diseño de los limitadores de impacto de un bulto tipo

39ª Reunión Anual de la SNE Reus (Tarragona) España, 25-27 septiembre 2013

Diseño de los Limitadores de impacto de un Bulto Tipo B(U). Ensayos de

Caída y validación del Modelo Analítico

David Garrido Quevedo Equipos Nucleares, S.A (Ensa)

[email protected]

Resumen – En el diseño de un contenedor para transporte de combustible gastado, los limitadores de impacto son parte fundamental para el cumplimiento de los requisitos normativos.

El objetivo es confirmar mediante ensayos reales que el diseño y los resultados obtenidos mediante simulación se ajustan a la realidad con un alto grado de confianza. Ensa realizó los ensayos de caída con un modelo a escala 1/3 del contenedor y limitadores de impacto (ENUN 32P). Mediante equipos sofisticados se miden las aceleraciones y deformaciones, que posteriormente se comparan con los resultados analíticos. Los modelos analíticos sirven, además, para verificar otras orientaciones que puedan causar mayor daño.

La combinación de ensayos sobre modelos a escala y la validación de los métodos de cálculo son herramientas necesarias para el diseño de los limitadores de impacto de un contenedor de transporte de combustible gastado.

1. INTRODUCCIÓN

El diseño de los Limitadores de Impacto es parte fundamental en el diseño de un contenedor de transporte de combustible nuclear gastado, ya que deberá asegurar el cumplimiento de los requisitos impuestos por la normativa aplicable (ADR, RID, OIEA,…), como son por ejemplo las caídas en condiciones normales de transporte (CNT) desde 0.3 metros y las mas restrictivas, en condición de accidente (CA), desde 9 metros.

Los criterios de aceptación que suelen emplearse para validar el diseño después de las condiciones impuestas tras las caídas son básicamente tres:

1. mantener el confinamiento del material radiactivo

2. no superar un valor límite de la fuerza de deceleración durante el impacto establecido en base a la máxima fuerza de deceleración que es capaz de soportar el elemento combustible y

3. mantener los limitadores de impacto sujetos al contenedor después del impacto

En relación a los métodos de ensayo y demostración de cumplimiento con la normativa aplicable, podemos referirnos al apartado 6.4.12.1 del ADR 2013 [1], en el que se lee literalmente lo siguiente:

“Se podrá probar el cumplimiento de las normas de características técnicas enunciadas en 2.2.x a 2.2.x por uno de los medios indicados a continuación o por una combinación de estos medios:

1. Sometimiento a los ensayos de prototipos o muestras del embalaje, en cuyo caso el contenido del espécimen o del embalaje utilizado para los ensayos deberá simular, de la mejor manera posible el grado previsto del contenido radiactivo, y preparando la muestra o el embalaje sometido a los ensayos tal como normalmente se presenta para el transporte.


2. Haciendo referencia a ensayos anteriores satisfactorios de naturaleza suficientemente comparable.

3. Sometiendo a ensayos modelos a escala conveniente que incorporen las características importantes del artículo considerado cuando se deduzca de la experiencia tecnológica que los resultados de los ensayos de esta naturaleza son utilizables a efectos del estudio del embalaje. Si se utiliza un modelo a escala, habrá que tener en cuenta las necesidades de ajustar determinados parámetros de los ensayos, como por ejemplo el diámetro del penetrador o la carga de compresión y a la altura de caída.

4. Recurriendo al cálculo o razonamiento lógico cuando esté admitido de manera general que los parámetros y métodos de cálculo son fiables o conservadores.”

Con estas cuatro posibilidades, queda a criterio del diseñador (y con el visto bueno de la autoridad nuclear competente) la elección de la metodología que deberá emplearse en los métodos de ensayo y demostración de cumplimiento. A modo de guía, se listan a continuación algunos puntos de vista que pueden servir para tomar la decisión adecuada:

1. Uso de un prototipo a escala 1:1. El uso de este método de ensayo tiene, naturalmente, ventajas e inconvenientes. Entre las ventajas, podemos mencionar que no se requiere la aplicación de las leyes de escala (Teorema de Pi o Vaschy-Buckingham [2]). Por el contrario, entre los inconvenientes, podríamos citar el excesivo coste del prototipo y del propio ensayo, así como la dificultad de encontrar un emplazamiento adecuado para bultos de aproximadamente 140 toneladas, considerando que la superficie de impacto o blanco deberá representar, tal y como lo indica la normativa, a una superficie rígida e indeformable.

