MARCELO MORAES DOS SANTOS

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Análise estrutural do EC do RMB - Sismo de Desligamento Seguro + Condição normal de operação do RMB
2021 - SANTOS, MARCELO M. dos; MATTAR NETO, MIGUEL
1. O escopo deste documento corresponde à avaliação estrutural do Elemento Combustível do Reator Multipropósito Brasileiro considerando a superposição dos carregamentos de um Sismo de Desligamento Seguro com os da condição normal de operação deste reator. Para tanto, são tomadas como referências a análise da condição normal de operação chamada de B5 Modificada (B5M), documentada na referência [1], e a análise de Sismo de Desligamento Seguro (SDS), documentada na referência [2]. 2. De maneira geral, os objetivos desta análise estrutural são os seguintes: a) Avaliar, de maneira conservadora e simplificada, as respostas mecânicas ao ser considerada a superposição dos carregamentos provenientes das análises B5M e SDS como atuantes no E.C. b) Verificar as respostas mecânicas calculadas citadas anteriormente de acordo com os seguintes critérios adotados para as condições normais de operação (deve-se notar a adoção conservadora utilizada): o Requisitos mecânicos funcionais provenientes da norma ANSI/ANS 57.5-1996 [3] o Requisitos de tensão provenientes da norma ASME III, divisão 1, subseção NB [4]. o Requisito de distanciamento entre E.C. vizinhos (0,001 m) [5]. 3. No presente documento são utilizadas as unidades, múltiplos e submúltiplos do Sistema Internacional de Unidades (SI), sem exceções. 4. No presente documento é adotado um sistema cartesiano de coordenadas, no qual os eixos horizontais são denominados como X e Z, e o eixo vertical é denominado como Y.
Sismo de Desligamento Seguro
2021 - SANTOS, MARCELO M. dos; MATTAR NETO, MIGUEL
1. O escopo deste documento corresponde à apresentação, análise e comparação dos resultados de oito análises − sendo quatro do tipo “Estática Equivalente” (A.E.E.) e outras quatro do tipo “Espectro de Resposta” (A.E.R.) −, onde foram simuladas situações cujos carregamentos são de origem sísmica (Sismo de Desligamento Seguro – SDS) que fazem parte das condições a que o Elemento Combustível (E.C.) do Reator Multipropósito Brasileiro (R.M.B.) deve resistir. 2. Nas quatro A.E.E. são simuladas situações nas quais o E.C. do R.M.B. está sujeito apenas aos valores máximos de aceleração nas três direções cartesianas (X, Y e Z), provenientes dos espectros de resposta sísmica do R.M.B relativos ao SDS. Os valores considerados como máximos para as acelerações, em cada eixo cartesiano, são mostrados abaixo: • Eixo X: 33,04 m/s². • Eixo Y: 25,12 m/s². • Eixo Z: 32,44 m/s². 3. O procedimento de desenvolvimento das quatro A.E.E. é descrito na referência [1], sendo a única alteração, no presente documento, a adição de uma análise estática equivalente de superposição entre os valores positivos das acelerações sísmicas máximas. 4. Nas quatro A.E.R. são simuladas situações nas quais o E.C. do R.M.B. está sujeito a todo o espectro de resposta relativo ao SDS em suas bases de apoio (contato E.C./G.N. e E.C./F.E.C.) nas três direções cartesianas (X, Y e Z). Os espectros considerados são mostrados abaixo: • Eixo X: espectro de resposta em X. • Eixo Y: espectro de resposta em Y. • Eixo Z: espectro de resposta em Z. 5. De maneira geral, o desenvolvimento das A.E.R., no contexto do E.C., tem o seguinte objetivo: • Proporcionar um procedimento de análise dinâmica menos conservador do que o da análise estática equivalente apresentada na referência [1], uma vez que as características