ANALISIS ESTRUCTURAL DE LA PILETA DEL REACTOR PARA EL …
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ANALISIS ESTRUCTURAL DE LA PILETA DEL REACTOR PARA EL RRRP José G. Alberro * , Alberto D. Abbate † * INVAP S.E. – Div. Modelística Perito P. Moreno 1084 8400, Bariloche, R. N., Argentina e-mail: [email protected], web page: http://www.invap.com.ar † INVAP S.E. – Div. Modelística Perito P. Moreno 1084 8400, Bariloche, R. N., Argentina e-mail: [email protected], web page: http://www.invap.com.ar Key words: Diseño, Análisis, Elementos Finitos, Pileta del Reactor, INVAP Abstract. El propósito de este trabajo es describir el análisis estructural de la Pileta del Reactor perteneciente al RRRP (Replacement Research Reactor Project) construido por INVAP para ANSTO (Australian Nuclear Science and Technology Organisation), que implicó esfuerzos coordinados de diseño, ingeniería, análisis, fabricación y montaje. La Pileta del Reactor es un tanque cilíndrico con agua en su interior el cual se considera un componente vital para el funcionamiento del reactor por contener el tanque reflector con el núcleo, guías de haces de neutrones, chimenea superior, tuberías y estructuras para los diferentes servicios. Dicha pileta se encuentra embebida en el hormigón pesado fijada al mismo mediante anillos rigidizantes y empotrada en su base. Para su estudio se utilizaron programas de elementos finitos comerciales con el fin de calificar el diseño y la construcción de dicha estructura. Mediante modelos se representó la complejidad de su geometría. El análisis fue dividido en dos partes, global y local. En el análisis global se estudia la integridad estructural de la pared de pileta considerando los diferentes estados de carga a los que esta sometida: presión hidrostática, expansión térmica y sismo. En el análisis local se observa el comportamiento estructural de la pileta en puntos específicos debido a la interacción entre componentes donde el criterio fue derivar las cargas directamente al hormigón sin arriesgar la integridad estructural de la pared de pileta. El análisis de presión de agua fue validado con una prueba hidrostática. Mec´ anica Computacional Vol. XXIII, pp. 1071-1091 G.Buscaglia, E.Dari, O.Zamonsky (Eds.) Bariloche, Argentina, November 2004 1071
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ANALISIS ESTRUCTURAL DE LA PILETA DEL REACTOR PARA ELRRRP
José G. Alberro *, Alberto D. Abbate †
*INVAP S.E. – Div. ModelísticaPerito P. Moreno 1084
8400, Bariloche, R. N., Argentinae-mail: [email protected], web page: http://www.invap.com.ar
†INVAP S.E. – Div. ModelísticaPerito P. Moreno 1084
8400, Bariloche, R. N., Argentinae-mail: [email protected], web page: http://www.invap.com.ar
Key words: Diseño, Análisis, Elementos Finitos, Pileta del Reactor, INVAP
Abstract. El propósito de este trabajo es describir el análisis estructural de la Pileta delReactor perteneciente al RRRP (Replacement Research Reactor Project) construido porINVAP para ANSTO (Australian Nuclear Science and Technology Organisation), que implicóesfuerzos coordinados de diseño, ingeniería, análisis, fabricación y montaje. La Pileta delReactor es un tanque cilíndrico con agua en su interior el cual se considera un componentevital para el funcionamiento del reactor por contener el tanque reflector con el núcleo, guíasde haces de neutrones, chimenea superior, tuberías y estructuras para los diferentesservicios. Dicha pileta se encuentra embebida en el hormigón pesado fijada al mismomediante anillos rigidizantes y empotrada en su base. Para su estudio se utilizaronprogramas de elementos finitos comerciales con el fin de calificar el diseño y la construcciónde dicha estructura. Mediante modelos se representó la complejidad de su geometría. Elanálisis fue dividido en dos partes, global y local. En el análisis global se estudia laintegridad estructural de la pared de pileta considerando los diferentes estados de carga alos que esta sometida: presión hidrostática, expansión térmica y sismo. En el análisis local seobserva el comportamiento estructural de la pileta en puntos específicos debido a lainteracción entre componentes donde el criterio fue derivar las cargas directamente alhormigón sin arriesgar la integridad estructural de la pared de pileta. El análisis de presiónde agua fue validado con una prueba hidrostática.