2. Referencia a ensayos anteriores. Esta alternativa es aceptable siempre y cuando se aplique para diseños validados previamente sobre bultos de tipología y materiales similares, y en donde los cambios sobre dicha geometría y materiales sean mínimos y no afecten a la respuesta o comportamiento de dicho bulto.

3. Modelos a escala. En este caso, las ventajas e inconvenientes son básicamente las contrarias a la utilización de un prototipo (escala 1:1). Por lo tanto, como ventajas, podríamos indicar el menor coste asociado al modelo a escala y a la realización de los ensayos, así como mayores posibilidades de localización de un emplazamiento para llevar a cabo los ensayos. Por el contrario, entre los inconvenientes encontraríamos la necesidad de aplicar las leyes de escala, así como la necesidad de valorar las diferencias dimensionales y de detalle derivadas de la fabricación entre un prototipo y su modelo a escala. Es importante indicar, que las leyes de escala pierden efectividad cuanto menor sea el tamaño del modelo (escala de 1/4, 1/6, 1/8, etc.). Por esta razón, se recomienda el uso de modelos a escala a 1:3, dado el buen equilibrio entre coste y resultados.

4. Cálculo o razonamiento lógico. Esta alternativa es aceptable con modelos de cálculo validados mediante ensayos previos o en aquellos casos en que la realización de un ensayo (opciones 1 y 3) no sean posibles. El cálculo o


razonamiento lógico es una alternativa por tanto que deberá basarse en referencias a ensayos satisfactorios anteriores.

2. DEFINICIÓN DEL CONTENEDOR ENUN 32P Y SUS LIMITADORES DE

IMPACTO

En los siguientes sub-apartados se describe brevemente el contenedor ENUN 32P objeto de los ensayos, así como los limitadores de impacto, estableciéndose los requisitos de diseño para los mismos.

2.1. Contenedor de Combustible Gastado ENUN 32P

El contenedor ENUN 32P (ENsa UNiversal) con capacidad de albergar 32 elementos combustibles tipo PWR de un reactor de agua ligera a presión (ver Figura 1), está formado por un cuerpo de acero al carbono de baja aleación que define la barrera de contención, rodeado con una material basado en resina con función de blindaje neutrónico y aletas de aluminio para la disipación de la potencia térmica residual generada en el interior del contenedor. Rodeando y confinando a estos últimos se tiene una virola de acero al carbono recubierta de una pintura resistente a la corrosión y de fácil descontaminación (ver Figura 2). El contenedor mantiene el contenido sellado mediante dos tapas de acero al carbono (ver Figura 2) fijadas con pernos de alta resistencia. El bastidor, parte interna del contenedor, donde se alojan los elementos combustibles, está formado por una estructura de acero inoxidable y aluminio (ver Figura 2).

Figura 1. Contenedor ENUN 32P


Figura 2. Cuerpo, Bastidor y Tapas del Contenedor ENUN 32P

El contenedor ENUN 32P tiene un peso total sin limitadores de impacto y cargado con los 32 elementos combustibles de aproximadamente 120 t. Este dato es uno de los datos de partida para el diseño de los limitadores de impacto.

2.2. Limitadores de Impacto. Requisitos y Diseño

Se han impuesto dos limitaciones como requisitos principales para el diseño de los limitadores de impacto del contenedor ENUN 32P. Por un lado se establece una fuerza de deceleración límite en el centro de gravedad del bulto durante el impacto de 60 G’s. Este valor, de referencia y de gran tradición corresponde a la fuerza de deceleración que puede soportar un elemento combustible tipo PWR sin que sufra un daño lo suficientemente grande como para que pueda ser extraído del contenedor en caso de un hipotético accidente de caída. Por otro lado, se impone un máximo diámetro exterior al limitador de impacto de 3.8 metros, basado en los datos disponibles de las plataformas o góndolas de transporte.

