Monitoramento da Vibração Induzida por Fluxo (VIF) em um Feixe de Pinos Nucleares

A vibração induzida pelo fluxo (FIV) em feixes de hastes de combustível é crítica no projeto e na segurança de reatores nucleares. Compreender essas vibrações ajuda a otimizar o desempenho do reator e a garantir a integridade dos conjuntos de combustível nuclear. O ISE e a Agência Nacional de Energia italiana, ENEA, investigaram o efeito das FIVs em um protótipo de núcleo nuclear. Eles induziram vibrações por meio do fluxo de chumbo líquido em altas temperaturas. A Dewesoft forneceu hardware e software para adquirir, digitalizar e processar dados de vibração de 24 galgas extensométricas. 

Um feixe de varetas nucleares, também conhecido como conjunto de combustível, é uma coleção de barras de combustível nuclear dispostas numa configuração específica no interior do núcleo de um reator nuclear. Cada barra de combustível nuclear tipicamente consiste num tubo longo e delgado feito de um material, como uma liga de zircónio, preenchido com pastilhas de combustível nuclear. Estas pastilhas são geralmente compostas por compostos de urânio enriquecido ou plutónio.

O feixe de varetas nucleares desempenha um papel crucial na operação de um reator nuclear. Durante a operação do reator, a fissão nas pastilhas de combustível gera calor. Este calor pode produzir vapor, que aciona turbinas para gerar eletricidade. A configuração e o arranjo dos conjuntos de combustível dentro do núcleo do reator facilitam uma transferência de calor eficiente, mantêm a estabilidade do reator e controlam a reação nuclear.

Vibração induzida pelo escoamento (FIV) refere-se ao fenómeno em que o fluxo de fluido passando por uma estrutura induz vibrações nessa estrutura. Estas vibrações podem ocorrer em vários sistemas de engenharia, tais como oleodutos, permutadores de calor ou componentes de reatores nucleares.

A FIV pode surgir devido a vários fatores, incluindo a natureza instável do fluxo de fluido, turbulência, efeitos de interação fluido-estrutura e fenómenos de ressonância. Quando a frequência do fluxo de fluido coincide com a frequência natural da estrutura, pode ocorrer ressonância, levando a vibrações potencialmente danosas.

Os parceiros

A ENEA é a Agência Nacional para Novas Tecnologias, Energia e Desenvolvimento Económico Sustentável. É um organismo público que promove a investigação e a inovação tecnológica e presta serviços avançados a empresas, administração pública e cidadãos nos setores da energia, do ambiente e do desenvolvimento económico sustentável.

Fundada em 1997, ISE é uma empresa de sistemas de engenharia eletrónica especializada em serviços de consultoria relacionados com a fiabilidade de instalações e a engenharia de manutenção, serviços técnicos em manutenção preditiva e monitorização de condição, e atividades de formação e coaching relacionadas. A empresa dirige-se principalmente ao mercado industrial, operando em muitos sectores diferentes, incluindo petróleo e gás, químico, petroquímico, cimenteiro, energia, alimentos e bebidas, farmacêutico, etc.

Para o mercado industrial e fabricantes de equipamento original (OEMs), a empresa também oferece serviços de investigação e desenvolvimento relacionados com sistemas de aquisição de dados, IIoT, bases de dados de séries temporais, algoritmos de ML e aplicações completas baseadas em necessidades específicas. A ISE também projeta e comercializa produtos Twise® para Manutenção Preditiva, Monitorização de Condição e atividades de Teste.

A configuração experimental

A compreensão e mitigação da FIV pode envolver a utilização de estratégias de projeto adequadas, tais como mecanismos de amortecimento, alteração da geometria da estrutura ou emprego de técnicas de isolamento de vibrações. Os engenheiros frequentemente utilizam simulações de dinâmica de fluidos computacional (CFD) e testes experimentais para analisar e prever o comportamento da FIV em aplicações de engenharia.

