Index
CALIBRAÇÃO DA POTÊNCIA DO REATOR TRIGA IPR-R1 DURANTE OS TESTES DE AUMENTO DE
POTÊNCIA PARA 250 kW
Amir Zacarias Mesquita*, Hugo César Rezende* e Elias Basile Tambourgi**
*Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear - CDTN/CNEN
Caixa Postal, 941
30.161-970 – Belo Horizonte, MG, Brasil
**Faculdade de Engenharia Química - FEQ/UNICAMP
Caixa Postal, 6066
13083-970 – Campinas, SP - Brasil
RESUMO
Este trabalho pretende mostrar os resultados e a metodologia utilizada no levantamento da
potência térmica do reator TRIGA IPR-R1, durante os testes de mudança da configuração de seu
núcleo dos atuais 100 kW para 250 kW. Medindo-se as temperaturas de entrada e saída da água no
circuito primário de refrigeração, bem como a vazão, pode-se calcular a potência dissipada pelo
circuito de refrigeração, que adicionada às perdas, será a potência térmica do reator. Foram feitos
três seqüências de testes. O primeiro levantamento da potência térmica foi realizado com a
configuração usual do núcleo (59 elementos). Após o afastamento das câmaras de detecção de
nêutrons do núcleo, mudança das posições das barras de controle e o aumento do número de
elementos combustíveis (63 elementos), foi realizada uma nova avaliação da potência térmica.
Retornou-se o núcleo à configuração inicial (59 elementos) e realizou-se um novo teste.
Keywords: thermal power, TRIGA, reactor power, temperature.
I. INTRODUÇÃO
II. CÁLCULO DA POTÊNCIA
O levantamento da potência térmica do reator
TRIGA IPR-R1 consistiu na medida da potência dissipada
pelo circuito primário de refrigeração do reator e cálculo
das perdas de calor para o ambiente. A potência dissipada
pelo circuito de refrigeração será mais próxima da potência
gerada no reator, quanto tão mais próximo o núcleo e o
meio estiverem em equilíbrio térmico, assim, mantém-se a
temperatura da água do poço próxima à temperatura do
meio ambiente, ou seja, do ar atmosférico na sala do reator
e do lençol freático [1], [2] e [3]. Sendo assim, ficam
minimizadas as trocas de calor entre poço e solo, poço e ar
ambiente e nas tubulações do circuito de refrigeração. Este
equilíbrio só tem sido obtido após algumas horas de
operação do reator, preferencialmente à noite, quando são
menores as flutuações da temperatura ambiente.
Medindo-se as temperaturas de entrada e saída da
água no circuito de refrigeração, bem como a vazão, podese calcular a potência dissipada pelo circuito de
refrigeração, que adicionada às perdas, será a potência
térmica do reator. Estas perdas correspondem a uma fração
muito pequena da potência total.
A potência do reator TRIGA IPR-R1 é normalmente
indicada na mesa de controle por mostradores que recebem
os sinais dos canais nucleares de monitoração de potência
(detectores de nêutrons). São os canais: logarítmico, linear e
percentual.
Potência Dissipada no Circuito Primário de
Refrigeração. A potência de refrigeração é dada pela
equação:
P refrigeração = qm . Cp . ∆T
(1)
onde;
qm = vazão do refrigerante (água) do circuito primário, em
[kg/s];
Cp = calor específico do refrigerante em [J/kg/oC], obtido
por interpolação de valores nas tabelas que fornecem o
calor específico da água em função da temperatura;
∆T = diferença de temperatura entre a entrada e saída (Tent Tsai ) do circuito primário de refrigeração, em [oC].
O programa de coleta de dados utilizado mede e
registra a cada 5,7 s os seguintes parâmetros:
− temperaturas: poço, lençol freático e atmosfera;
− temperaturas de entrada e saída da água no circuito de
refrigeração;
− vazão de água no circuito de refrigeração.
Com os dados coletados e utilizando-se a Eq. (1),
com os valores de qm e Cp corrigidos em função da
temperatura do refrigerante, o programa calcula a potência
dissipada no circuito de refrigeração.
A Fig. 1 mostra o circuito primário de refrigeração
do reator, com a instrumentação utilizada.