El diseño que se propone para los limitadores, con el objeto de cumplir los requisitos mencionados anteriormente, así como el cumplimiento con los requisitos de la normativa aplicable, consta de una carcasa exterior de acero inoxidable y una interior, en contacto con le contenedor, de acero al carbono. En su interior se aloja el material que servirá para absorber las fuerzas de deceleración durante la caída (ver Figura 3). Debido a la elevada carga térmica del contenedor y la fuerte dependencia de algunos de estos materiales frente a la temperatura, Ensa opta por un diseño híbrido, en donde la zona del limitador en contacto con el cuerpo del contenedor es mas caliente se coloca como material para absorber el impacto una estructura tipo panal de abeja de aluminio (ver Figura 4), cuyas propiedades de aplastamiento son poco sensibles a la temperatura. El resto del limitador,


lejos de las zonas calientes, se rellena con espuma de poliuretano (ver Figura 4), ya que este material tiene propiedades de aplastamiento considerablemente sensibles con la temperatura.

Figura 3. Limitadores de Impacto del Contenedor ENUN 32P

Figura 4. Materiales para la absorción del Impacto: a) Espuma de poliuretano

(arriba); b) Estructura de panal de abeja de aluminio (abajo)

Espuma de Poliuretano

Estructura de Panal de Abeja

de Aluminio


Por último se muestra como ejemplo en la Figura 5, la configuración de transporte (carretera) del contendedor ENUN 32P con los limitadores de impacto, cuna de transporte y barrera de personal.

Figura 5. Configuración del Contenedor ENUN 32P en la modalidad de Transporte

3. ENSAYOS DE CAÍDA SOBRE EL MODELO ESCALA 1/3

En el caso del contenedor ENUN 32P, la metodología seleccionada para la demostración del cumplimiento de los requisitos de la normativa, es mediante la realización de los ensayos sobre un modelo a escala 1/3. El modelo a escala 1/3, tanto del contenedor como de los limitadores de impacto, reproduce de forma casi exacta el prototipo a escala real, con pequeñas excepciones derivadas del escalado y de las dificultades relacionadas con la fabricación. En las Figuras 6 y 7 pueden verse el modelo escala 1/3 del contenedor y limitadores de impacto, respectivamente, fabricados en las instalaciones de Ensa (Maliaño - Cantabria) para la realización de los ensayos.

Figura 6. Modelo a escala 1/3 del Contenedor ENUN 32P


Figura 7. Modelo a escala 1/3 del Limitador de Impacto

Debido a la dependencia con la temperatura de los materiales y con objeto de validar el modelo analítico se realizan los ensayos en condición de “frío” y “caliente”. Estas condiciones de temperatura cumplen, además, con los requisitos de diseño especificados en la normativa aplicable. Por otro lado, es interesante señalar que la condición en “frío” ocasiona niveles de fuerza de deceleración mayor y menor deformación, mientras que la condición en “caliente” ocasiona fuerzas menores y mayores deformaciones.

3.1. Resultados de los Ensayos y Validación de la Metodología de Cálculo

Se realizaron los ensayos en diferentes orientaciones de caída, con el objeto de verificar el máximo daño producido en las distintas caídas. Las orientaciones fueron las siguientes:

1. Horizontal desde 0.3 metros (CNT) y 9 metros (CA)

2. Vertical desde 9 metros (CA)

3. Rebote desde 9 metros (CA)

4. Esquina sobre c.d.g desde 9 metros (CA)

Con el único objetivo de validar la metodología de cálculo (hipótesis de cálculo, condiciones de contorno, propiedades de materiales, etc.), se realizan cálculos mediante el método de elementos finitos con integración explícita del modelo a escala 1/3 reproduciendo el escenario de cada ensayo de caída. De esta forma, la comparación de resultados será aún más aproximada.

A continuación (Figuras 8 a 12) se presentan los resultados de algunas de las diferentes caídas, comparando los resultados de los ensayos sobre el modelo escala 1/3 frente a los resultados del cálculo analítico del modelo escala 1/3 [3]. En los resultados puede observarse las curvas (historia) de las fuerzas de deceleración frente el tiempo (duración del impacto), así como las deformaciones en los limitadores de impacto después del mismo.


Figura 8. Ensayo de Caída Horizontal en frío desde 9 metros. a) Resultados del

ensayo sobre modelo a escala (izquierda arriba y abajo); b) Resultados del

cálculo analítico del modelo a escala 1/3 (derecha arriba y abajo)

Figura 9. Ensayo de Caída Vertical en frío desde 9 metros. a) Resultados del



140 150

0.025 0.025

0.030 0.030

108

108


Figura 10. Ensayo de Caída con Rebote en frío desde 9 metros. a) Resultados del



Figura 12. Ensayo de Caída sobre CDG en caliente desde 9 metros. a) Resultados

del ensayo sobre modelo a escala (izquierda arriba y abajo); b) Resultados del


75

180

0.050

75

75

200

0.050

0.040

0.045 0.050

65

65


Tras un análisis exhaustivo de los resultados de ambas metodologías, se puede confirmar la excelente correlación entre los resultados de los ensayos de caída (frío y caliente) sobre el modelo escala a 1/3 y sus correspondientes cálculos analíticos. En la comparación de resultados se han utilizado los siguientes parámetros:

1. Historia de aceleraciones durante el impacto

2. Estado deformacional de los limitadores de impacto

Por lo indicado anteriormente, podemos concluir que existe un alto nivel de confianza de la metodología empleada en los cálculos.

