MEDIDAS DE FRAÇÃO DE VAZIO EM ESCOAMENTO BIFÃSICO USANDO NEUTRONS TÉRMICOS

(1)

284

Walrair Maximo Torres (COPPE/UFRJ) John Douglas Rogers (COPPE/UFRJ)

1. INTRODUÇÃO

Os estudos dos parâmetros termo-hidrãulicos de um reator de potência são feitos usando "loops" de testes onde estes parâ-metros são medidos através de diversas técnicas, as quais

pos-suem suas limitações.

A fração volumétrica de vapor ou fração de vazio é um dos parâmetros que apresenta maior dificuldade de medida. Entre as técnicas utilizadas para medir este parâmetro estão as sondas de resistividade , transdutores de pressão e atenuação de feixe 3 ~ 4 5 ~ 6 7—9 infra-vermelho . Radiação Y , raios-X , radiação 3 e neutrons também vem sendo aplicadas para medidas de fração de vazio e para a identificação do tipo de escoamento.

No presente trabalho, foi feito um estudo teórico e experi-mental de medidas de fração de vazio em escoamento bifãsico de ãgua-vapor em estado estacionário usando um feixe de neutrons térmicos.

2. MÉTODO EXPERIMENTAL

A fração de vazio em uma mistura bifãsica de um fluido (ãgua-vapor) pode ser determinada pela atenuação ou pelo espalhamento de um feixe colimado de neutrons térmicos incidente na seção de teste. A atenuação do feixe é exponencial, da forma .

I = Io exp - ( Zt y + Et p yp) •

(2)

285

distância percorrida dentro do fluido na seção de teste e E e y se referem a estes parâmetros para o material da parede. Para medidas de espalhamento, a intensidade do feixe espalhado é uma

função complexa âo volume de material na fase"líquida presente na mistura, da geometria e do ângulo de espalhamento.

0 escoamento bifásico de ãgua-vapor foi simulado em geome-tria cilíndrica usando modelos de acrílico colocados na seção de teste, que s um tubo de alumínio de 22mm de diâmetro externo e 19mm de diâmetro interno. 0 acrílico foi utilizado devido a sua semelhança com a águs, no que se refere aos parâmetros de' inter-ação de neutrons térmicos (I , coeficiente de difusão D, livre caminho médio X etc ) . Dois tipos de escoamento, o anular e o anular inverso, foram analisados usando um feixe,, de neutrons de 22mm de largmra (correspondente ao diâmetro externo da seção de teste) por 90mm (correspondente ao comprimento do modelo de acri-lico) . Valores de fração de vazio ( a ) estudados foram 0 ; 0,2 ; 0,4 ; 0,6 e 1,0 para escoamento anular e 0 ; 0,2 ; 0,4 ; "0/6-; 0,8 e 1,0 para escoamento anular inverso.

. Foi utilizado um feixe de neutrons térmicos proveniente de uma fonte de 5 Ci de Am/Be colocada dentro de .um tanque moderador contendo água. 0 feixe foi retirado usando um cólimador retangu-lar divergente com uma janela de cãdrnio na salda para definir a área do feixe. A figura I mostra um esquema do sistema de medida.

3. MEDIDAS DE ATENUAÇÃO

As medidas de atenuação são realizadas quando o detetor BF_ ê alinhado com a seção de teste e o feixe de n e u t r o n s ( 0 = 0 ) . Ás curvas de calibração foram obtidas realizando medidas de ate-nuação durante intervalos de tempo de 500 segundos para os valo-res citados de a . Com essas curvas é possível determinar

(3)

a,fra-286

Cd

Moderador (11,0)

Figura I - Esquema do Sistema de Medida

ção de vazio em escoamento água-vapor.

Os resultados das medidas de atenuação são apresentados na Figura II.

4. CÁLCULOS TEÕRICOS

A experiência de atenuação £oi estudada teoricamente para o caso de um feixe colimado .de neutrons incidente em ura tubo de alumínio. O cálculo teórico considerou neutrons de um grupo de energia admitindo que em uma única interação um neutron é reti-rado do feixe.

No modelo matemático está calculada a intensidade transmi-tida do feixe de neutrons, dada pela

equação:-1 = 2 .( i (x) exP -{E. y(x) + E y (*) } • E (x) dx

(4)

287

onde l e a intensidade teórica registrada, no detetor, In(x) é a intensidade incidente, y(x) e y (x) são as espessuras do acrí-lico e do material de parede e E(x) ê a eficiência do detetor na posição lateral x do centro da seção de teste.

A intensidade teórica do feixe transmitido em função da dis_ tância lateral é mostrada na Figura III para valores'de a de 0 ; 0,2 ; 0,4 ; 0,6 ; 0,8 e 1,0 em escoamento anular e anular inver-so. A intensidade teórica total, I, ê apresentada junto com as medidas experimentais"na Figura II.

5. IDENTIFICAÇÃO DO TIPO DE ESCOAMENTO

Uma experiência auxiliar foi realizada para cada valor de a para escoamento anular e anular inverso. Foram utilizadas barrei-ras de cãdmior bloqueando parcialmente determinadas regiões . da seção de teste, com a finalidade de tentar identificar o tipo de escoamento. Resultados obtidos com uma barreira tipo máscara de 12nun de largura e com uma barreira na forma de janela de 12mra de largura, centralizados na seção de teste, são apresentados na Figura IV.

6. MEDIDAS _D_E ESPALHAMENTO

As medidas de espalhamento foram realizadas com o detetor deslocado de ângulos 0 , como mostra a Figura I, com a direção do•feixe incidente. Estes ângulos foram variados na faixa de 0 até 130°.

