2005 International Nuclear Atlantic Conference - INAC 2005
Santos, SP, Brazil, August 28 to September 2, 2005
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA NUCLEAR - ABEN
ISBN: 85-99141-01-5
AVALIAÇÃO TEÓRICO-EXPERIMENTAL DE CHOQUE TÉRMICO
PRESSURIZADO (PTS) EM VASO DE PRESSÃO
Élcio Tadeu Palmieri 1, Moysés Alberto Navarro 2,
Ivan Dionysio Aronne 3 e Paulo de Tarso Vida Gomes 4
1
Centro de Desenvolvimento da Tecnologia- Nuclear (CDTN / CNEN)
Caixa Postal 941
30123-970 - Belo Horizonte, MG / Brasil
1
[email protected], 2 [email protected], 3 [email protected] e 4 [email protected]
RESUMO
Este trabalho apresenta uma análise comparativa entre os resultados experimentais e a simulação termohidráulica, efetuada com o código RELAP5/MOD 3.3, de investigação em montagem desenvolvida no Centro
de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear (CDTN/CNEN), para estudo de choque térmico pressurizado
(Pressurized Thermal Shock - PTS). Esta montagem possui um modelo reduzido de vaso de pressão de reator
PWR, o qual foi submetido a choques térmicos sucessivos com a finalidade de avaliar o desenvolvimento de
trincas produzidas por técnicas especiais de soldagem. Um destes experimentos foi simulado com o código
mostrando boa concordância com os resultados experimentais.
1. INTRODUÇÃO
O Choque Térmico Pressurizado (Pressurized Thermal Shock - PTS) é um fenômeno que
pode ocorrer nas paredes de um vaso de pressão, ou tubulações de um circuito termohidráulico, em virtude das tensões térmicas resultantes de transientes rápidos de temperatura
e pressão. O PTS é um dos acidentes postulados utilizados na avaliação de segurança de
centrais nucleares [1].
O objetivo deste trabalho é apresentar a análise comparativa entre os resultados experimentais
e a simulação termo-hidráulica realizada com o código RELAP5/MOD 3.3, da montagem
experimental desenvolvida no Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear
(CDTN/CNEN), para estudo de choque térmico pressurizado (Pressurized Thermal Shock PTS). Conforme descrito em [1], esta montagem possui um modelo reduzido de vaso de
pressão, o qual foi submetido a choques térmicos sucessivos com a finalidade de acompanhar
o desenvolvimento de trincas produzidas por técnicas especiais de soldagem. Um destes
testes foi simulado pelo código.
2. MONTAGEM EXPERIMENTAL
A montagem, representada na Fig. 1, possui uma estrutura em aço, que sustenta dois
reservatórios de água de 5000 litros cada. Tubulações independentes de PVC, de 10
polegadas de diâmetro, descem de cada reservatório e, após redução do diâmetro para 70 mm,
terminam no envoltório do vaso. A seção de testes é constituída de um vaso de pressão com
diâmetro externo de 495 mm, altura de 1026 mm e espessura de parede de 85 mm, e está
colocada em um envoltório também cilíndrico, formando entre eles uma região anular, na
qual foi feita a injeção de água para o resfriamento. São mostradas também nessa figura as
posições das estações de medição de temperaturas I, II e III.
No experimento, o vaso de pressão teve sua temperatura mantida, através de resistências
elétricas, em 309 oC e sua pressão interna foi mantida em 132,7 bar, através da atuação da
válvula de alívio. A injeção de água fria, oriunda dos reservatórios, na região anular da seção
de testes tem início, no instante desejado, com a abertura das válvulas V1 e V2. Na Tabela 1
são apresentadas as condições iniciais do experimento.
Tabela 1. Condições iniciais
Pressão no interior do vaso
Temperatura da água de refrigeração
Temperatura no envoltório (Estação II)
Temperatura interna do vaso (Estação II)
Temperatura superfície externa (Estação II)
Temperatura superfície externa superior (Estação II)
Temperatura superfície externa inferior (Estação II)
Volume total de água
132,7E+05
281,2
420,2
582,2
575,2
565,2
543,2
10000
Figura 1. Dispositivo experimental
INAC 2005, Santos, SP, Brazil.
