o mais econômico projeto do núcleo e de obter o máximo de retorno, os operadores estão exigindo condições rigorosas para o combustível, projetando

2 núcleos de mais energia. Uma queima de descarga mais elevada significa melhor utilização do urânio, reduzindo seu consumo e a quantidade de elementos combustíveis dispostos na piscina durante a vida útil da central. Para este novo elemento combustível, muitas inovações técnicas foram implementadas tendo em vista atingir este objetivo. Todos os componentes mecânicos foram projetados levando em conta a maior fluência de neutrons a que serão expostos. Este novo conceito de projeto mecânico onde rigorosos critérios de desempenho estrutural são exigidos, foi submetido a testes mecânicos que abrangem condições estáticas e dinâmicas. Características axiais, laterais e inclinadas foram obtidas para validar modelos e gerar constantes a serem utilizadas nas analises de segurança do núcleo. Os resultados decorrentes destes testes foram extremamente úteis para a completa caracterização do elemento combustível nuclear bem como para a validação de modelos numéricos que representem o seu comportamento estrutural durante as etapas de transporte e manuseio bem como em operação no núcleo de Angra-1. Um elemento combustível experimental foi construído e carregado com urânio natural especialmente para ser usado na fase de testes. Este elemento combustível foi submetido a uma série de testes mecânicos e alguns importantes resultados foram obtidos. Sobre carregamento lateral foram obtidas informações sobre a rigidez lateral, tensão nos tubos guias, freqüência natural de vibração, modos de vibração, amortecimento e comportamento quanto à impacto lateral. Para testes de carregamento axial as informações obtidas foram a rigidez axial, tensão nos componentes, distribuição do carregamento entre os tubos guias e resposta ao impacto axial. Finalmente as freqüências naturais e o amortecimento foram determinados para o elemento combustível testado com o bocal superior desacoplado da placa superior. 2. DESCRIÇÃO DO TESTE RESULTADOS E DISCUSSÕES Os testes aplicados ao novo elemento combustível foram realizados no laboratório de testes mecânicos da Westinghouse obedecendo os procedimentos desta empresa. As condições individuais para cada teste bem como os resultados alcançados serão discutidos a seguir Testes Laterais O objetivo para os testes de vibração lateral foi obter a rigidez, as freqüências naturais, os modos de vibração e o amortecimento estrutural do elemento combustível. Os resultados alcançados foram empregados para validar as características laterais previamente calculadas por modelos de elementos finitos além de obter constantes empíricas para análises de segurança Freqüências naturais e modos de vibração O elemento combustível foi posicionado na bancada de teste fixo as placas superior e inferior que simulam fielmente a montagem do elemento combustível no núcleo do reator. A mola do bocal superior foi comprimida com a mesma deflexão a que o elemento combustível está sujeito no interior do núcleo no inicio de operação. Transdutores de deslocamento linear foram instalados em cada grade para registrar continuamente os deslocamentos. Um shaker foi posicionado na altura da quinta e da

3 quarta grade espaçadora (de baixo para cima) para aplicar um carregamento senoidal tendo em vista obter as freqüências naturais e os modos de vibração (Fig. 1). As seis primeiras freqüências naturais de vibração para o elemento combustível testado ficaram entre 3.99 e 32.7 Hz. O elemento combustível foi excitado pelo shaker na mesma faixa das freqüências naturais identificadas durante o teste permitindo que cada um dos modos de vibração fossem visualizados. Figura 1 Posicionamento do elemento combustível de teste na bancada Amortecimento estrutural De posse das freqüências naturais e dos modos de vibração, o amortecimento lateral do elemento combustível foi obtido através do método de decaimento logaritmo para todos os modos fundamentais. Paralelamente a esta primeira avaliação, a grade número 5 foi deslocada de sua posição inicial (.25,.5,.75 e 1. inch) e repentinamente liberada para avaliar a dissipação de energia decorrente da vibração amortecida. As oscilações decorrentes deste teste são apresentadas na Figura 2 a seguir:

4 16NGF Pluck Vibration Room Temperature Amortecimento (Grid-5, 1 lbs) lateral Displacement, inch initial deflection 1.5 initial deflection.8.75 initial deflection 1. initial deflection Time, sec Figura 2 Teste para determinar o amortecimento lateral. O amortecimento lateral para as freqüências naturais fundamentais apresentaram um resultado variando em função das amplitudes de vibração alcançadas. Este resultado ficou entre 1. e 8.% do amortecimento crítico. O amortecimento estrutural do elemento combustível para altos modos de vibração não se mostrou dependente da amplitude. A vibração do elemento combustível para estes modos mostrou uma amplitude relativamente pequena e o percentual de amortecimento crítico variando entre 1. e 2.5% Vibração com o bocal superior desacoplado (elemento combustível inclinado) O objetivo deste teste foi determinar as freqüências naturais de vibração com seus respectivos modos bem como o amortecimento estrutural do elemento combustível desengastado do bocal superior. Ainda posicionado na mesma bancada de testes (Fig. 1), o elemento combustível é liberado dos pinos do bocal superior permanecendo apenas conectado a placa do bocal inferior. Transdutores de deslocamento linear foram também instalados aos bocais superior e inferior além dos já presente nas grades espaçadoras. O mesmo shaker é agora posicionado na altura do bocal superior onde deslocamentos predeterminados são aplicados e liberados repentinamente. As oscilações decorrentes da vibração amortecida do elemento combustível são apresentadas na Figura 3. As freqüências naturais bem como o amortecimento estrutural variaram conforme a amplitude de vibração do elemento combustível. A freqüência natural para uma pequena amplitude foi de aproximadamente 1.3 Hz e ficou em uma faixa entre 2. e 7.% do amortecimento crítico para um pico de amplitude de aproximadamente.8 in.

5 Teste de vibração com bocal superior desacoplado Displacement, inch in. Initial Deflection.5 in. Initial Deflection.75 in. Initial Deflection 1. in. Initial Deflection 1.25 in. Initial Deflection Time, sec Figura 3 Resultado do teste de vibração para o elemento combustível com o bocal superior desacoplado Rigidez lateral O objetivo deste teste foi determinar a rigidez lateral para o elemento combustível quando este se encontra pré-carregado pelas molas de retenção do bocal superior. Os resultados obtidos serão usados para verificar as características estáticas do elemento combustível e confronta-las com resultados previamente obtidos por modelos de elementos finitos. O elemento combustível de teste foi posicionado verticalmente na bancada de teste e acoplado as placas que simulam os respectivos apoios no interior do núcleo. O carregamento imposto através das molas de retenção simulam as condições presentes durante o início de operação. Os transdutores de deslocamento linear foram mantidos nas posições dos bocais e em todas as grades espaçadoras. Sessenta strain gages foram instalados ao longo dos tubos guias para registrar as respectivas deformações. Deslocamentos foram aplicados por um macaco hidráulico nas grades 4, 5 e 6 separadamente enquanto uma célula de carga registrava a força aplicada pelo macaco durante cada teste (Fig. 4).

6 Figura 4 Teste para determinação da rigidez lateral do elemento combustível. A rigidez lateral do elemento combustível apresentou uma característica não linear justificada pelo escorregamento entre as varetas e as molas das grades. A rigidez lateral efetiva do elemento combustível para uma deflecção lateral de 1. inch ficou entre 24 e 27 lb/in (Fig.5). As deformações nos tubos guias durante os testes foram registradas por strain gages. De forma análoga ao teste de rigidez lateral, estes resultados serão úteis para validar modelos de elementos finitos aplicados à analise de segurança para o núcleo completo. Teste de rigidez lateral para carregamento na grade 5 Load, lbs Deflection, inch G1 G2 G3 G4 I1 G5 G6 I3 I2 G7 G8 Figura 5 Resultado do teste de rigidez lateral.

7 2.1.5 Teste de impacto lateral O objetivo deste teste foi avaliar os efeito do impacto das grades do elemento combustível com o baffle do núcleo do reator. O resultado deste teste será usado na validação de modelos de elementos finitos e obter constantes empíricas para analises de segurança. O elemento combustível é posicionado e pré-carregado na bancada de testes exatamente como descrito no teste de rigidez lateral. Anteparos rígidos simulando o baffle são posicionados de fronte a cada uma das grades com uma folga de aproximadamente 5 mils. Figura 6 Montagem do elemento combustível para o teste de impacto lateral. O teste decorre do deslocamento lateral (quinta grade) do elemento combustível a partir de sua posição inicial sendo em seguida repentinamente liberado permitindo que este se choque com os anteparos (Fig 6). 16NGF FA Lateral Impact Test [Impact Force vs. Initial Deflection] Teste de impacto Lateral Impact Force, lbs Initial Deflection, inch G2 G3 G4 I1 G5 I2 G6 I3 G7 Figura 7 Resultado do teste de força de impacto lateral.