Mecanica Computacional Vol. XXIII, pp. 1071-1091G.Buscaglia, E.Dari, O.Zamonsky (Eds.)
Bariloche, Argentina, November 2004
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1 INTRODUCCIÓN
El propósito de este trabajo es describir el análisis estructural de la Pileta del Reactorperteneciente al RRRP (Replacement Research Reactor Project) construido por INVAP paraANSTO (Australian Nuclear Science and Technology Organisation) en Sydney Australia, queimplicó esfuerzos coordinados de diseño, análisis, fabricación y montaje.
2 DESCRIPCIÓN
El Reactor de Investigación de Reemplazo es una facilidad nuclear de propósitosmúltiples: producirá radiosiótopos, brindará servicios de irradiación, y en ella se llevarán acabo investigaciones con haces de neutrones.
El RRR es un reactor de 20 MW de potencia térmica, del tipo de pileta abierta, estáenfriado con agua y usa agua pesada como reflector.
En el edificio del reactor se encuentran todos los sistemas nucleares además de las dospiletas, la del reactor en si y la de servicio.
La Pileta del Reactor es una de las principales estructuras que conforman la contención delnúcleo y por ende debe cumplir con las siguientes funciones de seguridad: a) asegurar que elSistema Primario de Enfriamiento disponga de suficiente cantidad de agua (refrigerante) pararemover el calor del núcleo por circulación forzada durante operación normal o porconvección natural cuando el reactor se encuentra apagado y b) brindar protección porexposición a la irradiación a los operarios.
Figura 1: Piletas de Reactor y de Servicio
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La pileta del reactor es un tanque cilíndrico de acero inoxidable de 14 m de altura por 5 mde diámetro.
El tanque se encuentra embebido en un bloque de hormigón pesado, denominado como“Reactor Block”, anclada al mismo mediante anillos rigidizantes y perfiles inferiores.
Las Figuras 2 y 3 muestran imágenes de los planos y las Figuras 4 y 5 de la pileta yafabricada durante la operación previa al montaje en el Reactor Building.
Figura 2: Pileta del Reactor – Vistas
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Figura 3: Pileta del Reactor - Planta
Figura 4: Pileta del Reactor fabricada junto al edificio del reactor
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Figura 5: Pileta del Reactor fabricada
Se destacan de su diseño:• Base constituida por una chapa de 12 mm de espesor y 6 perfiles radiales para aportar
rigidez y resistencia al fondo de la pileta.• Cubierta cilíndrica (shell), que forma la contención estanca, de acero inoxidable de
6mm de espesor en forma global• 5 anillos rigidizantes horizontales (perfiles C) ubicados a diferentes alturas.• Refuerzos por detrás de chapa de pileta (lado Hormigón) para los soportes internos
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encargados de fijar las estructuras. Estos refuerzos están apropiadamente embebidos enel hormigón.
• Penetraciones reforzadas con anillos soldados (ponchos).• Cámaras de alojamiento de las tuberías del sistema de transporte neumático.• Las principales penetraciones de procesos se ubican por encima del nivel rompe sifón
(prevención de LOCA).• Canal de ventilación, instrumentación y de desborde en la zona superior.• Canal de transferencia para conexión con la pileta de Servicio.
