Yakıt pimi demetlerindeki akış kaynaklı titreşim (FIV) nükleer reaktör tasarımı ve güvenliği açısından kritik öneme sahiptir. Bu titreşimlerin anlaşılması, reaktör performansının optimize edilmesine ve nükleer yakıt tertibatlarının bütünlüğünün sağlanmasına yardımcı olur. ISE ve İtalyan Ulusal Enerji Ajansı ENEA, FIV’lerin bir prototip nükleer çekirdek üzerindeki etkisini araştırdı. Yüksek sıcaklıklarda sıvı kurşun akışı yoluyla titreşimleri indüklediler. Dewesoft, 24 gerinim ölçerden titreşim verilerini almak, sayısallaştırmak ve işlemek için donanım ve yazılım sağladı.
Yakıt demeti olarak da bilinen nükleer pim demeti, bir nükleer reaktörün çekirdeği içinde belirli bir konfigürasyonda düzenlenmiş bir nükleer yakıt çubuğu topluluğudur. Her bir nükleer yakıt çubuğu tipik olarak zirkonyum alaşımı gibi bir malzemeden yapılmış ve nükleer yakıt peletleriyle doldurulmuş uzun, ince bir tüpten oluşur. Bu peletler genellikle zenginleştirilmiş uranyum veya plütonyum bileşiklerinden oluşur.
Nükleer pim demeti bir nükleer reaktörün çalışmasında çok önemli bir rol oynar. Reaktörün çalışması sırasında, yakıt topakları içindeki fisyon ısı üretir. Bu ısı, elektrik üretmek için türbinleri çalıştıran buhar üretebilir. Reaktör çekirdeği içindeki yakıt demetlerinin konfigürasyonu ve düzeni, verimli ısı transferini kolaylaştırır, reaktör stabilitesini korur ve nükleer reaksiyonu kontrol eder.
Akış kaynaklı titreşim (FIV), bir yapıdan geçen sıvı akışının o yapıda titreşimlere neden olduğu olguyu ifade eder. Bu titreşimler boru hatları, ısı eşanjörleri veya nükleer reaktör bileşenleri gibi çeşitli mühendislik sistemlerinde meydana gelebilir.
FIV, akışkan akışının kararsız doğası, türbülans, akışkan-yapı etkileşimi etkileri ve rezonans olayları gibi çeşitli faktörler nedeniyle ortaya çıkabilir. Akışkan akış frekansı yapının doğal frekansıyla eşleştiğinde, rezonans meydana gelebilir ve potansiyel olarak zarar verici titreşimlere yol açabilir.
Deneysel kurulum
FIV’nin anlaşılması ve hafifletilmesi, sönümleme mekanizmaları, yapının geometrisinin değiştirilmesi veya titreşim izolasyon tekniklerinin kullanılması gibi uygun tasarım stratejilerinin kullanılmasını içerebilir. Mühendisler, mühendislik uygulamalarında FIV davranışını analiz etmek ve tahmin etmek için genellikle hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) simülasyonlarını ve deneysel testleri kullanırlar.
FIV’ler, yakıt pimi demetlerini kullanan nükleer reaktörlerin prototip ve montajında önemli bir endişe kaynağıdır. Soğutma sıvısı reaktör çekirdeği içindeki yakıt pimlerinin etrafında akarken, yapısal bileşenlerde titreşimlere neden olabilir. Bu titreşimler yorulma arızası, aşınma ve reaktör çekirdeğinde potansiyel hasar gibi çeşitli sorunlara yol açabilir. FIV’lerin anlaşılması ve azaltılması, güvenlik ve verimliliğin sağlanması için gerekli olan reaktör tasarım ve işletim unsurlarıdır.
550°C’ye varan sıcaklıkta sıvı kurşun akışının titreşimlere neden olduğu bir prototip nükleer çekirdek üzerinde FIV’leri izlemek için bir deney tasarlandı. Prototipin çekirdek kısmı, 37 pimden oluşan altıgen bir demet içeren bir test bölümünden oluşmaktadır. Her bir pim, nükleer itici gaz varlığını simüle eden delikli tungsten karbür peletlerle dolu 1,7 m uzunluğunda içi boş silindirik bir tüptür.
