FABRICAÇÃO E INSTALAÇÃO DE RACKS SUPERCOMPACTOS PARA A USINA NUCLEAR DE ANGRA 2

Ademir Antonio Fraga Ribeiro

Nuclebrás Equipamentos Pesados S.A.- NUCLEP Av. Euclides de Oliveira Figueiredo, 200

CEP 23825-410 – Itaguaí – Rio de Janeiro - BRASIL

RESUMO

Este trabalho tem como objetivo apresentar as etapas e os processos de produção utilizados para construção dos RACKS SUPERCOMPACTOS (Contêineres utilizados para o armazenamento e estocagem de elementos combustíveis) referentes à Usina Nuclear de Angra 2, resultantes do desenvolvimento tecnológico elaborado pelo corpo técnico da NUCLEP S.A., desde a definição dos métodos utilizados na sua fábrica em Itaguaí, até a sua instalação e comissionamento final dentro da piscina de água borada, na Central Nuclear em Angra dos Reis.

Keywords: spent fuel storage racks; racks manufacturing; racks instalation; high density racks.

I. INTRODUÇÃO

A remoção dos elementos combustíveis do interior de um reator nuclear, tanto para a recarga do núcleo, como para a realização de manutenção, ou mesmo estocagem dos elementos, requer a existência de um local adequado para o respectivo armazenamento, obedecendo aos rígidos padrões de segurança e aos critérios de subcriticalidade.

Visando o atendimento desses requisitos, a Usina Nuclear de Angra 2 é dotada de uma Piscina de Elementos Combustíveis, conforme mostrado na figura 1, onde o elemento químico boro, dado às suas altas características de absorção de nêutrons, é adicionado à água da piscina, a fim de que sejam proporcionadas melhores condições de armazenamento e neutralização da radiação na estocagem dos elementos combustíveis.

Figura 1. Vista geral da Usina com a localização da Piscina e os RACKS.

A piscina destinada ao armazenamento dos elementos combustíveis de Angra 2 foi especialmente calculada para receber todos os elementos combustíveis a serem utilizados na Usina, durante os 40 (quarenta) anos da sua vida útil.

Essa Piscina de Água Borada, conforme mostrada na Figura 1, localiza-se dentro da Esfera de Contenção do Prédio do Reator e está interligada, por meio de canais com água borada, até as imediações do Reator.

Com o auxílio de uma ponte rolante, os mesmos são transportados da piscina para o interior do Reator e vice-versa.

A fim de que se possibilite um perfeito acondicionamento dos elementos combustíveis dentro da Piscina de Água Borada, torna-se necessário que os mesmos estejam suportados por estruturas metálicas que garantam um posicionamento adequado dentro d´agua (ver Figura 2), garantindo perfeitas condições de entrada e saida do interior da piscina. Essas estruturas de aço são denominadas RACKS.

Figura 2. Piscina com Água Borada Típica e Vista Superior

dos RACKS.

II. RACKS Os RACKS são estruturas metálicas que possuem a forma similar a um engradado, com células no formato quadrado, conforme mostrado na Figura 3. Ele é totalmente fabricado em aço inoxidável austenítico, possuindo uma blindagem nas faces laterais dos canais construída em chapa de aço inoxidável com liga de boro.

O objetivo dessa blindagem de chapas de aço inoxidável borado, é inibir a reatividade dos elementos combustíveis armazenados na piscina, aumentando a

capacidade de aproximação de um elemento ao outro, resultando num aumento da quantidade de elementos combustíveis no interior da Piscina.

Com a aplicação dessa blindagem e o consequente aumento na quantidade de elementos combustíveis dentro da piscina, é possível provocar um ganho na vida útil da Usina, motivo pelo qual estes Racks são denominados RACKS-SUPERCOMPACTOS.

Figura 3. Vista Superior da Fabricação dos RACKS na

Fábrica da Nuclep, em Itaguaí, R.J.

III. DESENVOLVIMENTO TECNOLÓGICO

A necessidade produtiva da Usina de Angra 2 provocou a encomenda feita pela ELETRONUCLEAR à NUCLEP, em outubro de 1997, de 8 (oito) RACKS- SUPERCOMPACTOS compostos de aproximadamente 100 células cada um, com dimensões de 2,4 m x 2,4 m de base quadrada, com uma altura de 5,3 metros e peso de 15 (quinze) toneladas cada módulo.

Os RACKS são totalmente fabricados em aço inoxidável AISI 304 L com as chapas de blindagem em aço austenítico com 1.2 % de boro aplicadas nas laterais dos canais. Os RACKS são fabricados segundo os padrões de construção nuclear estabelecidos nas normas ASME SEÇÃO III, Divisão 1, Subseção NF.

Dadas as características de esbeltez desses equipamentos, que fogem da linha habitual dos produtos fabricados pela NUCLEP, voltada para a construção de componentes pesados de grande porte, verificou-se a necessidade do desenvolvimento de uma tecnologia específica que incorporasse métodos e processos direcionados à fabricação de estruturas de alta precisão em chapas de pequenas espessuras.