La Pileta contiene componentes vitales para el funcionamiento del reactor como son:• Núcleo y sus estructuras asociadas• Tanque reflector con sus posiciones de irradiación• Riser (conduce el agua del primer sistema de enfriamiento y aloja las guias de las
placas de control).• Tubos guía de haces de neutrones• Fuente fría de neutrones• Tubería• Estructuras para los diferentes servicios
En la figura 6 se muestran los distintos componentes dentro de la Pileta; en el centro está eltanque reflector con el núcleo y la chimenea, en la parte de abajo se encuentran las tuberíasdel sistema de refrigeración primario y las tuberías para los neumáticos. A los costados se venlos racks de almacenaje y por debajo de ellos se pueden observar los tubos guías de haces deneutrones.
Figura 6: Vista superior: Componentes dentro de la Pileta del Reactor
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3 ANÁLISIS
3.1 Introducción
El análisis de la Pileta del Reactor consiste en la demostración de la integridad estructuralde la misma para los siguientes estados de carga:
• Evento sísmico• Presión hidrostática montado• Prueba hidrostática• Expansión térmica (operación normal y distintas condiciones especiales)• Solicitaciones locales en apoyos por sismo, impacto, izaje.
Para realizar el análisis del comportamiento estructural de la Pileta se utilizaron programasde elementos finitos comerciales (códigos Ansys y Nastran) y cálculos analíticos paraestablecer órdenes de magnitud y comparar resultados.
Mediante modelos se representó la complejidad de su geometría, tales como: penetracionespara tuberías, cámaras para ingreso de tuberías neumáticos, abertura que permite lacomunicación con el canal de transferencia.
El análisis estructural fue dividido en dos partes, global y local.
En el análisis global se estudia la integridad estructural de la pared de pileta (6 mm deespesor) considerando los diferentes estados de carga a los que esta sometida: presiónhidrostática, expansión térmica (operación normal y distintas condiciones especiales) y sismo.
En el análisis local se examina el comportamiento estructural de la pileta en puntosespecíficos debido a la interacción entre componentes (tuberías, soportes internos deestructuras, anillos rigidizantes, canal de ventilación, instrumentación y desborde).
Con respecto a las cargas concentradas (acometidas de tuberías, soportes de estructuras degran magnitud) el concepto fue derivar las mismas directamente al hormigón sin arriesgar laintegridad estructural de la pared pileta.
Las tensiones obtenidas fueron comparadas con los valores admisibles requeridos por elcódigo ASME Boiler and Pressure Vessel Code teniendo en cuenta los diferentes niveles deservicio (A, B, C y D). Los niveles de servicio se basan en las condiciones en que queda uncomponente luego de haber sido solicitado por un cierto estado de carga (sin daño,reparación, remoción, etc.). Para el caso de la pileta se establecieron los siguientes:
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Solicitación Nivel de servicioPresión hidrostática montado A
Prueba hidrostática AExpansión térmica (operación normal) A
Evento sísmico BExpansión térmica (transitorios) BExpansión térmica (accidente) D
Tabla 1: Niveles de servicio
El análisis de presión de agua fue validado con una prueba hidrostática.
3.2 Modelo de EEFF
Mediante modelos se representó la complejidad de su geometría, tales como: penetracionespara tuberías, cámaras para ingreso de tuberías neumáticos, abertura que permitecomunicación con canal de transferencia.
El modelo fue construido con los programas Ansys y Nastran y se presenta en Figura 7,Figura 8, Figura 9 y Figura 10. Se utilizaron elementos de cáscara rectangulares ytriangulares.
Se consideraron los siguientes componentes:• Chapa cilíndrica• Chapa piso• Canal de ventilación, instrumentación y desborde• Cámaras para las tuberías neumáticos• Refuerzos para las cámaras• Canal de transferencia• Refuerzos para canal de transferencia• Anillos rigidizantes y chapa de interface• Refuerzos para penetraciones• Blindajes
Se incluyen las siguientes penetraciones:• Abertura para canal de transferencia• Abertura para las tuberías del sistema neumático• Penetraciones para el Sistema de enfriamiento del núcleo• Penetraciones para los servicios de la Fuente fría de neutrones• Penetraciones de servicios para fuente caliente• Penetraciones para los tubos guía de haces de neutrones• Penetración para los mecanismos de control
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No fueron incluidas en el modelo las penetraciones de diámetro menor a 350 mm. La razónde esta metodología es que las mismas no pueden ser representadas correctamente debido a ladiscretización del modelo. Por esta causa, estas penetraciones fueron estudiadas localmente enforma separada utilizando modelos de detalle.