Index
A Troca de Calor entre o Poço e o Lençol Freático. A troca
de calor pelas paredes laterais é dada pela equação
mostrada abaixo [5]:
Q1 =
Tint − Text
Ral + Rci + Raç + Rce
(2)
onde:
Tint = temperatura média da parede interna do poço, em
[ºC];
Text = temperatura média do solo em torno do reator, em
[ºC];
Figura 1. Circuito Primário de Refrigeração e Distribuição
da Instrumentação.
Perdas entre o Poço do Reator e o Meio Ambiente. A
troca de calor entre o poço do reator e o meio ambiente dáse por condução com o solo, pelas paredes laterais e pelo
fundo do poço, e com o ar atmosférico por convecção e
evaporação, pela superfície superior. O Reator TRIGA IPRR1 [4] tem o núcleo situado abaixo do piso, no fundo de um
poço cilíndrico de 6,625 m de profundidade e 1,92 m de
diâmetro, cujo topo se encontra 25 cm abaixo do nível da
sala.
O poço do reator é formado por cinco cilindros
coaxiais: dois cilindros de chapa de aço separados por uma
camada de 20 cm de concreto, e um cilindro interno de liga
especial de alumínio AA-5052-H34 separado do cilindro de
aço por uma camada de 7,1 cm também de concreto.
Ral = resistência térmica à condução de calor pelo
revestimento de alumínio;
Rci = resistência térmica à condução de calor pela parede
interna de concreto;
Raç = resistência térmica à condução de calor pela parede
de aço inoxidável; e
Rce = resistência térmica à condução de calor pela parede
externa de concreto.
As resistências térmicas à transmissão de calor por
condução, em [W/K], são obtidas da seguinte equação, para
paredes cilíndricas [5]:
R=
r 
1
ln e 
2πlK  ri 
(3)
onde,
l é a profundidade do poço (6,417 m);
K é a condutividade térmica do material, em [W/(m·K)];
re e ri são os raios internos e externos de cada camada de
parede, em [m].
Assim, são encontradas as resistências térmicas para
valores de K encontrados em KREITH [5].
A troca de calor através do fundo do poço é dada
por:
Q2 =
Tint − Text
Ral 2 + Rci 2 + Rac 2 + Rce 2
(4)
Os valores das resistências térmicas à transferência
de calor por condução na superfície plana, são obtidas da
seguinte equação [5]:
R=
Figura 2. Revestimentos do Poço do Reator
TRIGA IPR-R1.
L
AK
(5)
Onde L é a espessura de cada camada de parede, em [m], e
A é a área de sua seção média, em [m2].
Index
Troca de Calor entre o Poço e o Ar Atmosférico. A troca de
calor devido à evaporação na superfície do poço do reator
foi calculada pela expressão [6]:
qev = m ⋅ λ
(6)
-1
β = coeficiente de expansão volumétrica do ar; em [K ];
Tsup = temperatura da água do poço na superfície, em [K];
T∞ = temperatura do ar na sala do reator, em [K];
2
ν é a viscosidade cinemática do ar, em [m /s].
onde:
λ é o calor latente de vaporização da água à temperatura de
bulbo úmido do ar atmosférico, em [J/kg];
m é a taxa de transferência de massa do poço para o ar, em
[kg/s], dado por:
A umidade relativa do ar na sala do reator foi
medida, durante os testes.