Para isso, em novembro de 1997, uma equipe de técnicos, engenheiros e projetistas da NUCLEP deu início aos trabalhos de desenvolvimento da tecnologia de fabricação dos RACKS SUPERCOMPACTOS destinados ao armazenamento de 820 elementos combustíveis

utilizados na produção da energia hoje gerada pela Usina Nuclear de Angra 2.

A NUCLEP, ao desenvolver essa tecnologia necessitou construir uma Sala Limpa, totalmente climatizada e com controle de impurezas em suspensão (ver Figura 4), de maneira que fosse assegurada uma atmosfera pura e livre de contaminação, tanto para a proteção do arco elétrico gerado na soldagem do aço borado, como para a preservação final dos módulos antes da embalagem e do transporte para a Usina.

Figura 4: Soldagem dos Canais na Fábrica de Itaguaí.

IV. MÉTODOS PARA A FABRICAÇÃO

O emprego de materiais com ligas complexas na construção dos RACKS, associado ao alto grau de controle das deformações térmicas e mecânicas oriundas dos processos de solda e de conformação, demandaram pesquisas e desenvolvimentos que resultaram na construção de ferramentas e dispositivos especialmente construídos para a fabricação desses componentes.

Dentre as fases mais importantes da fabricação dos RACKS-SUPERCOMPACTOS, podem-se destacar: Ø Concepção do projeto de fabricação:

Nessa fase foram desenvolvidas as concepções de fabricação e a estabilidade mecânica do componente, baseadas em cálculos estruturais e considerações sísmicas relativas ao projeto básico do produto, que permitiram a definição das tolerâncias dimensionais a serem atingidas, a fim de que fossem garantidas as rígidas especificações técnicas do componente. Ø Fabricação dos Canais de Absorção:

Essa etapa consistiu na fabricação de 410 canais de absorção, formados por um tubo de seção quadrada de 226mm x 226mm e 5000 mm de comprimento, construído a partir de duas metades em chapas de aço austenítico de dois milímetros de espessura, conformados no formato ”U”.

Para essa linha de produção de Canais de Absorção, mostrada na Figura 5, a peculiaridade reside na obtenção das rígidas tolerâncias de planicidade dos canais, as quais permitem uma flecha de deformação máxima de 1.0 mm em 5,0 metros de comprimento, juntamente com a tolerância das diagonais da seção transversal do tubo, de no máximo 1,5 mm.

Figura 5. Linha de Fabricação de Canais de Absorção.

Para a obtenção desses padrões de qualidade, cuidados especiais na fabricação dos componentes foram estabelecidos em todas as etapas da construção, utilizando-se recursos e meios auxiliares praticamente em todas fases da execução. Este fato totalizou a utilização de aproximadamente 170 toneladas de aço na construção de dispositivos especiais, alguns totalmente automatizados e com recursos de fixação óleo-dinâmica e controles eletro-eletrônicos.

Os processos de soldagem também foram áreas sensíveis que demandaram amplos estudos e desenvolvimento de sistemas com grande velocidades e pouco aporte de calor, a fim de evitar as deformações térmicas oriundas da fusão dos materiais austeníticos.

Para a soldagem dos tubos quadrados dos Canais de Absorção foram desenvolvidas máquinas de solda ARC-PLASMA automáticas, conforme mostrado na Figura 6, com a utilização de gás Argônio 5 (99,999 % de pureza) e gás de proteção CO2 (95% Argônio e 5% H2), obtendo-se, assim, alto grau de produção e qualidade nos cordões de solda.

Figura 6. Desenvolvimento da Solda Longitudinal ARC-PLASMA.

Entretanto, a necessidade de uma demanda de tubos que pudesse atender a produtividade requerida pela linha de produção, resultou no desenvolvimento de dispositivos mais estruturados e com auxílio de fixações automatizadas por meio de unidades hidráulicas e controles eletro-eletrônicos, como por exemplo, o mostrado na Figura 7. Estes dispositivos proporcionaram alto grau de precisão dimensional e o aumento da velocidade, através da utilização de “backings” de cobre na dissipação do calor.

Figura 7. Solda Longitudinal dos Canais de Absorção. Ø Fabricação das Estruturas de Sustentação:

As estruturas de sustentação dos RACKS são bases de aço inoxidável no formato de grades, construídas com tiras de chapa de aço inoxidável de 20 mm de espessura, entalhadas por usinagem e encaixadas, uma na outra, de forma a assegurar um bloco indeformável responsável pelo apoio e fixação de todos os Canais de Absorção, coberturas e chapas de fechamento.

A soldagem dessas bases estruturais utiliza-se de dispositivos especiais com o objetivo de conter as deformações oriundas das concentrações de tensões térmicas provocadas pelo processo de solda. O processo de soldagem empregado é o MIG-Pulsado (GMAW) que utiliza arames ER 304 L Si, e gás de proteção com 98% de Argônio e 2 % de CO2.