intrínsecas ao sistema de análise Response Spectrum®, utilizado para as A.E.R. são mais adequadas às simulações de eventos sísmicos (no caso, o Sismo de Desligamento Seguro -SDS). • A principal característica do sistema de análise citado é a de considerar que as acelerações se propagam para o E.C. a partir de suas áreas de restrição que estão em contato com as estruturas internas do reator. Nominalmente, tratam-se dos contatos E.C./G.N. e E.C./F.E.C. As análises estáticas equivalentes consideram, conservadoramente, que as acelerações máximas dos espectros de resposta são aplicadas em todo o volume do E.C., o que as pode tornar muito conservadoras. 6. Os espectros de resposta citados − que servem de dados de entrada nas A.E.R., e por meio dos quais foram extraídos os valores máximos de aceleração das A.E.E. −, consistem em tabelas contendo valores de aceleração nas três direções cartesianas, em uma faixa de frequência que varia de 0,1 Hz até 100 Hz. Os valores presentes nestas tabelas foram extraídos do Apêndice A da referência [1]. 7. Como mencionado anteriormente, o presente relatório é constituído por oito análises. Abaixo, são apresentadas as suas definições, abreviações e acelerações/espectros (carregamentos). Neste documento, as análises são referidas pelas suas iniciais. 8. As quatro análises de cada tipo foram desenvolvidas com o objetivo de haver entre elas uma correspondência, relativa à direção dos carregamentos. As análises de cada tipo caracterizadas com o número 1 referem-se às que levam em consideração a superposição dos carregamentos. As caracterizadas com os números 2, 3 e 4 levam em consideração, respectivamente, os carregamentos nas direções X, Y e Z, totalizando oito análises. Desta maneira, a comparação das oito análises é feita de acordo com a seguinte correlação: • A.E.E. 1 versus A.E.R. 1 → Superposição dos carregamentos. • A.E.E. 2 versus A.E.R. 2 → Carregamentos no Eixo X. • A.E.E. 3 versus A.E.R. 3 → Carregamentos no Eixo Y. • A.E.E. 4 versus A.E.R. 4 → Carregamentos no Eixo Z. 9. Os valores resultantes são obtidos em cada uma das análises citadas, e depois comparados de acordo com o apresentado anteriormente. Estes resultados são obtidos primeiramente de maneira quantitativa e, posteriormente, qualitativa; estes consideram, primeiramente, o E.C. completo e, posteriormente, apenas as placas combustíveis. As variáveis que compõem estes resultados são cinco, apresentadas abaixo. • Tensão pontual pelo critério de Von Mises (em MPa). • Deslocamento total (em m). • Deslocamento direcional com relação ao eixo X (em m). • Deslocamento direcional com relação ao eixo Y (em m). • Deslocamento direcional com relação ao eixo Z (em m). 10. Os resultados qualitativos são apresentados através de oitenta figuras, cujas escalas em cor mostram as regiões de maior ou menor valor da variável em questão. Tratam-se de dez resultados para cada uma das análises (cinco relativos ao E.C. completo e cinco relativos às placas combustíveis). 11. Como mencionado na referência [1], para o desenvolvimento das A.E.E. é empregado o sistema de análise Static Structural® do software Ansys®. 12. Para o desenvolvimento das A.E.R., são empregados os sistemas de análise Modal® e Response Spectrum®, do software Ansys®, em conjunto. 13. No presente documento são utilizadas as unidades, múltiplos e submúltiplos do Sistema Internacional de Unidades (SI), sem exceções. 14. No presente documento é adotado um sistema cartesiano de coordenadas, no qual os eixos horizontais são denominados como X e Z, e o eixo vertical é denominado como Y.