Aşağıdaki şekilde gösterilen test bölümü ayrıca test bölümünü kurşun pompalama sistemine bağlayan bağlantı flanşlarını da içermektedir. Test bölümünün üst kısmındaki bir ördek boynu, enstrümantasyon kablolarının kurşun dolu kısımdan çıkmasını ve veri toplama sistemine (DAQ) bağlanmasını sağlar.
İzleme sistemi tasarımı
Ölçüm sistemi, test bölümüne uygun şekilde yerleştirilmiş gerinim ölçerlerden gelen ham bir sinyal kullanarak pim yer değiştirmesinin genliklerini ve frekanslarını izlemekti. Ve ölçüm zincirini karakterize eden belirsizliği değerlendirmesi sağlamak için. Aşağıdakilerden oluşan bir sistem uyguladı:
24x KYOWA KHC – sıcaklığa dayanıklı gerinim ölçerler.
3x Dewesoft SIRIUSie-8xSTGM 8 kanallı veri toplama sistemleri.
KRYPTON CPU, taşınabilir, sağlam IP67 veri kaydedici ve veri işleme bilgisayarı.
Sinyal filtreleme, veri işleme ve görselleştirme için DewesoftX veri toplama yazılımı.
Deney çok zorlu koşullar sunmaktadır: izleme sistemi yüksek sıcaklık ve basınca, aşındırıcı bir ortama (akan sıvı kurşun) dayanmalı ve sensörler sınırlı bir alana kurulmalıdır. İvmeölçerler gibi titreşim izlemede yaygın olarak kullanılan dönüştürücüler aşırı ortamlar için uygun değildir, bu nedenle ince, sıcaklığa dayanıklı KYOWA KHC gerinim ölçerleri seçildi. Gerinim ölçerler pimlerin üzerine nokta kaynağı ile yerleştirildi.
Şekilde gösterildiği gibi FIV modlarını yakalamak için 24 gerinim ölçeri her pim için iki gerinim ölçer üçlüsü olmak üzere dört pime yerleştirildi. Her bir izleme noktasını, pim salınımlarının optimum genlik ve yön ölçümlerini elde etmek için seçildi.
Dewesoft 8 kanallı SIRIUSie-8xSTGM veri toplama sistemini 24 gerinim ölçer sensöründen sinyal almak ve işlemek için en iyi çözüm olarak belirledik. SIRIUS DAQ, yüksek çözünürlükte (24 bit delta-sigma) ve sinyal-gürültü oranında (100 kHz bant genişliğinde 95 dB gürültü tabanı ile) ölçümlere izin verirken, kanallar arasında mükemmel veri senkronizasyonunu korurken üç cihazın istiflenmesine izin veren modüler bir sistem sağlar.
EtherCAT® arayüzü, PC ile bağlantıyı basitleştirir. I7 işlemcili ve 16 GB RAM’li fansız bir Intel NUC endüstriyel PC seçtik. Çözümü aşağıdaki şekilde görebilirsiniz.
Her bir sinyali filtrelemek, verileri işlemek ve özel bir gösterge tablosunda görselleştirmek için birlikte verilen DewesoftX veri toplama yazılımı kullanıldı. Veriler 5 kHz örnekleme hızında toplandı, ardından 30 Hz’de düşük geçişli bir filtre uygulanarak ve sonucu 0,01 saniyelik pencerelerde ortalama alarak gürültü azalrıldı.
Son olarak, elde edilen sinyalleri doğrudan DewesoftX yazılımına dahil edilen iki özel C++ komut dosyası ile detaylandırıldı.
İlk komut dosyası, her izleme noktasında pimin bükülme yönünü ve eğrilik yarıçapını hesaplar. İkinci bir komut dosyası, pimin enine yöndeki toplam sapmasını hesaplamak için bu bilgileri kullanır. Bu nedenle, ortaya çıkan izleme sistemi, her bir pimin enine sapmasının gerçek zamanlı bir izleyicisidir.