En relación a la demostración del cumplimiento de los requisitos de la normativa, podemos igualmente asegurar que, en base a los resultados de los ensayos sobre el modelo escala 1/3, se garantiza el confinamiento (verificado mediante pruebas de fugas) del contenido, fuerzas de deceleración en el impacto menores de la establecida como valor límite y se confirma que los limitadores de impacto permanecen unidos al contenedor después del impacto, ya que las tensiones de todos los pernos de amarre se encuentran por debajo del límite elástico del material de los mismos (ver Figura 13).

Figura 12. Tensión en los Pernos de Amarre de los Limitadores de Impacto del

Modelo Analítico a Escala 1/3 en la Caída Horizontal en Frío desde 9 metros


3.2. Aplicación de la Metodología de Cálculo para los Cálculos de Licenciamiento del contenedor ENUN 32P a Escala Real

Aplicando la metodología de cálculo validada con los ensayos y análisis sobre el modelo escala 1/3, se realizan los cálculos normativos para el licenciamiento del contenedor ENUN 32P sobre un modelo de elementos finitos a escala real. Los cálculos consideran, de la misma forma, tanto las condiciones de temperatura “frío” y caliente”, como las condiciones envolventes de fabricación del material que absorbe el impacto (tolerancias en las propiedades de aplastamiento debido a su proceso de fabricación). Se consideran también las incertidumbres respecto al comportamiento de fricción entre el material que absorbe el impacto y la carcasa del acero inoxidable o al carbono del limitador.

Las aceleraciones obtenidas en el modelo a escala real, serán un tercio de las obtenidas en los ensayos y cálculos sobre el modelo a escala 1/3, tal y como se obtiene de la aplicación de las leyes de escala.

Las Figuras 14 a 18 muestran los resultados obtenidos en algunos de los cálculos realizados [3].

Figura 14. Caída Horizontal en Frío desde 9 metros.

54

0.065


Figura 15. a) Caída con Rebote en Frío (máxima aceleración) desde 9 metros

(arriba); b) Estudio de Sensibilidad para Diferentes Ángulos de Rebote

Figura 16. Caída con Rebote en Caliente (máxima deformación) desde 9 metros

23

41

0.14

28

65

0.14

Estudio de sensibilidad para diferentes ángulos de rebote


Figura 17. Caída sobre CDG en Caliente (máxima deformación) desde 9 metros

Figura 18. Tensión en los Pernos de Amarre de los Limitadores de Impacto del

Modelo Analítico a Escala Real en la Caída Horizontal en Frío desde 9 metros

0.15

23


De los resultados mostrados anteriormente, puede comprobarse que las fuerzas de deceleración en todas las diferentes caídas y en ambas condiciones “frío” y “caliente”, están por debajo del valor límite establecido de 60 G’s. De la misma forma, se comprueba que los valores de las tensiones en los pernos durante las caídas están por debajo del límite elástico del material de los mismos, hecho por el cual, se confirma que los limitadores de impacto permanecerán unidos al contenedor durante y después del impacto.

3.3. Estudio de Sensibilidad con Diferentes Orientaciones de Caídas

Tal y como indica la normativa aplicable, se deberá demostrar el cumplimiento de los requisitos para aquel accidente que produzca el mayor daño posible al bulto. Por esta razón, es de suma importancia la realización de un estudio de sensibilidad con otras orientaciones diferentes a las normativas que puedan originar el máximo daño al bulto. Naturalmente, debido a la infinidad de posibles orientaciones, el buen criterio ingenieril del diseñador es la única herramienta que puede predecir de antemano una orientación que genere un daño mayor.

Como ejemplo, se presenta a continuación la experiencia de Ensa [4] en el diseño de los limitadores de impacto del contenedor ENUN 32P, donde en la fase preliminar del diseño de los limitadores de impacto se optó por una geometría como la que se muestra en la Figura 19.