Análise B5 X B5 Modificada
2021 - SANTOS, MARCELO M. dos; MATTAR NETO, MIGUEL
1. O escopo deste documento corresponde a uma verificação do comportamento do Elemento Combustível (E.C.) do Reator Multipropósito Brasileiro (R.M.B.) quando sujeito a todos os carregamentos superpostos provenientes da condição normal de operação deste reator, como descrito na análise B5 da referência [1], com uma condição de restrição específica, que se caracteriza na consideração de um suporte fixo localizado no contato E.C./G.N. Esta análise é denominada como Análise B5 Modificada, por ser similar em todos os parâmetros, com exceção das condições de restrição. 2. De maneira geral, os objetivos desta verificação são os seguintes: a) Fazer uma comparação entre duas condições de restrição distintas (entre a análise B5 da referência [1] e a análise B5 Modificada que será apresentada neste documento). Esta comparação tem por objetivo verificar se a inserção de um suporte fixo no modelo de análise do E.C., na análise B5 Modificada, altera significativamente os valores resultantes das tensões e deslocamentos, em comparação com os valores resultantes documentados na análise B5 da referência [1]. b) Caso seja observado que as alterações nos valores máximos de tensão e deslocamento são pequenas na análise B5 Modificada, em comparação com a análise B5 da referência [1], pode-se afirmar que a análise B5 Modificada serve de base para futuras análises complementares que, em conjunto, dão origem a uma análise precisa e completa de um terremoto SSE no software Ansys®. Deve ser salientado que só é possível prosseguir com as análises complementares, no software Ansys®, caso exista a condição de restrição de suporte fixo nesta análise estrutural estática. c) De maneira resumida, neste relatório será respondido o seguinte questionamento: ➢ Em comparação com a análise B5, da referência [1], existem diferenças significativas, em termos dos valores resultantes das tensões e deslocamentos máximos, no comportamento do E.C. ao considerar a condição de restrição de suporte fixo no contato E.C./G.N.? 3. A presente análise é do tipo estática estrutural. Para o seu desenvolvimento, é empregado o sistema de análise Static Structural®, do software Ansys®. As características básicas desta análise são: a) Se trata de uma análise estática linear, ou seja, um tipo de análise que considera a rigidez da estrutura como constante. b) Os carregamentos atuantes na estrutura são os provenientes da condição normal de operação do R.M.B., descritos na análise B5 da referência [1]. c) A condição de restrição aplicada no modelo de elementos finitos do E.C. é um suporte fixo no contato do E.C. com a Grelha do Núcleo (contato E.C./G.N.). Como mencionado anteriormente, esta é a única diferença entre a presente análise e a descrita na referência [1]. 4. Assim como consta na referência [1], o procedimento de verificação da Análise B5 Modificada conta com as seguintes etapas: a) Para avaliar a integridade mecânica do E.C. do R.M.B. são verificados os requisitos funcionais presentes na norma ANSI/ANS 57.5-1996 [2]. b) A verificação destes requisitos funcionais é feita através da observação dos valores resultantes máximos das tensões e deslocamentos obtidos por meio da análise descrita no presente relatório. c) Os requisitos de tensão são verificados de acordo com a norma ASME III, divisão 1, subseção NB [3]. Os valores resultantes das tensões são obtidos em termos de S.I., ou Stress Intensity (critério de Tresca). Estes valores resultantes são comparados com o limite admissível Sm, o mais conservador presente na norma citada. d) Os requisitos de deslocamento são verificados de acordo com a distância entre E.C. vizinhos (0,001 m) e entre placas combustíveis vizinhas (0,00245 m). 5. No presente documento são utilizadas as unidades, múltiplos e submúltiplos do Sistema Internacional de Unidades (SI), sem exceções. 6. No presente documento é adotado um sistema cartesiano de coordenadas, no qual os eixos horizontais são denominados como X e Z, e o eixo vertical é denominado como Y.
Avaliação da condição de montagem do elemento combustível do RMB – tensão de assentamento nos contatos do E.C.
2020 - SANTOS, MARCELO M. dos; MATTAR NETO, MIGUEL
1. É feita uma verificação, por meio de cálculo analítico, da tensão de assentamento na área de contato entre o elemento combustível (E.C.) e a grelha do núcleo (G.N.), contato denominado como E.C./ G.N. Da mesma maneira, é realizada uma verificação, por meio de um cálculo analítico, da tensão de assentamento na área de contato do elemento combustível com o fixador de elementos combustíveis (F.E.C.), contato denominado como E.C./ F.E.C. 2. Explica-se que a relevância de uma análise de tensão nos contatos do E.C. se dá pela possibilidade de se verificar a sua condição de montagem no núcleo do reator. 3. Os critérios de aceitação foram extraídos do tópico NB-3227.1 da norma ASME III, Divisão 1, Subseção NB [3]. 4. De acordo com os resultados mostrados neste documento é possível afirmar que as tensões calculadas atendem ao critério estabelecido no tópico NB-3227.1 da norma ASME III, Divisão 1, Subseção NB [3].