m = hD ⋅ A ⋅ ρ ar (C sat − C∞ )
qc = hc ⋅ A ⋅ (Tsup − T∞ )
sendo:
(7)
2
3
ρar = densidade do ar, em [kg/m ];
Csat = concentração de saturação de vapor no ar à
temperatura ambiente, em [kg/kg de ar seco];
C∞ = concentração de vapor no ar na sala do reator, em
[kg/kg de ar seco];
3
2
hD = coeficiente de transferência de massa, em [m /(m ·s)],
dado por:
 Pr 
 
 Sc 
2
3
(8)
Pr = número de Prandtl, igual a 0,708 para o ar a 25 ºC;
Sc = número de Schmidt, igual a 0,60 para vapor d’água
difundindo no ar a 25 ºC;
Cpar = calor específico do ar, em [J/(kg·K)];
hc = coeficiente de transferência de calor por convecção,
2
em [W/(m K)], dado por:
hc =
k
Nu
L
(9)
k = condutividade térmica do ar, em [W/(m·K)];
L = comprimento característico da superfície de troca de
calor, equivalente, no caso, a 0,9 vezes o diâmetro do poço,
ou seja, 1,728 m;
Nu = número de Nusselt, dado por:
Nu = 0 ,14(Gr ⋅ Pr )
(10)
1/ 3
Gr =o número de Grashof, dado por:
Gr =
g ⋅ β ⋅ (Tsup − T∞ )⋅ L3
υ
(12)
III. INSTRUMENTAÇÃO
A = superfície do poço, em [m ];
hc
hD =
ρ ar ⋅ Cpar
A troca de calor por convecção térmica na superfície
do reator foi calculada por [6]:
(11)
2
2
g = aceleração da gravidade, em [m/s ];
Foram utilizados 15 termopares (tipo K e tipo T)
com isolação mineral e blindagem em aço inox, para as
medidas de temperatura. Sete termopares foram
posicionados em uma sonda vertical e espaçados de modo a
cobrir toda a profundidade do poço, 3 termopares foram
colocados acima do poço para medida da temperatura do ar
atmosférico, 3 termopares foram distribuídos nos três furos
do piso da sala do reator para medir a temperatura do lençol
freático ao redor do poço a uma profundidade de cerca de 3
m. Dois termopares foram posicionados na tubulação de
refrigeração do poço sendo um na entrada e outro na saída
deste circuito. As linhas de medida de temperatura foram
calibradas de forma integral, incluindo termopar, cabo de
extensão, placa de aquisição e computador, e as equações
encontradas para cada termopar foram adicionadas ao
programa de coleta de dados.
A vazão do circuito primário de refrigeração foi
medida por meio de um conjunto placa de orifício e
transmissor de pressão diferencial. O transmissor de pressão
foi calibrado e a equação ajustada foi adicionada ao
programa de coleta de dados.
Os sinais dos 15 termopares e do transmissor de
pressão foram enviados a uma placa condicionadora, marca
Advantech, modelo PCLD-789, que também faz a
compensação da temperatura ambiente, e direciona os sinais
a uma placa conversora analógico/digital, igualmente da
marca Advantech, modelo PCL-818hd, instalada em um
computador, que registra, calcula e grava os dados. Cada
registro correspondeu à média de 50 leituras, tendo sido
registrados, ainda, os desvios padrão destas 50 leituras, em
relação à média. O programa de coleta de dados registra e
armazena os dados a cada 5,7 s, além de mostrar no monitor
de vídeo do computador a evolução das temperaturas e da
pressão, assim como o valor da potência que está sendo
dissipada no sistema de refrigeração, naquele momento.
IV. RESULTADOS
Potência do Reator com a Configuração do Núcleo para
100 kW. O primeiro levantamento da potência térmica foi
Index
32,5
Temperatura Média do Poço
Temperatura [oC]
32
31,5
31
115
110
105
100
95
5600
6100
6600
7100
7600
Tempo [s]
8100
8600
Figura 5. Evolução da Potência no Intervalo de
Estabilização (para 100 kW).
TABELA 1. Potência na Configuração para 100 kW
Potência dissipada no primário
Perda térmica
Potência total do reator
Desvio Padrão das Leituras
Incerteza
103 kW
2 kW
105 kW
3 kW
± 18 kW
Temperatura Entrada da Refrigeração
30,5
30
29,5
29
Temperatura Saída da Refrigeração
28,5
28
27,5
0
2000
4000
6000
Tempo [s]
8000
10000
12000
Figura 3. Evolução da Temperatura no Poço do Reator na
Configuração para 100 kW.
32,5
Temperatura Média do Poço
32
31,5
Temperatura [oC]
Potência do TRIGA
120
Potência [kW]
realizado no dia 30.11.2000 com a configuração usual do
núcleo (59 elementos combustíveis), tendo sido trocado o
anel de posicionamento das câmaras de medida de nêutrons,
já preparando o núcleo para o aumento da potência. As
câmaras foram posicionadas o mais próximo possível de
suas posições anteriores, no anel de posicionamento antigo.
O indicador de potência do canal linear da mesa de controle
foi trocado, também, para atingir o valor de 250 kW.
O Reator ficou crítico durante um período de cerca
de 9 horas, com o mostrador linear da mesa indicando
100 kW. A Fig. 3 mostra a evolução da temperatura média
do poço e das temperaturas de entrada e saída da água no
circuito de refrigeração, durante as 4 horas finais do teste. A
Fig. 4 mostra estas mesmas evoluções no período de 50 min
quando a temperatura do poço ficou mais estável.