As FIV são uma preocupação significativa no protótipo e na montagem de reatores nucleares que utilizam feixes de varetas de combustível. À medida que o refrigerante flui ao redor das varetas de combustível dentro do núcleo do reator, pode induzir vibrações nos componentes estruturais. Estas vibrações podem conduzir a vários problemas, incluindo falha por fadiga, desgaste e possível dano ao núcleo do reator. Compreender e mitigar as FIV é um aspeto essencial do projeto e da operação do reator para garantir segurança e eficiência. 

Concebemos um experimento para monitorizar as FIV num protótipo de núcleo nuclear, onde o escoamento de chumbo líquido a uma temperatura de até 550°C induz vibrações. A parte do núcleo do protótipo consiste numa secção de ensaio, incluindo um conjunto hexagonal de 37 varetas. Cada vareta é um tubo cilíndrico oco de 1.7m de comprimento cheio de pastilhas perfuradas de carboneto de tungsténio, que simulam a presença de combustível nuclear. 

A secção de ensaio, mostrada na Figura 3, inclui ainda flanges de acoplamento que ligam a secção de ensaio ao sistema de bombagem de chumbo. Um 'duck neck' no topo da secção de ensaio permite que os cabos da instrumentação saiam da porção preenchida de chumbo e se liguem ao sistema de aquisição de dados (DAQ).

Projeto do sistema de monitorização

O sistema de medição destinava-se a monitorizar as amplitudes e frequências do deslocamento das varetas utilizando um sinal cru de galgas extensométricas adequadamente instaladas na secção de ensaio. E a permitir a nossa avaliação da incerteza que caracteriza a cadeia de medição. Aplicámos um sistema composto por:

• 24x KYOWA KHC - galgas extensométricas resistentes à temperatura.

• 3x Dewesoft SIRIUSie-8xSTGM sistemas de aquisição de dados de 8 canais.

• KRYPTON CPU, um registrador de dados portátil e robusto IP67 e computador para processamento de dados.

• DewesoftX software de aquisição de dados para filtragem de sinais, processamento de dados e visualização.

O experimento apresenta condições muito desafiadoras: o sistema de monitoramento deve suportar altas temperaturas e pressões, um ambiente corrosivo (escoamento de chumbo líquido) e os sensores devem ser instalados em espaço limitado. Transdutores comumente usados no monitoramento de vibração, como acelerômetros, não são adequados para ambientes extremos, por isso selecionamos galgas de deformação KYOWA KHC finas e resistentes à temperatura. As galgas de deformação foram soldadas por pontos nos pinos - ver Figura 4. 

Instalamos as 24 galgas de deformação em quatro pinos, dois tripletos de galgas por pino, para capturar os modos de FIV, como mostrado na Figura 5. Selecionamos cada ponto de monitoramento para obter medidas ótimas de amplitude e direção das oscilações dos pinos.

Identificamos o sistema de aquisição de dados Dewesoft SIRIUSie-8xSTGM de 8 canais como a melhor solução para adquirir e tratar os sinais das 24 galgas de deformação. O SIRIUS DAQ permite medições com alta resolução (delta-sigma de 24 bits) e elevada relação sinal-ruído (com um piso de ruído de 95 dB a 100 kHz de largura de banda), ao mesmo tempo que fornece um sistema modular que permite empilhar três dispositivos mantendo perfeita sincronização dos dados entre os canais. 

A interface EtherCAT® simplifica a ligação ao PC. Escolhemos um PC industrial Intel NUC sem ventoinha com processador I7 e 16 GB de RAM. Veja a nossa solução na Figura 6.

Usamos o software de aquisição de dados DewesoftX fornecido para filtrar cada sinal, processar os dados e visualizá-los num dashboard dedicado. Adquirimos os sinais a uma taxa de amostragem de 5 kHz, depois reduzimos o ruído aplicando um filtro passa-baixo em 30 Hz e fazendo a média dos resultados em janelas de 0,01 s.