Las penetraciones para instrumentación y drenaje tampoco se modelaron pues las mismasson muy pequeñas y no introducen tensiones locales significativas.
AnillosRigidizantes
CámaraNeumáticos
Penetracionesdel PCS
Canal de transferencia
Canal de ventilación,instrumentación ydesborde
Figura 7: Modelo de EEFF
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Figura 8 – Modelo de EEFF: Penetraciones de Servicios
1
Figura 9 – Modelo de EEFF: Zona central, Canal de transferenciay Cámara del sistema de transporte neumático
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X Y
Z
Figura 10: Modelo de EEFF – Penetraciones de los tubos guía de neutrones
3.3 Condiciones de Contorno
El modelo de elementos finitos de la Pileta del Reactor fue calculado teniendo en cuentalas condiciones de carga que se listan a continuación:
• Evento sísmico• Presión hidrostática• Expansión térmica• Solicitaciones locales en apoyos
Evento sísmico
La Pileta es un componente categoría sísmica 1 y, como tal, debe soportar lasaceleraciones correspondientes al sismo severo (safe shutdown earthquake), que son lasmáximas aceleraciones definidas para el reactor.
La Pileta del Reactor esta rígidamente vinculada al bloque del Reactor (la pileta es usadadirectamente como encofrado durante el hormigonado del block), lo que significa que ésta semueve en forma conjunta con el block. De esta forma, las máximas tensiones debido alEvento Sísmico estarán dadas por las máximos desplazamientos del block del reactor. Enotras palabras, el Evento Sísmico es analizado cargando en el modelo desplazamientosimpuestos.
En la Figura 11 se representa el diagrama de desplazamientos impuestos (por el block del
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reactor) para una de las direcciones horizontales. A su vez, estos desplazamientos impuestosprovienen de un modelo de análisis del edificio completo.
Se aplican los desplazamientos impuestos para las dos direcciones horizontales y luego secombinan linealmente para obtener los resultados.
Con respecto a las restricciones o vínculos para el modelo, se consideró que durante ladeformación de la pileta los anillos rigidizantes se mantienen horizontales (Figura 12).
N
Displacements
5.1 mm
Figura 11: Esquema de desplazamientos impuestos para Evento Sísmico
Only Uz constraint
Clamped(All DOF)
Figura 12: Esquema de vinculación para Evento Sísmico
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Presión hidrostática
La Pileta del Reactor debe soportar la presión hidrostática (esquema de presión presentadoen Figura 13) bajo dos situaciones:
a) Montado (Operación Normal): La Pileta esta embebida y rígidamente restringida enel piso, anillos rigidizantes, canal de transferencia y penetraciones.
b) Prueba hidrostática: La pileta solo esta apoyada en el piso. Se diseñaron estructurasde refuerzo ya que el canal de transferencia es una abertura que por su tamaño debióestar cerrada y reforzada durante la prueba. En la Figura 19 se pueden observar losrefuerzos de la pileta ya construida.
Level +0
Level +12.6
Level +14ReactorPool
h
Figura 13: Esquema de carga para presión hidrostática
Figura 14: Modelo de EEFF – Refuerzos en canal y cámaras para prueba hidrostática
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La máxima presión (en el fondo dela pileta) es de 12.6 ton/m2.Si bien en rigor la shell de la pileta está “apoyada” en el hormigón del Reactor Block con
lo cual sería el hormigón el que resiste el empuje horizontal del agua, se diseño y verificó lapileta despreciando dicho soporte estructural del hormigón y confiando la resistencia a lapresión hidrostática solamente a la pileta.