Finalmente, a Fig. 5 mostra a evolução da potência total
(potência dissipada na refrigeração mais perdas térmicas)
neste período de maior estabilidade.
Conforme calculadas pelo programa, as potências
dissipadas no reator, no período de maior estabilidade, são
mostradas na Tabela 1.
31
Temperatura Entrada da Refrigeração
30,5
30
29,5
29
Temperatura Saída da Refrigeração
28,5
Potência do Reator com a Configuração do Núcleo para
250 kW. No dia 13.12.2000, após o afastamento das
câmaras de detecção de nêutrons do núcleo, mudança das
posições das barras de controle e aumento do número de
elementos combustíveis (63 elementos), foi realizada uma
nova avaliação da potência térmica do reator.
O reator ficou crítico durante aproximadamente 8 h,
com o canal linear da mesa indicando 250 kW. A Fig. 6
mostra a evolução da temperatura média do poço e das
temperaturas de entrada e saída da água no trocador de
calor, durante as 7 h finais do teste. A Fig. 7 mostra estes
mesmos dados durante um intervalo de 3,5 h, quando as
temperaturas ficaram mais estáveis, sendo estes valores
utilizados para o cálculo da potência térmica do reator. A
Fig. 8 mostra a evolução da potência total do núcleo no
intervalo considerado.
Conforme calculado, as potências dissipadas no
reator são mostradas na Tabela 2.
28
27,5
5600
6100
6600
7100
7600
Tempo [s]
8100
8600
Figura 4. Intervalo de Estabilidade de Temperatura
Considerado no Teste para 100 kW.
TABELA 2. Potência na Configuração para 250 kW
Potência dissipada no primário
Perda térmica
Potência total do reator
Desvio Padrão das Leituras
Incerteza
230 kW
4 kW
234 kW
3 kW
± 16 kW
Index
das temperaturas de entrada e saída do refrigerante no
trocador de calor, durante as 10 horas finais do teste. A
Fig. 10 mostra estas temperaturas no período de 1,6 h de
maior estabilidade, obtida entre 4,4 h e 6,1 h, a partir do
início do teste. Finalmente, a Fig. 11 mostra a evolução da
potência total neste período de estabilização.
Conforme calculado, as potências dissipadas no
reator são mostradas na Tabela 3.
42
Temperatura Média do Poço
Temperatura [oC]
40
Temperatura Entrada Refrigeração
38
36
Temperatura Saida da Refrigeração
34
32
30
0
5000
10000
15000
Tempo [s]
20000
25000
Figura 6. Evolução da Temperatura do Poço do Reator na
Configuração para 250 kW.
42
Temperatura Média do Poço
TABELA 3. Potência na Configuração Inicial de 100 kW
Potência dissipada no primário
Perda térmica
Potência total do reator
Desvio Padrão das Leituras
Incerteza
113 kW
2 kW
115 kW
2 kW
± 11 kW
40
Temperatura Entrada Refrigeração
34
39
33
38
Temperatura [oC]
Temperatura [oC]
41
37
36
Temperatura Saida da Refrigeração
35
34
12000
14000
16000
18000
20000
22000
24000
Temperatura Entrada Refrigeração
32
Temperatura Média do Poço
31
30
29
Temperatura Saida Refrigeração
28
27
Tempo [s]
26
0
Figura 7. Evolução das Temperaturas no Intervalo de
Estabilidade (para 250 kW).
5000
10000
15000
20000
Tempo [s]
25000
30000
35000
Figura 9. Evolução das Temperaturas do Reator no Teste
de Retorno para 100 kW.
Potência TRIGA
245
33,5
240
Temperatura Entrada Refrigeração
32,5
235
Temperatura [oC]
Potência [kW]
33
230
225
32
Temperatura Média do Poço
31,5
31
30,5
30
Temperatura Saida Refrigeração
29,5
220
12000
16000
Tempo [s]
20000
24000
Figura 8. Evolução da Potência do Reator no Intervalo de
Estabilização (para 250 kW).
Potência do Reator com o Retorno do Núcleo para a
Configuração de 100 kW. No dia 04.01.2001, após o
retorno do núcleo para a configuração inicial (59 elementos
combustíveis), realizou-se uma nova avaliação da potência
térmica do reator.
O reator ficou crítico durante um período de cerca de
12 h, com o indicador do canal linear da mesa em 100 kW.