8 O resultado mostrou que a força de impacto nas grades aumenta linearmente em função do deslocamento inicial imposto ao elemento combustível (Fig. 7). A máxima força de impacto foi observada na quarta grade com aproximadamente 18 lbs Testes axiais O objetivo destes testes foi determinar a deflexão do elemento combustível em função de um carregamento axial bem como a distribuição desta carga pelos tubos guias. A rigidez axial do elemento combustível foi usada para validar modelos de elementos combustíveis empregados em analises de segurança, verificar a integridade dos tubos guias mediante ao impacto gerado pela queda do conjunto de barras de controle, etc. A distribuição do carregamento pelos tubos guias foi também usada para estabelecer os fatores de pico para delinear os limites de carga para o projeto das conexões entre os componentes Teste de rigidez axial Com o elemento combustível ainda posicionado verticalmente na bancada de teste, vinte e oito transdutores lineares foram instalados para monitorar o deslocamento axial em vários pontos ao longo do elemento combustível. O carregamento axial foi aplicado por um macaco hidráulico montado em série com uma célula de carga para controlar e registrar a força (Fig. 8). Figura 8 Montagem para o teste de rigidez axial. O resultado para a carga versus deflexão mostrou-se praticamente linear. Os desvios de linearidade observados podem ser justificados pelo escorregamento das varetas combustíveis produzindo uma alteração na distribuição do carregamento entre as varetas e os tubos guias (Fig. 9). A rigidez axial média para um carregamento 53 lbs foi de aproximadamente 164 lbs/inch. O elemento combustível manteve sua estabilidade lateral durante toda a aplicação do carregamento.

9 Axial Loads, lbs Ax ial Lo ad s,l bs NGF FA Axial Stiffness [Effective lbs : 163,97 lbs/inch] Teste de rigidez axial Deflection, inch Figura 9 Resultado do teste de rigidez axial. G1 G2 G3 G4 I1 G5 I2 G6 I3 G7 G8 TN Teste de impacto axial O objetivo do teste de impacto axial foi determinar a ação da força o tempo e o coeficiente de restituição para diferentes alturas a que o elemento combustível de teste foi alçado e liberado para se chocar com o chão sob o efeito apenas da gravidade. Uma placa para receber o impacto do elemento combustível após a queda foi instalada imediatamente abaixo deste. Esta mesma placa foi conectada em série com uma célula de carga. Dois transdutores lineares foram conectados ao bocal inferior para monitorar a queda e o rebote do elemento combustível. Um mecanismo magnético foi empregado para içar e liberar o elemento combustível de diferentes alturas (Fig. 1). Figura 1 Montagem do elemento combustível para o teste de impacto axial. O resultado da força de impacto registra uma relação não linear com a altura inicial de içamento. Esta não linearidade é fruto do escorregamento das varetas que contribuem para o amortecimento do sistema. A máxima força de impacto foi de aproximadamente 32 lbs

10 quando o elemento combustível foi liberado de uma altura de 1. inch (Fig. 11). A duração média da força de impacto foi de aproximadamente.1 segundo. LVDT Trace, inch Teste de impacto axial Time, sec Impact Force, lbs Figura 11 Resultado do teste de força de impacto axial. 3. CONCLUSÃO Todos os testes mecânicos aplicados ao protótipo do novo elemento combustível projetado para suportar altas queimas se mostraram dentro da normalidade e condizentes com valores já esperados. Os resultados foram compatíveis com simulações numéricas previamente realizadas e serviram para a determinação de constantes impíricas a serem empregadas em posteriores analises de segurança aplicadas ao núcleo completo. 3. REFERENCIAS 1. N. G. Park, 16NGF Fuel Assembly Mechanical Test Prospectus-Final Verification Test, Documento de propriedade da Westinghouse Electric Company (16NGF-3D-17), Columbia, EUA (23). 2. Marcio Silva, Preliminary 16NGF/WIN Fuel Assembly Holddown Spring Calculation- Angra-1, Kori-2, and Krsko Documento de propriedade da Westinghouse Electric Company (CN-16NGF-2-28), Columbia, EUA (22). 3. W. D. Rabenstein, Mechanical Test and Evaluation of the 16x16 Fuel Assembly and Components Documento de propriedade da Westinghouse Electric Company (WCAP- 953), Columbia, EUA (23).