Figura 19. Diseño Original de los Limitadores de Impacto


El diseño original cumplía perfectamente los requisitos en todas las orientaciones que tradicionalmente se admiten en la normativa, horizontal, rebote, vertical y en esquina sobre el centro de gravedad.

Dada la geometría se decide, con buen criterio, orientar el contenedor en la dirección en la que el material que absorbe el impacto en una caída en esquina tiene la distancia mas corta (aproximadamente 45º). La sorpresa es que en esta orientación y en condición “caliente” se supera el límite aceptable de fuerzas de deceleración de 60 G’s, obteniéndose un valor máximo del orden de 100 G’s, ya que el material se agota completamente, produciéndose un pico de aceleración (ver Figura 20).

Figura 20. Deformación y Agotamiento del Material que Absorbe el Impacto

Con este resultado, es necesario cambiar el diseño del limitador, modificando la geometría de forma que se aumente el espesor del material en esta orientación (diseño definitivo). Con esta nueva geometría se obtiene un resultado satisfactorio como muestra la Figura 21.

Figura 21. Deformación y Agotamiento del Material que Absorbe el Impacto

17

0.15


4. CONCLUSIONES

De la experiencia en el diseño de contenedores de transporte de combustible nuclear gastado y mas concretamente para el diseño de los limitadores de impacto, se pone de manifiesto la importancia de validar una metodología de cálculo en base a la realización de ensayos sobre modelos a escala o prototipos. La decisión de la utilización de un prototipo a escala real o un modelo a escala será decisión del diseñador en función de una serie de variables que deberán ser cuidadosamente evaluadas. Se recomienda mantener a la Autoridad Nuclear Reguladora del país donde se pretende licenciar el bulto al corriente del plan de ensayos y el planteamiento de la metodología a seguir, con el objetivo de estar ambas partes de acuerdo en el proceso global.

De esta misma experiencia, se demuestra la necesidad de aplicar la misma metodología para los cálculos de licenciamiento, permitiéndose únicamente cambios menores para un nuevo diseño si es decisión del diseñar basar su demostración del cumplimiento con la normativa en ensayos satisfactorios anteriores o en cálculos o razonamientos lógicos. Los cambios que se consideran menores en el nuevo diseño, deberán ser aquellos que no comprometan ninguna de las variables básicas de la metodología, tales como la tensión de aplastamiento y densidad de los materiales que absorben la energía del impacto o un cambio significativo en la geometría básica del limitador.

Por último, se recomienda realizar estudios de sensibilidad con diferentes orientaciones de caída en la fase preliminar del diseño, que a juicio del diseñador, puedan causar un daño mayor que las caídas normativas tradicionales. Una vez demostrado que el diseño definitivo cumple todos los requisitos y que no existen orientaciones que generen un daño mayor, deberán considerarse todas las posibles orientaciones en los cálculos para el licenciamiento del bulto y cumplimiento con los requisitos de la normativa aplicable.

AGRADECIMIENTOS

Quisiera agradecer de manera especial al grupo de Diseño y Ensayos de Sandia National Laboratories (SNL), los señores, David C. Harding, Douglas J. Ammerman y David R. Miller.

También quisiera agradecer a todos mis compañeros del área de Cálculo y Diseño, a Alfonso Álvarez Miranda por su gran apoyo en todo momento y a Rafael González Garmendia, cuya colaboración ha sido fundamental durante el diseño y los ensayos de caída en los laboratorios de Sandia (Albuquerque, NM, EEUU).

REFERENCIAS

[1] ADR 2013, Acuerdo europeo sobre transporte internacional de mercancías peligrosas por carretera. Ministerio de Fomento, Gobierno de España. Publicado en el BOE núm. 63, de 14 de marzo de 2013.

[2] Julio Palacios, “Análisis Dimensional”. Espasa-Calpe, 2ª Edición, 1964.

[3] 9231-T, Rev.1 “Estudio de Seguridad del Contenedor de Transporte de Combustible Gastado ENUN 32P”, Ensa, Enero 2012.

[4] David Garrido (Ensa), David C. Harding (SNL), “Protecting Against Corner Impacts: Sensitivities Discovered During a Rail Cask Impact Limiter Design”, PATRAM 2013, San Francisco (EEUU).

diseño de los limitadores de impacto de un bulto tipo

Documents