A Fig 9 mostra a evolução da temperatura média do poço e
29
17500
18000
18500
19000
19500 20000
Tempo [s]
20500
21000
21500
Figura 10. Temperaturas no Intervalo de Estabilidade de
Temperatura (p/ 100 kW).
Index
[3] REZENDE, H. C., Segunda série de testes para o
levantamento da potência térmica do Reator TRIGA.
Belo Horizonte, CNEN/CDTN, 1996. 39p (Nota Interna
NI-CT4-002).
Potência do TRIGA
124
122
Potência [kW]
120
118
116
[4]
CENTRO
DE
DESENVOLVIMENTO
DA
TECNOLOGIA NUCLEAR/CNEN. Relatório de análise
de segurança do Reator TRIGA IPR-R1.Belo Horizonte,
1999, RASIN/TRIGA IPR-R1
114
112
110
108
106
17000
18000
19000
20000
21000
22000
Tempo [s]
Figura 11. Evolução da Potência do Reator no Intervalo de
Estabilização (p/ 100 kW).
V. ESTIMATIVA DA INCERTEZA
A potência, conforme foi calculada pela Eq. (1), está
sujeita aos erros provenientes das medidas de vazão e
temperatura, da estimativa do calor específico da água,
obtido em função de sua temperatura, além do erro devido à
oscilação na própria medida da potência. Sendo assim, a
incerteza no valor potência é resultado da combinação da
) [7], da incerteza no valor do
incerteza devido à vazão ( m
calor específico (Cp) e da incerteza devido à diferença da
temperatura de entrada e saída do refrigerante no trocador
de calor (∆T), conforme equação abaixo [8]:
S= (
∂P
∂P
∂P
× S m )2 + (
× S C p )2 + (
× S ∆T )2
∂m
∂C p
∂∆T
(13)
Os valores de incertezas apresentados anteriormente
nos resultados dos três testes, foram calculadas pelo
programa de tratamento dos dados coletados, levando-se em
consideração todos os parâmetros que influenciam esta
medida, conforme a Eq.(13).
Nas próximas calibrações de potência, pretende-se
utilizar termoresistências (PT-100) no lugar dos termopares,
utilizados para medir a temperatura de entrada e saída do
circuito primário de refrigeração, para que seja reduzido o
erro nesta medida.
REFERÊNCIAS
[1] FERREIRA, O. C., Calibração da potência do Reator
IPR-R1. Belo Horizonte, IPR - Divisão de Física Nuclear.
1962. 10p.
[2] LADEIRA, L. C. D., Calibração da potência do
Reator TRIGA a 30 kW. Belo Horizonte,
NUCLEBRÁS/IPR, 1976. 7p. (Nota Técnica PAR/GTA
007/76).
[5] KREITH, F., Princípios de transmissão de calor.
Editora Edgard Blucher Ltda., 1977. São Paulo. 550 p
[6] HOLMAN, J. P., Heat transfer. New York, McGrawHill Book Company, 1963. 401p.
[7]
INTERNATIONAL
ORGANIZATION
FOR
STANDARDIZATION. Measurement of fluid flow by
means of orifice plates, nozzles and venturi tubes
inserted in circular cross-section conduits running full.
Switzerland,
International
Organization
for
Standardization, jul. 1980. (ISO 5167-1980 (E)).
[8] FIGLIOLA, R. S.; BEASLEY, D. E., Theory and
design for mechanical measurements. John Wiley &
Sons, New York, 1991.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a equipe de operadores do
Reator TRIGA IPR-R1, pela presteza e dedicação na
operação do Reator.
ABSTRACT
This paper presents the results and the methodology
used to calibrate the thermal power of the Reactor TRIGA
IPR-R1 in CDTN, Belo Horizonte, Brazil. This calibration
took place during the operation tests carried out to allow the
reactor power increases from the current 100 kW to
250 kW. The methodology consisted in the measurement of
the water flow, as well as the inlet and outlet temperatures
in the primary cooling loop. The primary cooling loop
thermal balance together with the thermal losses gave the
thermal power. Three sequences of tests were carried out.
The first rising of the thermal power was made with the
usual configuration of the core (59 fuel elements). After
changing the place of the ion chambers, and the positions of
the control bars, the number of fuel elements was increased
to 63, and a new evaluation of the thermal power was
accomplished. Afterwards the core returned to its initial
configuration (59 fuel elements), the power level of the
reactor returned to 100 kW, and a new test took place.