Expansión térmica
En la Tabla 2 se presentan las temperaturas correspondientes a los diferentes casos decarga, nombrados como: “normal operation”, “anticipated operational transient” y “accidentcondition”.
Bajo estos casos de carga se producen tensiones en la Pileta puesto que la misma no sepuede expandir libremente por estar embebida en el bloque del reactor. El coeficiente deexpansión térmica del Acero Inoxidable es 1.55e-05 m/m°C mientras que para el Hormigón es1.00e-05 m/m°C además de estar el block vinculado al resto de edificio. Esto hace que, anteun calentamiento, la pileta se dilata más que el hormigón por lo que se generarán tensiones decompresión en la shell.
En el análisis además se incorpora la expansión del bloque del reactor. Para considerar losdesplazamientos del bloque del reactor se llevo a cabo un modelo de elementos finitos delmismo (Figura 16).
La metodología de análisis de la expansión térmica es la siguiente:a) Se analiza la Pileta absolutamente restringida y sometida a las diferentes temperaturas.
En esta caso se obtienen las tensiones máximas debido al confinamiento total de lapileta.
b) Se aplican en la pileta los desplazamientos impuestos por la expansión del bloque delreactor (debido a las temperaturas de los diferentes casos de carga).
c) Finalmente, se suman estos dos casos de carga y de esta forma se obtienen lastensiones resultantes, es decir que las tensiones del caso a) se reducen.
Condition Region A Region B Region C Time
Assembly / Maintenance
1.Normal Operation
20°C
50°C
20°C
38°C
20°C
38°C
Steady
Steady
2.Anticipated Operational Transient(Loss of SCS with FSS)
50°C 45°C 40°C 0.5 h
3.Accident Condition(Loss of SCS with SSS)
90°C 90°C 60°C 30 h
4.Accident Condition(LOCA)
100°C(steam + air)
100°C(water level
+5.85m)
60°C 5 h
Tabla 2: Expansión térmica
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+12.6
+11
+5.16
+0.0
Region A
Region C
Region B
Figura 15: Regiones de aplicación de temperaturas – niveles en [m]
X Y
Z
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1212 12121212121212121212
123123
121212121212
12312312121212 12121212
1212
123123121212 1212
123123121231212
V1L1C4
Figura 16: Modelo de EEFF del bloque del reactor
J. Alberro, A. Abbate
1085
Solicitaciones locales en apoyos
Se diseñaron soportes para las estructuras internas de pileta, tales como el riser, los rackspara combustibles y muestras a irradiar, los racks de instrumentación nucleónica y otros.
Para el análisis de los mismos se construyeron modelos de elementos finitos locales dedetalle como el que se muestra en la Figura 17.
El criterio para el diseño de los mismos fue el de transferir las cargas directamente albloque de hormigón y de este modo no solicitar la pared de pileta donde los mismos vansoldados. Para cumplir dicho objetivo se diseñaron estructuras por detrás de la pared de piletaen coincidencia con la posición de los soportes las cuales quedan embebidas en el hormigón.En la Figura 18 se muestra un plano del soporte y su correspondiente refuerzo y en las Figura19 y Figura 20 se pueden ver los mismos ya fabricados.
1
X Y
Z
Figura 17: Modelo de EEFF de soporte
J. Alberro, A. Abbate
1086
INTERIOR EXTERIOR
Figura 18: Refuerzos para soportes
También se diseñaron estructuras internas para soportar la prueba de presión hidrostática(sin respaldo del Reactor Block) y solicitaciones durante el transporte. Dichos refuerzos semuestran en Figura 19 y los mismos fueron modelados para confirmar su diseño.
