CALIBRAÇÃO DA POTÊNCIA DO REATOR TRIGA IPR-R1 DURANTE OS TESTES DE AUMENTO DE POTÊNCIA PARA 250 kw

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

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, pode-se 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.

II. CÁLCULO DA POTÊNCIA

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.

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 dá-se 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 IPR-R1 [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.

Figura 2. Revestimentos do Poço do Reator TRIGA IPR-R1.

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]: ce aç ci al ext int

R

R

R

R

T

T

1

Q

+

+

+

−

=

(2) onde:

T_int = temperatura média da parede interna do poço, em [ºC];

T_ext = temperatura média do solo em torno do reator, em [ºC];

R_al = resistência térmica à condução de calor pelo revestimento de alumínio;

R_ci = resistência térmica à condução de calor pela parede interna de concreto;

R_aç = resistência térmica à condução de calor pela parede de aço inoxidável; e

R_ce = 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]:









=

i e

r

r

ln

πlK

2

1

R

(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: 2 ce 2 ac 2 ci 2 al ext int

R

R

R

R

T

T

2

Q

+

+

+

−

=

(4)

Os valores das resistências térmicas à transferência de calor por condução na superfície plana, são obtidas da seguinte equação [5]:

AK

L

R

=

(5)

Onde L é a espessura de cada camada de parede, em [m], e A é a área de sua seção média, em [m2_].

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]:

λ

⋅

= m

q

_ev

_

(6)

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:

(

−

∞

)

⋅

⋅

=

h

A

C

C

m

_

_D

_ρ

_{ar sat} (7) sendo: A = superfície do poço, em [m2];

ρar = densidade do ar, em [kg/m3];

C_sat = 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];

hD = coeficiente de transferência de massa, em [m3/(m2·s)],

dado por: 3 2 ar ar c D

Sc

Pr

Cp

h

h

_











⋅

=

ρ

(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;

Cp_ar = calor específico do ar, em [J/(kg·K)];

hc = coeficiente de transferência de calor por convecção,

em [W/(m2K)], dado por:

Nu

L

k

h

_c

=

(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:

(

_Gr

_Pr

)

1/3

14

,

0

Nu

=

⋅

(10)

Gr =o número de Grashof, dado por:

(

)

2 3 sup

T

L

T

g

Gr

υ

β

⋅

−

⋅

⋅

=

∞ (11) g = aceleração da gravidade, em [m/s2];

β = coeficiente de expansão volumétrica do ar; em [K-1]; Tsup = temperatura da água do poço na superfície, em [K];

T_∞ = temperatura do ar na sala do reator, em [K];

ν é a viscosidade cinemática do ar, em [m2/s].

A umidade relativa do ar na sala do reator foi medida, durante os testes.

A troca de calor por convecção térmica na superfície do reator foi calculada por [6]:

(

−

∞

)

⋅

⋅

=

h

A

T

T

q

_{c c sup} (12) III. INSTRUMENTAÇÃO

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

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. 27,5 28 28,5 29 29,5 30 30,5 31 31,5 32 32,5 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Tempo [s] Tem p er at ur a [ o C ]

Temperatura Saída da Refrigeração

Temperatura Entrada da Refrigeração Temperatura Média do Poço

Figura 3. Evolução da Temperatura no Poço do Reator na Configuração para 100 kW. 27,5 28 28,5 29 29,5 30 30,5 31 31,5 32 32,5 5600 6100 6600 7100 7600 8100 8600 Tempo [s] T em p er atu ra [o C ]

Temperatura Saída da Refrigeração

Temperatura Entrada da Refrigeração Temperatura Média do Poço

Figura 4. Intervalo de Estabilidade de Temperatura Considerado no Teste para 100 kW.

Potência do TRIGA 95 100 105 110 115 120 5600 6100 6600 7100 7600 8100 8600 Tempo [s] P o tê n cia [k W]

Figura 5. Evolução da Potência no Intervalo de Estabilização (para 100 kW).

TABELA 1. Potência na Configuração para 100 kW Potência dissipada no primário 103 kW

Perda térmica 2 kW

Potência total do reator 105 kW Desvio Padrão das Leituras 3 kW

Incerteza ± 18 kW

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.

TABELA 2. Potência na Configuração para 250 kW Potência dissipada no primário 230 kW

Perda térmica 4 kW

Potência total do reator 234 _kW Desvio Padrão das Leituras 3 kW

30 32 34 36 38 40 42 0 5000 10000 15000 20000 25000 Tempo [s] T e m p er a tu ra [ o C ]

Temperatura Média do Poço

Temperatura Saida da Refrigeração Temperatura Entrada Refrigeração

Figura 6. Evolução da Temperatura do Poço do Reator na Configuração para 250 kW. 34 35 36 37 38 39 40 41 42 12000 14000 16000 18000 20000 22000 24000 Tempo [s] Te m p er at u ra [ o C ]

Temperatura Saida da Refrigeração

Temperatura Entrada Refrigeração Temperatura Média do Poço

Figura 7. Evolução das Temperaturas no Intervalo de Estabilidade (para 250 kW). Potência TRIGA 220 225 230 235 240 245 12000 16000 _{Tempo [s]} 20000 24000 Po tê n ci a [k W ]

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

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.

TABELA 3. Potência na Configuração Inicial de 100 kW Potência dissipada no primário 113 kW

Perda térmica 2 kW

Potência total do reator 115 kW Desvio Padrão das Leituras 2 kW

Incerteza ± 11 kW 26 27 28 29 30 31 32 33 34 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 Tempo [s] T e m p e rat u ra [ o C ]

Temperatura Entrada Refrigeração

Temperatura Média do Poço

Temperatura Saida Refrigeração

Figura 9. Evolução das Temperaturas do Reator no Teste de Retorno para 100 kW. 29 29,5 30 30,5 31 31,5 32 32,5 33 33,5 17500 18000 18500 19000 19500 20000 20500 21000 21500 Tempo [s] T em p er at u ra [ o C]

Temperatura Saida Refrigeração

Temperatura Média do Poço Temperatura Entrada Refrigeração

Figura 10. Temperaturas no Intervalo de Estabilidade de Temperatura (p/ 100 kW).

Potência do TRIGA 106 108 110 112 114 116 118 120 122 124 17000 18000 19000 20000 21000 22000 Tempo [s] P o tê n c ia [k W ]

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 incerteza devido à vazão (

m



) [7], da incerteza no valor do 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]:

2 T 2 C p 2 m S ) T P ( ) S C P ( ) S m P ( S _{p ∆}

∆

× ∂ ∂ + × ∂ ∂ + × ∂ ∂ =  (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).

[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).

[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

[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, McGraw-Hill 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.