A intensidade dos neutrons espalhados pela seção de teste e registrada pelo detetor BF em função de ângulo foi determinada para a = 0 e a = 1,0 (Figura V ) . Os resultados para 0 = 60°, 90° e 130° são plotados em Figura VI para todos os valores de a . 7. DISCUSSÃO

(5)

288

lico com um tubo de alumínio (Figura II) mostram valores mais altos da intensidade transmitida de noutrons para o caso de esco amento anular inverso do que para escoamento anular. Isso indi-ca que, para este tipo de experiência, a fração de vazio sõ pode ser determinada com precisão, se se conhecer o tipo de escoamen-to. A forma da variação destes resultados experimentais foram ' verificadas pelo modelo teórico (Figuras II e III) que utilizou como dados de entrada os valores experimentais d?, variação de intensidade incidente do feixe, medida na saida do colirnador. A diferença entre valores absolutos das experiências e da teoria se deve ao facto que a intensidade real do feixe, I Q , incidente na seção de teste é menor do que a medida na saida do colimador. A Figura ITI mostra a variação de intensidcide transmitida em função de posição lateral medida do centro da seção de teste. Observa-se que a integral da área sob as curvas é maior para es-coamento anular inverso confirmando as medidas experimentais.

Para a identificação do tipo de escoamento, foi analisada a intensidade transmitida pela seção de teste usando diferentes tipos de barreiras (mascaras ou janelas) de cãdmio. Na Figura III observa-se que, ao utilizar uma mascara na região central da seção de teste, a intensidade transmitida será maior para escoa-mento cumular inverso. Para o caso de uma janela, o efeito ê o contrário, como pode ser visto nos resultados experimentais ob-tidos (Figura IV). Essa observação (principalmente, do efeito mais acentuado de uma máscara) indicou uma maneira de identifi-car o tipo de escoamento através de uma medida auxiliar e assim determinar também a fração de vazio para escoamento em regime estacionãrio.

(6)

289

experimental, não tinham a resolução necessária para a determi-nação precisa de fração de vazio. Os motivos principais eram a baixa intensidade de neutrons espalhados e a alta contcigem devido a radiação de fundo, provocando assim grandes incerte-zas estatísticas nos resultados.

8. CONCLUSÕES

Medidas de fração de vazio em água-vapor são viáveis com fontes isotõpicas de neutrons somente em medidas de atenuação para escoamento em regime estacionãrio. Uma medida auxiliar usando uma máscara de cãdmio facilita a identificação do tipo de escoamento (anular ou anulai" inverso) . Fontes mais intensas de neutrons são necessários para medidas de espalhamento ou para estudos de escoamento em regime rião-estacionãrio.

K

REFERÊNCIAS

1. Banerjee,- S., Heidrick, I.R. e Rhodes, E. - Proceedings of the Second CSNI Specialists Meeting, Paris, 2(1978) 745. 2. Veteau, J. e Chariot, R. - Rapport CEA ->. R >-, .5075 : (19.81):.; 3. Saba, N.:, Lahey, R.T.;Jr.je Corelli, J.C. - Nuclear Technology

48(1980)5.

4. Gardner, R.P., Bean, R.H. e Ferrei, J.K. - Nuclear Applica-tions & Technology, 8(1970)88.

5. Evangelist, R. e Lupoli, P. - Intern. Journal Heat & Mass Transfer, 12(1969)699.

6. Perkins, II. C. Jr. , Yusuf, M. e Leppert, G. - Nuc. Sci. Eng. , 11(1961)304.

7. Frazzoli, F.V. e Magrini, A. - Nuclear Technology, 45(1979) 177.

(7)

2 9 0 o Cl in

g

o a o ü 4 0 . 3 0 2 0 -1 0 "

o E.A.- rJocoainento Anular o E . A . I . - Er.coan.cnto a n u l a r

Inverno

I • I • J ' J ' °'2 0,4 0,6 0,3 1,0 Figura I.I- Curvas de calibracão teórica e experimental,

(8)

2 9 1 V) o o in Xi o t<5 o tn ní •P G O 1 o w d

'ri

o H 12 8 -I -I -I -I -I -I -I -I -I -I -I 4 -J I I I I I I I I I a=0,6 12 0 -a=0,2 J i i i i i t I I... I a=0 ,0 l i . A . I . i i l l I l i l l i l i i l l i i I i i «=0,4 « = 0 x (nn)

Figura III - Intensidade afetiva I., .., versus distancia >: do centro dn necão de testes;

(9)

292 n i o rH '••'• C O i n r; <u i/i C) to -P C! 0 U O c E G U <r, O n H U d r-j o O C O to w o 3 -2 _ 1 _ _J_.. 2 0 (1 c fl) c. o Ü t/J <i> o m +> T - 15 10 _ 5

_Í

1 / 0

Figura IV - Curvas para a identificação do tipo dn escoamento.

(10)

V. o. o £ G 2 4 " J ! L J L I I o= 1,0 1 1 1 1 1 1 1 1— 20 AO 60 30 ₁₀₀ ₁₂₀ Figura V -8(graus) Contagens en função do angulo 6 entre o detetor e a direção do foixe de neutrons

(11)

11 o o o c c u r\) 1 O -p 16 ., 1412 -10 " _; ! 1 ! i. i t i 8=609 a Escoaraento anular o Escoamento anular inverso J 1 1 ! 1 ! 1 1 L 6=90? °'2 °'4 0/6 0/3 1,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1, 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 _J ! I 1 !_ 8=130?

(12)

295

42(1971)4080.

9. Freitas, R.L., These Docteur Ingênieur, L'Universite Scien-tifigue et Medicale et L'Institut National Polytechnigue de Grenoble (1981).