Verificação das respostas às acelerações máximas provenientes dos espectros de resposta sísmicos do elemento combustível do RMB - Análise Modal
2020 - SANTOS, MARCELO M. dos; MATTAR NETO, MIGUEL
1. O escopo deste documento corresponde a uma verificação do comportamento do Elemento Combustível (E.C.) do Reator Multipropósito Brasileiro (R.M.B.) quando sujeito a acelerações estáticas equivalentes nos sentidos positivos e negativos das três direções cartesianas (X, Y e Z). 2. Para esta verificação foram definidas seis análises estáticas equivalentes, que consistem em simulações do comportamento do E.C. quando este está sujeito a valores máximos de aceleração, que são provenientes dos espectros de resposta para o núcleo do R.M.B., apresentados no APÊNDICE A. Estes valores de aceleração máxima, mostrados abaixo, foram obtidos através da multiplicação dos valores máximos de aceleração para cada direção cartesiana (considerando 2% de amortecimento), por um fator de carregamento quase estático igual a 1,5. 3. Como resultados, para todas as análises, são apresentados: a) Os valores máximos de tensão, em termos de Stress Intensity (critério de Tresca) para o E.C. completo. b) Os valores máximos de deslocamento total para o E.C. c) Os valores máximos de deslocamento direcional (em termos de X, Y e Z) para o E.C. 4. Com estes resultados, será possível responder a seguinte pergunta: • Para uma dada direção cartesiana, existem diferenças nos valores dos resultados quando é aplicado o mesmo valor máximo de aceleração direcional em sentido contrário? Em outras palavras, quando o E.C. estiver sujeito a um dado valor direcional de aceleração, em ambos os sentidos de um eixo cartesiano, o valor dos resultados será o mesmo? 5. A importância desta verificação está no fato de, no futuro, se fazer necessária a aplicação das acelerações direcionais, apresentadas anteriormente, em conjunto com outros carregamentos, para que seja possível analisar o E.C. quando sujeito a uma condição sísmica completa. Sendo assim, saber se há diferenças nos valores resultantes quando se aplicam os valores direcionais das acelerações citados anteriormente, em diferentes sentidos, é fundamental para uma futura análise sísmica coerente. 6. No presente documento são utilizadas as unidades, múltiplos e submúltiplos do Sistema Internacional de Unidades (SI), sem exceções. 7. No presente documento é adotado um sistema cartesiano de coordenadas, no qual os eixos horizontais são denominados como X e Z, e o eixo vertical é denominado como Y.
Determinação das características dinâmicas básicas do elemento combustível do RMB - Análise Modal
2020 - SANTOS, MARCELO M. dos; MATTAR NETO, MIGUEL
1. O escopo deste documento corresponde à determinação das características dinâmicas básicas intrínsecas às características estruturais do Elemento Combustível do Reator Multipropósito Brasileiro (R.M.B.), apresentado nas referências [1], [2] e [3]. Nominalmente, estas características são as frequências naturais e os modos de vibração do E.C. 2. A determinação destas características é feita através de duas análises modais. Na primeira análise têm-se o E.C. unicamente. Na segunda análise, além do E.C., considera-se também a massa proveniente do fluido refrigerante que preenche todos os espaços vazios do E.C. (4,46 Kg). Estas duas análises são caracterizadas da seguinte maneira: ➢ ANÁLISE M1: Análise Modal sem a presença do fluído refrigerante. ➢ ANÁLISE M2: Análise Modal com a presença do fluído refrigerante. 3. A determinação dos modos de vibração e das frequências naturais do E.C. pode servir como ponto de partida para uma futura análise sísmica (espectro de resposta). 4. No presente documento são utilizadas as unidades, múltiplos e submúltiplos do Sistema Internacional de Unidades (SI), sem exceções. 5. No presente documento é adotado um sistema cartesiano de coordenadas, no qual os eixos horizontais são denominados como X e Z, e o eixo vertical é denominado como Y.