Deney
İzleme sistemini test etmek için, nükleer pimlerdeki SG’ler gibi üçlü konfigürasyonda düzenlenmiş üç SG ile enstrümante edilmiş bir alüminyum tüpten oluşan basitleştirilmiş bir test tezgahı oluşturuldu. Tüpün ilk titreşim modunu yakalamak için SG’leri tüp uzunluğunun yarısında kapatıldı.
SG sinyallerini bir Dewesoft KRYPTON® 3xSTG kullanarak elde edildi ve son kurulum için geliştirilen aynı C++ komut dosyalarını kullanarak pim enine sapma genliği ekstrapole edildi. Daha sonra çıktıyı analog bir doğrusal yer değiştirme dönüştürücüsünden alınan ölçümle karşılaştırıldı. Deneysel sonuçlar ile beklenen sonuçlar arasında güçlü bir uyum vardı. Aşağıdaki şekilde test tezgahını görebilirsiniz.
Aşağıdaki şekilde, DewesoftX gösterge panelinin test tezgahında gerçekleştirilen bir çarpma testini kaydettiğini göstermektedir. İzleme sistemi tüpün salınımlarını yakalamaktadır. Yazılım, SG üçlüsünden gelen ham sinyalleri detaylandırır ve bunları x-y ekseninde bir sapmaya dönüştürür.
Daha sonra Dewesoft SIRIUSie-8xSTGM veri toplama sistemi kullanarak test bölümünün yakıt pimleri üzerindeki izleme sistemleri test edildi. Bir kez daha, doğru yön ve bükülme genliği rekonstrüksiyonunu doğrulamak için çarpma testleri yapıldı ve tutarlı sonuçlar bulundu. DewesoftX kullanarak, her bir gerinim ölçer üçlüsü tarafından ölçülen sinyalleri, toplam sapmayı ve x-y eksenindeki pim sapmasının grafiksel bir gösterimini içeren nihai bir gösterge tablosu geliştirildi. Aşağıdaki şekilde bir yakıt pimi üzerinde yapılan çarpma testi sırasında gösterge panelinin video kaydı gösterilmektedir.
Dört pimi gerinim ölçerlerle enstrümante edilmiş 37 pimden oluşan pim demeti monte edildi. İlk şekilde son montajı görebilirsiniz.
Sensörlerin test bölümünü yerçekimiyle büken hareketi algılayabildiğini bir kez daha doğrulandı. İkinci testi, daha sonra kurşun akışı deneyi için kurulan aynı bilgisayar kullanılarak gerçekleştirildi. Tüm bu testlerin oda sıcaklığında yapıldığına dikkat etmek önemlidir.
Sonuç
Sıvı kurşun ile yapılan gerçek deney henüz tamamlanmamıştır. Ancak bu makalede, 37 pimden oluşan bir demete sahip bir test bölümünden oluşan bir nükleer çekirdek prototipinin gerçekleştirilmesini sunuyoruz. Bu pimlerden dördünü, akış kaynaklı titreşimleri izlemek ve pimlerin enine sapmasını ölçmek için her biri altı adet sıcaklığa dayanıklı gerinim ölçer ile enstrümante edildi.
Özelleştirme, doğruluk, çözünürlük ve kararlılık avantajları nedeniyle veri toplama için Dewesoft SIRIUS DAQ cihazı kullanıldı. DewesoftX yazılım çerçevesinin yeteneklerini, ölçülen gerinim ölçerlerden pim sapmasını hesaplamak için C++ komut dosyalarıyla genişletildi ve işlenen verileri özel bir DewesoftX gösterge tablosunda görselleştirildi.
Sistem basitleştirilmiş bir test tezgahı ve test bölümü pimleri üzerinde test edildi ve deneysel gereksinimleri karşıladığı doğrulandı. Son olarak, pim deformasyonunu ölçerek titreşim genliğini yaklaşık %10’luk makul bir belirsizlikle elde edilebileceği doğrulandı..
Ölçülen ve analiz edilen bu sonuçlar 2023 IEEE Uluslararası Endüstri 4.0 ve IoT için Metroloji Çalıştayı’nda sunulmuş ve yayınlanmıştır.