Pa
K
K
K
K
K
K
l
132,7
8,0
147,0
309,0
302,0
292,0
270,0
bar
o
C
o
C
o
C
o
C
o
C
o
C
3. SIMULAÇÃO NUMÉRICA DA MONTAGEM
Para verificar o comportamento das temperaturas de parede do vaso de pressão, após súbita
inundação do seu espaço anular, de 21 mm, e assim gerar condições de contorno para futuras
análises estruturais, foram efetuados cálculos utilizando o código RELAP5/MOD 3.3 [2].
Cálculos anteriores [3] haviam sido realizados, durante a fase de projeto da instalação, com o
intuito, entre outros, de permitir a definição da espessura desse espaço anular.
A Fig. 2 apresenta esquematicamente a nodalização da montagem experimental de choque
térmico pressurizado, utilizada na simulação com o código RELAP5/MOD 3.3. Vale ressaltar
que apenas um dos circuitos de injeção de água está representado nesta figura, embora o
outro circuito projetado também tenha sido considerado nos cálculos.
V 200
J 205
1
2
V 210
3
4
5
V 410
6
V 150
7
J 105
8
6 5
1
10
9
10
8
7
9
8
1
6
V 100
4
2
V 120
9
2
10
7
5
4
6
5
3
2
4
3
1
2
V 110
11
12
7
13
3 1
1
V 220
14
V 215
19
18
17
16
15
Figura 2. Nodalização da montagem
O esquema de nodalização é composto pelo vaso de pressão (volume 100) e sua região anular
(volume 110) e pelo sistema de injeção de água, constituído de dois tanques, representados
pelos volumes 210 (1-5) e 310 (1-5), e de suas respectivas tubulações, representadas pelos
volumes 210 (6-19) e 310 (6-19). Para evitar a formação de vácuo nesse espaço, durante o
esvaziamento das linhas de injeção, foi considerada uma atmosfera de ar, representada pelos
volumes 200 e 300, sobre cada um dos tanques de água. Outras atmosferas, sobre a seção de
testes, servem para controle da pressão no interior do vaso, volume 150, e de sumidouro para
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a água que sai da seção de teste, volume 410. Na Tabela 1 são listados os volumes e junções
que compõem a representação.
Estruturas de calor foram especificadas para simular as trocas de energia consideradas: uma
representando os aquecedores (estrutura 100-1), outra representando a parede do vaso
(estrutura 100-2), outras duas o tampo inferior do vaso (estruturas 100-3 e 100-4), outras duas
o tampo superior do vaso (estruturas 100-5 e 100-6), e uma outra para representar a troca de
calor entre a parede do envoltório da região anular e o meio ambiente (estrutura 110-1). A
pressão no vaso foi mantida em 132,7 bar, por intermédio de um controle artificial de pressão
(V 150). A injeção de água na seção de teste tem início, no instante desejado, com a abertura
das válvulas 215 e 315. As condições da simulação foram as apresentadas na Tabela 1.
Foram realizadas simulações com 3 níveis de refinamento na estrutura de calor 100-2, que
simula a troca de energia através da parede do vaso, ou seja, com divisões de 5, 12 e 24
regiões radiais.
Tabela 1. Componentes da Simulação
REGIÃO
Vaso
Conexão 1
Atmosfera 1
Região Anular
Região transbordo
Atmosfera 2
Conexão 2
Sistema de injeção 1
Bocal de injeção 1
Atmosfera 3
Conexão 3
Sistema de injeção 2
Bocal de injeção 2
Atmosfera 4
VOL / JUN
V 100 (1-10)
J 105
V 150
V 110 (1-10)
V 120
V 200
J 205
V 210 (1-19)
J 215
V 300
J 305
V 310 (1-19)
J 315
V 410
TIPO
pipe
valve
tmdpvol
annulus
branch
tmdpvol
sngljun
pipe
valve
tmdpvol
sngljun
pipe
valve
tmdpvol
4. RESULTADOS OBTIDOS
Os resultados aqui apresentados nas Fig. 3 e 4 são os realizados com a parede do vaso
dividida em 24 setores radiais, que apresentaram melhor aproximação com os resultados
experimentais. Na Fig. 3 são apresentados os resultados obtidos na estação II, tanto do
experimento quanto da simulação teórica. Apesar da boa concordância entre os dados
experimentais e teóricos, verifica-se que a diferença entre as temperaturas calculadas e
medidas, aumenta com o afastamento da superfície externa do vaso. A mudança brusca na
evolução dos resultados experimentais na região próxima à superfície interna do vaso se deve
à despressurização do sistema 340 s após o início da injeção, o que não foi fornecido como
condição de contorno na simulação com o RELAP. Constatou-se que aproximadamente 250 s
após o início do experimento, a parede do vaso, na altura da estação II, voltou a secar
(alteração no regime de transferência de calor), fenômeno este que não foi previsto pelo
código.