Durante essa fase da soldagem, a chapa de base é imersa em água corrente, a fim de que ocorra uma refrigeração forçada, dissipando-se o aporte de calor oriundo da solda. Esses cuidados associados ao controle da planicidade da base, são importantes para que não ocorram alívios de tensões a frio durante o processo de usinagem da estrutura na fresadora de pórtico, conforme mostrado na Figura 8.

Figura 8. Usinagem da Estrutura de Sustentação dos Canais.

O grau de precisão da usinagem dessa estrutura envolve categorias de fino acabamento e alta planicidade, haja vista que todo o feixe de Canais de Absorção e chapas de fechamento apoiam-se diretamente sobre essa base, a qual é responsável pela garantia do prumo do conjunto, não podendo exceder a uma variação de 1,5 mm, numa altura de 5,0 metros.

Após a conclusão da montagem e soldagem dos módulos dos RACKS, uma ampla decapagem e passivação é realizada por meio de solução ácida com 15% de Ácido Nítrico (HNO3) e 2% de Ácido fluorídrico (HF). O objetivo dessa decapagem é descontaminar os componentes e os preparar para a operação de embalagem e transporte dos mesmos para o interior do Prédio do Reator.

Ø Instalação e Comissionamento na Usina:

Após o acesso dos módulos dos RACKS no interior do Prédio do Reator, os mesmos são verticalizados e preparados como mostra a figura 9, para a colocação dentro da Piscina de Elementos Combustíveis da Usina de Angra 2, ainda com a piscina vazia (“montagem a seco”).

Figura 9. Preparação dos Pés de Sustentação dos Módulos

antes do Acesso na Piscina.

Para essa fase, foram instaladas no fundo da Piscina, Placas de Distribuição que consistem em chapas de aço inoxidável de 100 mm x 500 mm x 756 mm, as quais servem de apoio para os RACKS. Essas placas possuem rebaixos usinados e nivelados oticamente, sobre os quais assentam-se os pés dos módulos.

A soma da altura das Placas de Distribuição, mais a dos pés e a dos módulos é ajustada conforme os valores previstos nas cotas de elevação do topo dos RACKS até os marcos topográficos cravados no Prédio do Reator.

Nessa fase, o nivelamento do módulo e a sua precisão em relação ao prumo vertical são de extrema importância, pois garantem a entrada livre dos elementos combustíveis dentro das células (canais) do RACKS.

Após a instalação dos módulos dos RACKS, todo o conjunto é comissionado através da Máquina de Recarga, a

qual encontra-se apoiada nas bordas da piscina (estrutura na cor laranja mostrada na Figura 10) e que destina-se à localização final do centro de todas as células que receberão os elementos combustíveis.

Figura 10. Verticalização e Colocação de um Módulo do RACKS na Piscina Vazia de Angra 2.

A Máquina de Recarga é equipada com um sistema de sensores ligados a monitores computadorizados, os quais são interligados a réguas montadas nas bordas da piscina que fornecem os valores de deslocamentos ortogonais sobre toda a área da mesma.

Na extremidade do suporte vertical da máquina é montado o “DUMMY” de controle, o qual simula um elemento combustível mais longo que é introduzido em todas as células dos módulos, conforme mostrado na Figura 11. Com esse teste (tipo “passa-não-passa”) é procurado o melhor centro de cada célula e seus valores são registrados na memória do sistema, completando-se, nesse momento, o comissionamento e a entrega dos RACKS-SUPERCOMPACTOS.

Figura 11. Testes com o “DUMMY” e a Máquina de Recarga.

V. CONCLUSÃO

A fabricação dos RACKS-SUPERCOMPACTOS pela NUCLEP - Nuclebrás Equipamentos Pesados S.A., por ser inédita no Brasil, exigiu um amplo desenvolvimento tecnológico com o emprego de materiais de última geração, métodos e processos especialmente concebidos para a construção de ferramentas e meios auxiliares específicos para esse tipo de linha de produção.

A concepção do projeto, desenvolvida pelo seu quadro de técnicos e engenheiros, exigiu significativos investimentos aplicados na construção de dispositivos especiais e na aquisição de equipamentos sofisticados. Esta concepção possibilitou a obtenção de técnicas de fabricação em chapas finas que constituem, hoje, um marco na caldeiraria de precisão da industria nacional.

A NUCLEP, ao incorporar essa tecnologia de fabricante de RACKS-SUPERCOMPACTOS, além de proporcionar ao país a nacionalização de um equipamento estratégico à linha de produção núcleo-elétrica, encontra-se também qualificada para disputar o mercado internacional de fornecimento ou substituição desses componentes.

ABSTRACT

The objective of this article is to present the steps and processes involved in the manufacturing of the HIGH DENSITY SPENT FUEL STORAGE RACKS for the ANGRA 2 Nuclear Power Plant, as a result of technological development of NUCLEP's technical team, including the definition of the methods used in the factory, in Itaguaí - RJ, and the assembly and final commissioning of the RACKS into the borated-water-spent-fuel pool at the ANGRA 2 NPP, in Angra dos Reis-RJ, BRAZIL.