Structural integrity analysis of the heavy water reflector tanks of the IPEN/MB-01 Reactor
2019 - FAINER, GERSON; FALOPPA, ALTAIR A.; OLIVEIRA, CARLOS A. de; JUNQUEIRA, FERNANDO C.; FIGUEIREDO, CAROLINA D.R.; SANTOS, MARCELO M. dos; CARVALHO, DANIEL S.M.; MATTAR NETO, MIGUEL
The IPEN/MB-01 is a zero power research reactor designed and built by IPEN in partnership with the Brazilian Navy. This reactor is located in IPEN and began operating in 1988. IPEN/MB-01 has been used as an experimental facility for studies on neutron parameters of nuclear reactors moderated by light water. In 2016, a project to modify the core structure of IPEN/MB-01 Reactor was initiated. This project aims the replacement of the rod-type fuel structure for a plate-type one. In order to optimize the performance of the experiments, four tanks filled with D2O were installed around the core. This new core will contain fuel elements that are similar to the ones that will be used in the Brazilian Multipurpose Reactor. In this paper, a complete structural integrity analysis of the four heavy water reflector tanks installed in IPEN/MB-01 Reactor is presented. A numerical analysis was performed applying the finite element method, using ANSYS software and considering ASME Code VIII, division 2.
Preliminar mechanical evaluation of the structure of a nuclear plate-type fuel element
2019 - SANTOS, MARCELO M. dos; MATTAR NETO, MIGUEL; MANTECON, JAVIER G.
The improvement in the efficiency and safety aspects of compact nuclear reactors is directly linked to innovations in fuels and in the geometry of fuel elements (F.E), as is the case of plate-type fuel elements. From the mechanical viewpoint, to ensure that the structure of a fuel element is safe to operate in a compact PWR reactor is important to confirm that it meets the functional design requirements for structures of this type and application, present in ANSI/ANS-57.5-1996 and, also, that the stresses resulting from the loads imposed are less than the permissible mechanical limits for their structural materials, in accordance with ASME III, division 1, subsection NB. In order to develop a methodology of mechanical analysis to verify compliance with the criteria of the cited standards, a numerical model of a plate-type fuel element was developed, taking into consideration the main active loads admitted from the full power operation event belonging to the normal operating condition of a compact PWR type nuclear reactor. The results of the analyses demonstrated that the fuel element designed did not show signs of mechanical failure with respect to the modes of plastic collapse and excess of mechanical deformation.
Avaliação estrutural de um elemento combustível do tipo placa para um reator nuclear compacto
2019 - SANTOS, MARCELO M. dos
A melhoria nos aspectos de eficiência e de segurança dos reatores nucleares compactos está diretamente ligada às inovações nos combustíveis e na geometria dos Elementos Combustíveis - ou E.C. - como é o caso do tipo Placa, em comparação com o do tipo Vareta. Do ponto de vista mecânico, garantir que a estrutura de um E.C. está segura para funcionar em um reator PWR compacto é afirmar que esta cumpre os requisitos funcionais de projeto para estruturas deste tipo e aplicação, presentes na norma ANSI/ANS-57.5-1996; e também que as tensões resultantes dos carregamentos impostos sobre si são menores do que os limites mecânicos admissíveis para os seus materiais estruturais, de acordo com a norma ASME III, divisão 1, subseção NB. Para desenvolver uma metodologia de análise mecânica buscando verificar o atendimento aos critérios das normas citadas, foi proposto um modelo conceitual computacional de E.C. placa e, posteriormente, este modelo foi submetido a uma série de análises computacionais que simularam a aplicação das combinações dos principais carregamentos atuantes. Os resultados extraídos das análises revelaram que os valores das tensões resultantes da aplicação dos carregamentos foram inferiores aos valores dos limites admissíveis dos materiais que compõem os seus componentes. Foi observado, também, que os deslocamentos resultantes não ultrapassaram os limites funcionais, que são o contato entre estruturas semelhantes vizinhas e/ou o contato da região superior desta estrutura com as estruturas de suporte do vaso de pressão que o contém.