INAC 2005, Santos, SP, Brazil.
Sup ext - exp.
Sup. ext. - calc.
Prof. 5mm - exp.
Prof. 5 mm - calc.
Prof. 30mm - exp.
Prof. 30 mm - calc.
Prof. 75mm - exp.
Prof. 75 mm - calc.
Sup. Int. - exp.
Sup. int - calc.
350.0
250.0
o
Temperatura ( C)
300.0
200.0
150.0
100.0
50.0
0.0
0.0
100.0
200.0
300.0
400.0
500.0
600.0
Tempo (s)
Figura 3. Temperaturas na região central da parede do vaso
A Figura 4 apresenta o comportamento das temperaturas na parede externa do vaso, nas
estações I, II e III, bem como, a temperatura do envoltório, mostrando a evolução do
molhamento da superfície.
Sup. ext. inf. - exp.
Sup ext. inf. - calc.
Sup. ext. cen. - exp.
Sup. ext. cen. - calc.
Sup. ext. sup. - exp.
Sup. ext. sup. - calc.
Envolt. - exp.
Envolt. - calc.
350.0
250.0
o
Temperatura ( C)
300.0
200.0
150.0
100.0
50.0
0.0
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
Tempo (s)
Figura 4. Temperaturas nas regiões externas da parede do vaso e do envoltório
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5. ANÁLISE E COMENTÁRIOS
Os resultados obtidos, antes destes, apresentavam comportamento diferente do esperado, em
especial no que se refere à evolução da vazão mássica de água entrando na seção de testes.
Essa discrepância observada foi corrigida com a adoção dos modelos de mixture level
tracking e de CCFL, através da especificação, nos componentes verticais, de L = 1 nos flags
de volumes e de F = 1 nos flags de junções.
O estudo de sensibilidade, realizado com o aumento do refinamento radial na simulação da
estrutura de calor 100-2, mostrou que na região central do vaso os tempos de molhamento
foram de 4,5 s (simulação com 5 regiões), 3,0 s (simulação com 12 regiões) e 2,5 s
(simulação com 24 regiões). Observa-se na Fig. 4 que o valor experimental é próximo a 2,5 s.
Pode-se observar tanto nos resultados teóricos, previstos pelo RELAP, quanto nos obtidos
experimentalmente, que a superfície do vaso está praticamente molhada
(T < (Tsat + ∆Tsat) ≅ 107 oC) até 20 s. Quase não há diferença entre as velocidades das
frentes de molhamento (experimental e teórica). A diferença de comportamento entre os
valores calculado e experimental, para a temperatura da parede da superfície externa inferior
do vaso deve-se, provavelmente, à má fixação da junta quente deste termopar na superfície do
vaso.
Dos resultados obtidos pode-se, ainda, constatar que a superfície permanece molhada durante
aproximadamente 250 s.
REFERÊNCIAS
1. Terra, J. L., de Vasconcelos, V., Avaliação de Segurança da Montagem Experimental
– Choque Térmico Pressurizado, Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear CDTN/CNEN, NI - IT1 - 003/2001.
2. Relap5 Development Team, RELAP5/MOD3.3 Code Manual (Vol. 1-8), Information
Systems Laboratories, Inc., Idaho Falls, Idaho, NUREG/CR-5535/Rev 1, December 2001.
3. Palmieri, E. T., Navarro, M. A., Aronne, I. D., Terra, José L., Avaliação TermoHidráulica da Montagem Experimental de Choque Térmico Pressurizado do
CDTN/CNEN, INAC 2002 - Rio de Janeiro. 2002.
INAC 2005, Santos, SP, Brazil.