Figura 19 – Interior de la pileta: soportes internos soldados en la chapa cilíndricay refuerzos para transporte y prueba hidrostática
J. Alberro, A. Abbate
1087
Figura 20: Soportes por detrás de la pared de pileta
3.4 Resultados
Las tensiones obtenidas fueron comparadas con los valores admisibles requeridos por elcódigo ASME Boiler and Pressure Vessel Code teniendo en cuenta los diferentes niveles deservicio (A, B, C y D).
En las siguientes figuras se muestran gráficos de tensiones y desplazamientos paradiferentes estados de carga.
Los resultados corresponden a los casos de cargas individuales mas las correspondientescombinaciones de casos.
Se confirma que las tensiones máximas están por debajo de los valores admisiblesrequeridos por el código ASME Boiler and Pressure Vessel Code.
Para validar el análisis de presión se realizó una prueba hidrostática la cual resulto exitosa.
J. Alberro, A. Abbate
1088
ANSYS 5.7.1 NODAL SOLUTIONS1 (AVG) PowerGraphicsEFACET=1AVRES=MatDMX =.006389 SMN =30208 SMX =.937E+08
1
MN
MX
X Y
Z
30208 .104E+08 .209E+08 .313E+08 .417E+08 .521E+08 .625E+08 .729E+08 .833E+08 .937E+08
Seismic Event: both dir (SRSS)
Figura 21: Evento Sísmico - Máximas tensiones principales [Pa]
ANSYS 5.7.1 NODAL SOLUTIONSUB =1 TIME=1 USUM (AVG) RSYS=0PowerGraphicsEFACET=1AVRES=MatDMX =.004023 SMX =.004023
1
MN
MX
X Y
Z
0 .447E-03 .894E-03 .001341 .001788 .002235 .002682 .003129 .003576 .004023
Water pressure
Figura 22: Presión hidrostática (operación normal) – Máximos desplazamientos [m]
J. Alberro, A. Abbate
1089
ANSYS 5.7.1 NODAL SOLUTIONS3 (AVG) MIDDLE PowerGraphicsEFACET=1AVRES=AllDMX =.008348 SMN =-.136E+09 SMX =7764
1
MN
MX
X Y
Z
-.136E+09 -.121E+09 -.106E+09 -.907E+08 -.755E+08 -.604E+08 -.453E+08 -.302E+08 -.151E+08 7764
Water press + Normal oper temp + SE
Figura 23: Caso combinado de cargas; Presión hidrostática + expansión térmica + sismo – Tensiones máximasprincipales [Pa]
XY
Z
24203442.
22691009.
21178576.
19666143.
18153710.
16641277.
15128844.
13616411.
12103978.
10591545.
9079112.
7566679.
6054246.
4541813.
3029380.
1516947.
4514.
V1L1C1
Output Set: MSC/NASTRAN Case 1Deformed(0.000107): Total TranslationContour: Plate Bot VonMises Stress
Figura 24: Modelo de detalle penetraciones de los tubos guía de neutrones - Sismo – Tensiones máximasprincipales [Pa]
J. Alberro, A. Abbate
1090
X
Y
Z
120256448.
107710161.
95163873.
82617586.
70071299.
57525011.
44978724.
32432437.
19886149.
7339862.
-5206425.
-17752713.
-30299000.
V1L2C1G11
Output Set: Pr + Pt (linear comb)Contour: Plate Top Major Stress
Figura 25: Soporte tipo D utilizado para rack de instrumentación nucleónica – Tensiones máximas principales[Pa]
4 CONCLUSIONES
La pileta del reactor fue analizada mediante modelos de elementos finitos, con los cualesse llevaron a cabo la asistencia al diseño y la calificación estructural de la misma.
La Pileta del Reactor fue evaluada bajo evento sísmico, presión hidrostática y expansióntérmica.
Todas los casos de carga y sus combinaciones son adecuadamente resistidos por suestructura de acuerdo a los valores admisibles requeridos por el código ASME Boiler andPressure Vessel Code.
Para validar el análisis de presión de agua fue realizada una prueba hidrostática.
J. Alberro, A. Abbate
1091