Finalmente, processamos os sinais resultantes com dois scripts C++ personalizados, que estão incluídos diretamente no software DewesoftX. 

Um primeiro script calcula a direção de flexão e o raio de curvatura do pino em cada ponto de monitoramento. Um segundo script usa essa informação para calcular o deslocamento total do pino na direção transversal. Assim, o sistema de monitoramento resultante é um rastreador em tempo real da deflexão transversal de cada pino. Você pode encontrar mais detalhes sobre o processamento de dados em T. Rovai et al. (2023).

O experimento

Para testar o sistema de monitoramento, construímos um banco de ensaio simplificado composto por um tubo de alumínio instrumentado com três SGs dispostos na configuração de tripleta, como as SGs nos pinos nucleares. Selamos as SGs na metade do comprimento do tubo para capturar o primeiro modo de vibração do tubo. 

Adquirimos os sinais das SGs usando um Dewesoft KRYPTON® 3xSTG e extrapolamos a amplitude da deflexão transversal do pino usando os mesmos scripts C++ desenvolvidos para a configuração final. Em seguida comparamos o resultado com uma medição de um transdutor analógico de deslocamento linear. Houve forte concordância entre os resultados experimentais e os esperados. Veja o banco de ensaio na Figura 7.

A Figura 8 mostra o dashboard do DewesoftX registrando um teste de impacto realizado no banco de ensaio. O sistema de monitoramento captura as oscilações do tubo. O software processa os sinais brutos do triplo de SGs e os converte em uma deflexão nos eixos x-y.

Em seguida testamos os sistemas de monitoramento nos pinos de combustível da seção de teste usando um sistema de aquisição de dados Dewesoft SIRIUSie-8xSTGM. Mais uma vez, realizamos testes de impacto para verificar a correta reconstrução da direção e da amplitude de flexão e obtivemos resultados consistentes. Usando o DewesoftX, desenvolvemos um dashboard final que incluía os sinais medidos por cada tripla de galgas de deformação, a deflexão total e uma representação gráfica da deflexão do pino nos eixos x-y. A Figura 9 mostra uma gravação em vídeo do dashboard durante um teste de impacto em um pino de combustível.

Montamos o feixe de pinos composto por 37 pinos, com quatro pinos instrumentados com galgas de deformação. Veja a montagem final na Figura 1. 

Verificamos mais uma vez que os sensores podiam detectar o movimento que dobrava a seção de teste devido à gravidade. Realizamos esse teste usando o mesmo PC que mais tarde instalamos para o experimento de fluxo de chumbo. É importante notar que todos esses testes foram realizados em temperatura ambiente. 

Conclusão

O experimento real com chumbo líquido ainda não foi realizado. Contudo, neste artigo apresentamos a realização de um protótipo de núcleo nuclear consistindo numa seção de teste com um feixe de 37 pinos. Instrumentamos quatro desses pinos com seis galgas de deformação resistentes à temperatura cada, para monitorar vibrações induzidas pelo fluxo e medir a deflexão transversal dos pinos. 

Adotamos o dispositivo Dewesoft SIRIUS DAQ para aquisição de dados devido às suas vantagens em personalização, precisão, resolução e estabilidade. Estendemos as capacidades da plataforma de software DewesoftX com scripts em C++ para calcular a deflexão dos pinos a partir das deformações medidas pelas galgas de deformação, visualizando os dados processados num dashboard DewesoftX personalizado.

Testamos o sistema num banco de ensaio simplificado e nos pinos da seção de teste, confirmando que atende aos requisitos experimentais. Finalmente, verificamos que podemos derivar a amplitude de vibração a partir da medição da deformação do pino com uma incerteza razoável de cerca de 10%. 

Estes resultados medidos e analisados foram apresentados e publicados em a Workshop Internacional IEEE 2023 sobre Metrologia para a Indústria 4.0 e IoT.